基于单片机的智能游乐场设施管理系统设计与实现

河北理工大学信息学院 摘要 ix2功能与设计方案2.1系统功能要求本系统基于游乐场设施安全管理的实际需求，本系统需要实现以下功能：安全监测功能：实时监测游乐设施的温度和转速，当超过预设阈值时，系统应立即报警并启动制动继电器，确保设施安全停止；同时提供安全带检测功能，确保游客在游玩过程中安全带系好，否则触发制动。环境监测与调节功能：监测游乐场环境的温湿度和空气质量，当温度过高时自动启动风扇降温，湿度过低时启动加湿器，空气质量差时启动排风设备，为游客创造舒适的游玩环境。人流控制功能：通过红外传感器检测游客数量，当人数达到预设阈值时，自动关闭闸门，防止过度拥挤导致的安全隐患。参数显示与设置功能：通过OLED显示屏实时显示各项参数，包括温湿度、空气质量、人数、转速、闸门状态等；提供按键操作界面，允许工作人员设置各参数的阈值。紧急报警功能：设置紧急报警按钮，游客在紧急情况下可以触发报警，系统立即启动声光报警装置并通知管理人员。远程监控功能：通过4G模块将游乐设施的运行数据和游客反馈上传至云平台，同时支持远程控制设施的各项功能。2.2系统设计方案基于上述功能要求，本系统中控部分以STM32F103C8T6单片机为核心控制器，负责数据采集、处理和控制信号输出，同时配置了稳定的电源电路，通过Type-C接口提供5V输入并转换为3.3V供单片机使用。输入部分集成了多种传感器，包括DHT11温湿度传感器检测环境温湿度，两组HB-003红外对管用于人数检测，MQ-135空气质量传感器监测空气质量，B3950热敏电阻检测设施温度，3144E霍尔传感器测量转速和安全带状态，以及多个独立按键用于界面切换、参数设置和紧急报警。输出部分则包括OLED12864显示屏展示各项参数，MX1508直流电机驱动控制设施速度和方向，两组继电器分别用于温度/转速异常和安全带异常时的紧急制动，N-MOS管控制电路调节风扇和加湿器，SG90舵机控制闸门开关，ML307A4G模块实现数据上传和远程控制，以及声光报警装置用于紧急情况提醒。系统工作流程是各传感器实时采集数据，单片机处理后与预设阈值比较，根据结果控制相应输出设备，同时在OLED屏上显示并上传至云平台，形成闭环控制实现游乐设施的智能化管理。图2.1系统硬件模块工作框图2.3器件方案对比2.3.1单片机的选择方案一：STC89C52STC89C52是一款广泛应用的8位单片机，基于经典的8051内核设计。该芯片内置4KBFlash程序存储器和256字节RAM，提供32个可编程I/O口和3个16位定时器/计数器。对于简单控制系统，STC89C52具有明显优势。它的开发资料丰富，入门门槛低，开发环境成熟且价格经济，非常适合教学和小型项目开发。同时，它功耗较低，在电池供电应用中表现良好[11]。方案二：STM32F103STM32F103是基于ARMCortex-M3内核的32位微控制器，相比STC89C52有质的飞跃。它的主频高达72MHz，处理能力强大，能够轻松应对复杂的控制算法和多任务处理。该芯片提供了丰富的外设资源，包括多达80个通用I/O口，完全满足多传感器连接需求。内置的16通道12位ADC模块使其能够直接采集模拟信号，简化了电路设计[12]。虽然相比STC89C52，STM32F103的性价比高，运行稳定，STM32F103仍然是较为合适的选择。其处理能力、外设资源和生态支持，能够满足游乐场设施管理系统的基本功能需求，同时为未来可能的扩展预留了空间。2.3.2通信模块的选型方案一：HC-05HC-05是一款常用的蓝牙通信模块，基于蓝牙2.0协议设计，支持SPP（SerialPortProfile）串口透传功能。该模块通过简单的AT指令进行配置，使用串口与单片机通信，操作相对简便。HC-05的价格低廉，资料丰富，对于原型开发和小范围应用非常有吸引力。它的功耗较低，典型工作电流仅为25mA，适合电池供电场景，HC-05支持主从模式切换，可实现设备间的点对点通信。HC-05的局限性主要体现在通信距离和稳定性方面，其有效通信距离通常限制在10米以内，在游乐场这样的大型场所中覆盖范围明显不足。蓝牙连接需要人工干预，每次建立连接都需要手动操作，不利于系统自动化运行[13]。方案二：ML307RML307R是一款高性能的4G通信模块，支持全网通2G/3G/4G网络制式，为物联网应用提供可靠的通信解决方案。该模块内置TCP/IP协议栈，通过标准AT指令即可实现网络数据交互，降低了开发难度。ML307R的最大优势在于通信距离不受物理限制，只要有蜂窝网络覆盖，即可实现远程通信和控制，非常适合大型游乐场环境[14]。虽然ML307R的价格高于HC-05，且需要额外的SIM卡和流量费用，功耗也相对较高（工作电流约300-500mA），但考虑到游乐场设施管理系统对通信距离、自动化程度和可靠性的高要求，ML307R是更适合的选择。它的远程通信和控制能力能够极大提升系统的管理效率和响应速度，为游乐场设施的安全监控提供强有力的技术支持。2.3.3显示模块的选型方案一：LCD1602LCD1602是一种经典的字符型液晶显示屏，能够显示2行，每行16个字符。该显示屏使用标准的HD44780控制器，操作简单，接口兼容性好，在基础电子项目中应用广泛。LCD1602的价格非常经济，是许多入门级项目的首选显示方案。它的功耗相对较低，尤其是在低刷新率应用中表现优良。LCD1602耐久性好，在正常使用条件下可以长期稳定工作[15]。方案二：OLEDOLED12864是一种基于有机发光二极管技术的图形显示屏，分辨率为128×64像素，支持图形和文字混合显示。OLED显示屏最显著的特点是自发光，无需背光源，具有极高的对比度（>2000:1）和宽视角（>160°），在各种光线条件下都能提供清晰的显示效果。这一特性使其特别适合游乐场这样的复杂光线环境[16]。OLED显示屏也有一些缺点，如价格相对较高，寿命相对较短，且存在老化不均的问题。功耗方面，虽然单个像素的耗电较低，但当大量像素点亮时，OLED的耗电量可能高于同尺寸的LCD。尽管如此，考虑到游乐场设施管理系统对显示内容丰富性、界面直观性和环境适应性的高要求，OLED12864是更为适合的选择。2.3.4云平台的选择方案一：OneNet平台OneNet是中国移动推出的物联网开放平台，具有便捷的接入服务和丰富的行业应用模板，支持多种通信协议，能够快速实现设备接入与数据传输。在设备管理方面，OneNet可对设备进行生命周期管理、远程维护与升级，简化了设备运维流程。对于数据处理，平台提供了数据存储、分析等基础功能，能满足一般物联网项目的数据处理需求。同时，OneNet平台针对中小规模的物联网应用，价格较为亲民，适合预算有限、对功能需求相对简单的项目。方案二：阿里云平台阿里云平台是国内领先的云计算和物联网服务平台，拥有强大的计算能力与高可靠的基础设施，能够支撑大规模设备的稳定接入与海量数据的高效处理。在功能层面，阿里云不仅具备完善的设备管理、数据存储分析功能，还提供AI算法支持、智能预测等高级功能，可通过机器学习对游乐设施运行数据进行深度分析，提前预测设备故障，大大提升安全管理水平。其安全体系极为完善，采用了多重加密技术与严格的权限管理机制，保障数据传输与存储安全，这对于涉及游客安全信息的游乐场设施管理系统至关重要。此外，阿里云平台拥有丰富的生态资源与技术支持，能为项目后续的扩展与优化提供有力保障。不过，阿里云平台在功能更强大的同时，使用成本相对较高。综合考虑游乐场设施管理系统对数据处理能力、安全性和功能扩展性的高要求，阿里云平台更能满足系统的长期稳定运行与智能化发展需求，是更优的选择。2.3.5温度传感器的选择方案一：DS18B20温度传感器DS18B20是一款常用的数字温度传感器，采用单总线的数据传输方式，仅需一根数据线即可实现与微控制器的通信，硬件连接简单，布线成本低。它的测温范围较宽，能够在-55℃至+125℃的环境下正常工作，并且具有较高的测温精度，在-10℃至+85℃范围内精度可达±0.5℃。DS18B20可直接输出数字信号，无需额外的A/D转换电路，简化了数据处理流程，适用于对温度测量精度要求较高且仅需获取温度数据的场景。此外，该传感器稳定性好、抗干扰能力强，在工业、家电等领域应用广泛，市场价格相对较为经济实惠。方案二：DHT11温湿度传感器DHT11是一款集成式数字温湿度复合传感器，能够同时测量环境温度和湿度，输出数字信号，方便与单片机等控制器连接。其测量范围为温度0℃-50℃、湿度20%-90%RH，温度测量精度为±2℃，湿度测量精度为±5%RH，虽然在精度上相比DS18B20在温度测量方面略逊一筹，但满足游乐场日常环境监测的基本需求。在游乐场中，湿度对于游乐设施的金属部件防锈、电子元件性能等方面有着重要影响，DHT11能够同时获取温湿度数据，为设施维护和安全管理提供更全面的环境信息。并且，DHT11价格适中，功耗较低，使用寿命长，综合性能良好。综上所述，考虑到游乐场设施管理系统需要全面监测环境参数，以便更好地保障设施安全和游客体验，DHT11温湿度传感器能够提供更丰富的环境数据，更契合系统需求，是更合适的选择。2.4本章小结本章对智能游乐场设施管理系统的功能需求和设计方案进行了详细阐述，明确了系统需要实现的安全监测、环境调节、人流控制、参数显示与设置、紧急报警和远程监控等核心功能。在设计方案中，将系统分为中控、输入和输出三大部分，确定了各部分的组成模块和工作流程。针对系统的关键硬件部件，通过深入分析比较不同方案的优缺点，最终选择了STM32F103C8T6单片机、ML307R4G通信模块和OLED12864显示屏作为系统的核心硬件配置。这些选择在满足系统功能需求的同时，也兼顾了性能、可靠性和成本等多方面因素，为系统的硬件实现和后续开发奠定了坚实基础。5系统的测试3系统的硬件设计3.1STM32F103单片机STM32F103C8T6是本系统的核心控制器，负责数据采集、处理和控制信号输出。该芯片基于ARMCortex-M332位RISC内核，主频高达72MHz，具有64KBFlash和20KBSRAM，37个通用I/O口，两个12位ADC，三个通用定时器和一个高级定时器，以及多种通信接口（USART、I2C、SPI等）。本系统中，STM32F103的硬件设计主要包括最小系统设计和外设连接，最小系统包括时钟电路、复位电路和电源电路。时钟电路采用8MHz外部晶振，通过PLL倍频到72MHz作为系统主时钟；另配置32.768KHz低速晶振用于RTC实时时钟。复位电路由10K电阻和复位按键组成，确保系统可靠启动。电源电路使用XC6206稳压芯片将5V输入转换为3.3V，同时配置多个去耦电容提供稳定电源。I/O口分配方面，PA0-PA7用于按键和模拟信号输入，PB0-PB1用于直流电机控制，PB3-PB4控制继电器，PB5-PB6控制N-MOS管，PB7连接DHT11温湿度传感器，PB8连接舵机，PB9用于安全带监测，PB12用于霍尔传感器，PB14-PB15用于OLED显示屏的I2C通信，PC13-PC15用于红外对管和LED指示。通信接口方面，PA2-PA3（USART2）连接4G模块，实现数据上传和远程控制。图3.1STM32F103单片机接线情况3.2DHT11温湿度检测模块DHT11是一款数字温湿度传感器，能够同时测量环境的温度和湿度，该传感器内部包含一个电容式湿度传感元件和一个NTC热敏电阻，以及一个8位单片机，将采集的模拟信号转换为数字信号输出。DHT11的测量范围为温度0-50℃（±2℃），湿度20-90%RH（±5%RH），精度虽然不高，但足以满足游乐场环境监测的基本需求。在本系统中，DHT11模块通过单总线接口与STM32F103单片机相连。1-VCC（接3.3V电源）、2-DATA（接PB7引脚）、3-NC（悬空）、4-GND（接地）。通信采用单总线协议，主机（STM32）先发送起始信号，然后DHT11响应并返回40位数据，包括8位湿度整数，8位湿度小数，8位温度整数，8位温度小数和8位校验和。DHT11的驱动程序实现相对复杂，需要精确的时序控制，主机将DATA线拉低至少18ms，然后释放总线并等待DHT11响应；接着DHT11将总线拉低80μs再拉高80μs作为响应信号；之后DHT11开始传输数据，每一位数据由一个50μs的低电平和一个高电平组成，高电平持续时间决定了数据的值（26-28μs表示0，70μs表示1）；最后接收完40位数据后，DHT11释放总线，进入低功耗模式。通过DHT11采集的温湿度数据，一方面显示在OLED屏幕上供工作人员监控，另一方面用于控制风扇和加湿器，实现环境参数的自动调节。当温度超过预设阈值（可通过按键设置）时，系统启动风扇降温；当湿度低于预设阈值时，启动加湿器增湿，为游客创造舒适的游玩环境。图3.2DHT11实际接线图3.3HB-003红外对管模块HB-003红外对管模块是一种基于红外线发射与接收原理的物体检测装置，由红外发射管和接收管组成。发射管发出特定频率的红外光，当有物体阻挡光路时，接收管无法接收到信号，输出电平发生变化，从而实现物体检测功能。在本系统中，使用了两组HB-003红外对管，分别连接到STM32F103的PC14和PC15引脚，用于检测游客通过闸门的情况，实现人数统计功能。每个HB-003模块有三个引脚：VCC（接5V电源）、GND（接地）和OUT（数字输出，连接到单片机引脚）。当统计的人数达到预设的阈值（可通过按键设置）时，系统会控制舵机旋转，关闭闸门，防止过度拥挤导致的安全隐患，OLED显示屏上会显示当前人数和闸门状态，方便工作人员监控。当人数低于阈值时，系统会自动开启闸门，恢复正常运营。图3.3HB-003红外对管模块实际接线图3.4MQ-135空气质量检测模块MQ-135空气质量传感器是一种对多种有害气体敏感的气体传感器，主要用于检测空气中的氨气、硫化物、苯系蒸汽等有害气体的浓度。传感器内部是一个二氧化锡（SnO2）半导体材料，当有害气体存在时，材料的电阻值会发生变化，通过测量这一变化可以得到气体浓度。在本系统中，MQ-135模块连接到STM32F103的PA1引脚，用于监测游乐场环境的空气质量。MQ-135模块有四个引脚：VCC（接5V电源）、GND（接地）、DO（数字输出，本系统未使用）和AO（模拟输出，连接到PA1）。系统通过ADC采样模拟输出值，将其转换为空气质量指数。空气质量数据会实时显示在OLED屏幕上，同时用于控制排风设备。当空气质量低于预设阈值时，系统会自动启动排风扇（通过N-MOS管控制），改善环境空气质量。系统还记录空气质量的历史数据，计算日均值和峰值，通过4G模块上传至云平台，为游乐场管理提供环境质量评估依据。图3.4MQ-135空气质量检测模块实际接线图3.5B3950热敏电阻模块B3950热敏电阻是一种负温度系数(NTC)热敏电阻，温度升高时电阻值降低，其中"3950"表示材料特性参数B值，反映了电阻随温度变化的灵敏度。该元件具有响应速度快、测量范围广、成本低等优点，适合用于游乐设施的温度监测。在本系统中，B3950热敏电阻通过分压电路连接到STM32F103的PB5引脚，用于检测游乐设施的温度，防止过热导致的安全事故。电路设计采用经典的分压测温方式，即将热敏电阻与一个精密电阻（10KΩ±1%）串联，形成分压器，通过测量分压点的电压值计算出热敏电阻的阻值，进而换算出温度。温度计算采用Steinhart-Hart方程，该方程能够精确描述NTC热敏电阻的温度-电阻特性：1/T=A+B×ln(R)+C×[ln(R)]³其中T是绝对温度（K），R是热敏电阻的阻值，A、B、C是特性系数。对于B3950热敏电阻，简化后的计算公式为：T=1/(1/T₀+ln(R/R₀)/B)式中T₀为参考温度（通常为25℃或298.15K），R₀为在参考温度下的电阻值（通常为10KΩ），B为热敏电阻的特性参数（3950）。为提高测量精度，系统采用过采样和滤波算法处理ADC采样数据。每100ms采集一次，连续采集16次取平均值，并通过软件低通滤波器平滑处理，减少噪声干扰。同时，系统实现了异常值检测和自动校准功能，定期检测并修正测量偏差。当检测到温度超过预设阈值时，系统会触发两级保护措施：首先，当温度达到一级警戒温度（可设置，默认为60℃）时，系统会启动风扇散热，同时降低电机转速；如果温度继续上升达到二级警戒温度（默认为70℃），系统会立即触发继电器1实现紧急制动，同时启动声光报警，提醒工作人员处理。图3.5B3950热敏电阻模块实际接线图3.63144E霍尔传感器3144E是一款单极性霍尔效应传感器，能够检测磁场的存在并输出对应的电平信号。当南极磁体接近传感器时，输出低电平；磁体远离时，输出高电平。该传感器内置施密特触发器，具有良好的抗干扰能力和稳定的开关特性。在本系统中，使用了两个3144E霍尔传感器，分别连接到STM32F103的PA0和PB12引脚，用于检测游乐设施的转速和安全带状态。每个3144E模块有三个引脚，VCC（接3.3V或5V电源）、GND（接地）和OUT（数字输出，连接到单片机引脚）。转速监测霍尔传感器（连接PA0）安装在游乐设施的旋转部件附近，与旋转部件上安装的永磁体配合使用。每当永磁体经过传感器时，传感器输出一个脉冲信号，系统通过计数这些脉冲信号来计算转速。具体实现采用中断方式，将PA0配置为外部中断，每次检测到下降沿（表示磁体经过）时触发中断服务程序，记录相邻两次中断的时间间隔，计算转速值。为确保测量精度，系统实现了自适应采样窗口技术。在低速状态下，系统使用较长的采样窗口（如2秒）来收集足够的脉冲；在高速状态下，则使用较短的窗口（如0.5秒）以提供更快的响应。采用指数平滑滤波算法处理转速数据，减少瞬时波动对显示和控制的影响。安全带监测霍尔传感器（连接PB12）则安装在安全带锁扣位置，与安全带锁扣内的永磁体配合工作。当安全带正确扣好时，永磁体靠近传感器，输出低电平；安全带未扣或松开时，输出高电平。系统通过按键（PA4）启动安全带检测，若检测到未扣好，立即触发继电器2实现紧急制动，并启动声光报警。图3.63144E霍尔传感器实际接线图3.7DML307R4G模块ML307R是一款高性能的4G通信模块，支持全网通2G/3G/4G网络制式，是本系统实现远程监控和数据上传的核心组件。该模块基于高通MDM9607平台，支持LTECat.1标准，上行速率最高5Mbps，下行速率最高10Mbps，足以满足系统的通信需求。在硬件连接上，ML307R模块通过UART接口与STM32F103相连，ML307R的TX连接到STM32的RX2(PA3)，ML307R的RX连接到STM32的TX2(PA2)，通信波特率设置为115200bps。模块由5V电源供电，工作电流约为300-500mA，因此电源电路采用了专门的LDO稳压器和滤波电容，确保供电稳定。ML307R模块的初始化过程较为复杂，包括SIM卡检测、网络注册、APN设置和TCP/IP协议栈初始化等步骤。系统采用状态机方式管理初始化流程，通过AT命令与模块交互，依次完成各项配置。初始化完成后，模块进入数据通信状态，随时准备上传数据或接收控制命令。数据通信采用MQTT协议，该协议轻量级、带宽需求低、支持QoS服务质量保证，非常适合物联网应用。系统将采集的各种参数（温湿度、空气质量、转速、人数等）打包成JSON格式的数据包，定期（通常为每分钟一次）通过ML307R模块上传至云平台。同时，系统还会在特定事件（如温度超阈值、安全带异常等）发生时立即上传报警信息，确保管理人员能够及时获知并处理异常情况。图3.7DML307R4G模块实际接线图3.8MX1508直流电机驱动模块MX1508是一款双H桥直流电机驱动模块，能够独立控制两个直流电机的转向和速度。该模块基于MX1508芯片，具有驱动能力强、发热小、控制简单等特点，最大持续输出电流为1.5A，峰值电流可达2A，能够满足游乐设施电机控制的需求。在本系统中，MX1508模块连接到STM32F103的PB0和PB1引脚，用于控制游乐设施的电机。MX1508模块的VCC1/VCC2（接5V电源）、INA1/INB1（电机A控制信号，连接PB0）、INA2/INB2（电机B控制信号，连接PB1）、OUTA1/OUTB1和OUTA2/OUTB2（电机输出端）。电机控制采用PWM调速方式，通过改变PWM信号的占空比实现电机速度的精确控制。系统配置了TIM3定时器产生PWM信号，频率设为20KHz（超出人耳可听范围，避免产生噪音），分辨率为1000级，可实现0.1%的精细调速。电机转向则通过控制INA和INB的高低电平组合实现，具体为：INA=1,INB=0电机正转；INA=0,INB=1电机反转；INA=INB=0或INA=INB=1电机制动。系统实现了电机的软启动和软停止功能，避免突然启动或停止对机械结构的冲击。软启动时，PWM占空比从0逐渐增加到目标值，每10ms增加1%；软停止则相反，从当前值逐渐减小到0，实现平滑过渡。图3.8MX1508直流电机驱动模块实际接线图3.9本章小结本章详细介绍了智能游乐场设施管理系统的硬件设计，以STM32F103单片机为核心，系统集成了多种传感器和执行器，形成了完整的监控与控制网络。DHT11温湿度传感器和MQ-135空气质量传感器负责环境参数监测；HB-003红外对管实现人流统计和控制；B3950热敏电阻和3144E霍尔传感器分别监测设施温度和转速，确保游客安全；MX1508直流电机驱动模块控制设施运行；ML307R4G模块实现数据上传和远程控制。各模块之间紧密配合，形成了一个功能完备、可靠稳定的硬件系统。

4系统的软件设计4.1软件介绍4.4.1编程软件介绍Keil5是ARM公司推出的一款针对ARMCortex-M系列微控制器的集成开发环境(IDE)，是STM32开发的标准工具之一。Keil5集成了编辑器、编译器、调试器和仿真器等功能，提供了完整的开发链工具，极大地简化了嵌入式系统的开发过程。本系统采用Keil5MDK（MicrocontrollerDevelopmentKit）V5.28版本进行开发，使用ARM编译器V5.06版本编译代码。开发过程中充分利用了Keil5的各种功能，包括项目管理、代码编辑、智能语法检查、代码编译、程序下载和在线调试等。系统软件基于裸机开发，没有使用操作系统，但实现了一套简单的任务调度机制，通过时间片轮询方式处理不同任务，确保系统响应及时、运行稳定。为提高代码的可移植性和复用性，系统还设计了硬件抽象层(HAL)，将硬件操作封装成统一的接口，上层应用通过这些接口访问硬件资源，降低了代码对特定硬件的依赖。在开发过程中，严格遵循嵌入式软件开发规范，采用统一的命名规则、注释风格和错误处理机制，确保代码的可读性和可维护性。同时，广泛使用版本控制工具（如Git）管理源代码，记录开发历史，便于团队协作和问题追踪。图4.1Keil_5软件界面4.4.2编程软件STM32CubeMX介绍在STM32微控制器的开发领域，STM32CubeMX是意法半导体推出的一款得力工具，作为STM32Cube工具家族的重要成员，它彻底改变了传统开发的繁琐模式。对于开发者来说，最直观的感受就是它那友好的图形化操作界面。就像搭建积木一样，无需面对复杂的代码和寄存器，仅通过鼠标的简单拖拽、点击，就能轻松完成引脚分配。比如将GPIO引脚设置为输出模式控制LED灯，或者配置为外部中断引脚来响应传感器信号，这种操作方式既简单又不容易出错。在时钟配置环节，它更是提供了强大的可视化工具，能方便地对系统、外设、总线时钟进行设置，通过优化时钟树结构，让整个系统的运行更加稳定可靠。功能方面，STM32CubeMX的优势更为显著。完成各项配置后，一键就能生成初始化C代码，并且完美适配IAREmbeddedWorkbench、MDK-ARM、STM32CubeIDE等主流开发环境。这意味着开发者能直接基于生成的代码进行后续开发，大大节省了时间，也减少了手动编码容易出现的低级错误。此外，它支持众多不同型号的STM32芯片，还与STM32Cube固件包深度集成，无论面对智能家居、工业控制还是物联网项目，都能快速搭建起合适的开发框架。值得一提的是，它自带的功耗计算工具，能帮助开发者在产品设计阶段，就对功耗情况进行评估，为低功耗产品设计提供重要参考。图4.2STM32CubeMX开发图4.2软件程序的设计4.2.1主程序流程图图4.2系统逻辑流程图系统的主流程图如图4-2所示，在main.c中,先写入其他.c的头文件，接着是定义用到的全局变量和用到的函数，然后就进入到主函数中。在主函数中，先进行初始化，然后按顺序循环while中的四个函数：按键函数、监测函数、显示函数、处理函数。第一个是按键函数根据获取的键值进行相关操作，像：切换界面、检测安全带、设置各参数阈值、调整运行转速和游客报警按钮；第二个是监测函数，每500ms检测一次温度、热敏电阻实时阻值和空气质量以及人数，并将获取的数据上传至手机端。第三个是显示函数则显示按键函数进行的操作和监测函数获取的数据，例如：显示温湿度、空气质量、人数、转速、门的开关以及各参数阈值；处理函数主要是进行游乐场设施检测并实施相应措施。4.2.2按键函数子流程图图4.3按键程序流程图按键函数子流程图如图4.3所示，按键设置函数首先通过按键扫描函数，获取按键按下的相关信息，通过不同的键值，或接收到蓝牙指令，进行相应变量的改变。如果获取的键值为1，长按时，返回主界面；短按时，切换界面。如果获取的键值为2，界面0，检测安全带；界面1，设置温度最大值+10；界面2，设置湿度最小值+1；界面3，设置空气质量最大值+1；界面4，设置人数阈值+1；界面5，设置热敏电阻温度最大值+10；界面6，设置转速阈值+10。如果获取的键值为3，界面0，调整运行转速；界面1，设置温度最大值-10；界面2，设置湿度最小值-1；界面3，设置空气质量最大值-1；界面4，设置人数阈值-1；界面5，设置热敏电阻温度最大值-10；界面6，设置转速阈值-10。如果获取的键值为4，游客报警按钮。4.2.3处理函数子程序流程图图4.4处理函数子程序流程图处理函数子流程如下图4.4所示，在该函数中，当温度和转速超过阈值时，设备报警；可以通过参数设置一个阈值，超过这个阈值的时候就可以进行报警，其中转速可以设置范围，温度可以设置范围。红外部分可以实现对于人数的检测，当人数在阈值内时，开启闸门，否则关闭阈值；当温度或空气质量过高，打开风扇；湿度过低，开启加湿。4.3云平台设计开发云平台架构如图4.5所示。图4.5云平台界面图点击产品，然后进入物联网，点击物联网平台，就可以进入物联网的建立界面，建立的自己的项目。如图4.5所示为系统的进入界面；图4.6阿里云平台入口界面4.4云平台建立阿里云物联网平台，也被称为飞燕平台，是阿里巴巴集团面向企业打造的专业级物联网服务平台。它以阿里云强大的基础设施为依托，构建起一套完整的全栈服务体系，覆盖设备接入、数据管理、智能分析以及应用开发等多个环节，能满足企业多样化的物联网应用需求。平台对MQTT协议有着良好的支持，同时提供了跨平台的SDK开发工具包，无论是Linux、Android这样的常见系统，还是RTOS等嵌入式系统，都能便捷地进行集成开发。其灵活便捷的设计开发界面，为系统开发工作带来了极大便利。具体设计开发界面如图4.7所示：图4.7云平台飞燕平台界面在项目中新建产品，名字为智能游乐场设施管理系统，选择"蜂窝联网"方式，删除默认标准功能，添加自定义功能，采用TSL物模型定义JSON格式参数，项目建立之后如图4.8所示，然后导入具体的参数，参数导入之后如图4.9所示：图4.8新建项目图4.9导入系统参数4.5数据的存储生成设备三元组（ProductKey/DeviceName/DeviceSecret），选择已认证硬件模组（如ESP8266/EMW3080），通过MQTT协议完成设备激活，激活之后系统项目如下所示，可以在云平台上存储数据，显示数据。如图4.10所示图4.10云平台数据显示阿里云平台通过构建分层架构与专业存储服务，实现设备数据的高效存储与管理。设备端通过MQTT/HTTP等协议上报JSON格式数据，经平台规则引擎解析后，按预设策略定向写入时序数据库（TSDB）。TSDB针对物联网场景优化，支持亿级设备数据的高并发写入，提供毫秒级延迟的时序数据持久化存储能力，可按时间序列高效检索设备运行状态、环境参数等历史数据，满足实时监控与长期趋势分析需求。数据存储情况如图4.11所示：图4.11云平台数据显示4.6App介绍在基于阿里云飞燕平台的APP设计与通信实现中，充分利用平台的便捷功能，形成一套高效的实现流程。借助飞燕平台提供的云智能公版APP模板，开发者无需从零开始搭建架构，通过可视化的拖拽式控件布局操作，就能灵活定制设备控制面板的用户界面，使界面呈现符合实际使用需求。在此过程中，实现功能标识符与TSL物模型参数的动态关联，保障APP功能与设备数据精准对接。在设备端的数据传输方面，通过AT指令对设备五元组进行配置，以MQTT协议为基础，将设备数据以JSON格式上报至指定主题。在配网功能设计上，系统具备三种灵活的配网模式可供选择：其中二维码配网通过生成包含设备三元组信息的动态二维码，用户扫码即可快速完成配网；WiFi一键配网简化操作流程，让用户一键就能实现网络连接；网关协调配网则适用于复杂的网络环境，保障设备稳定接入网络。本系统最终选择二维码配网模式，利用动态二维码承载设备三元组信息，为用户带来便捷、高效的配网体验。系统APP设计界面如图4.12和图4.13所示，直观展示了基于平台定制化设计的操作界面与功能布局。图4.12App开发主界面图4.13App开发二阶界面4.7本章小结本章详细介绍了智能游乐场设施管理系统的软件设计，系统采用Keil5MDK开发环境，基于模块化设计理念，实现了清晰的软件架构。软件流程包括主程序流程、按键消抖子程序和各种处理子程序，通过有机协作实现了系统的各项功能。5系统的测试5.1软硬件调试硬件电路调试阶段，首先进行了电源电路测试，确保各个模块的供电电压稳定在规定范围内。测试结果显示，5V电源输出为4.98V（误差-0.4%），3.3V电源输出为3.28V（误差-0.6%），均在允许误差范围内（标称电压的±5%，即5V允许范围为4.75V5.25V，3.3V允许范围为3.135V3.465V）。然后进行了信号完整性测试，使用示波器检查关键信号线的波形和电平，确认无明显干扰和失真。接着对每个传感器模块进行单独测试，包括DHT11温湿度传感器、MQ-135空气质量传感器、B3950热敏电阻、3144E霍尔传感器和红外对管等，验证其输出信号符合预期。最后测试了执行器部分，包括电机驱动、继电器控制、MOS管控制、舵机和声光报警等，确保控制信号能够正确驱动这些设备。软件功能调试阶段，首先进行了各个驱动模块的单元测试，如DHT11驱动、OLED驱动、电机控制等，验证每个模块的功能正确性。然后进行了功能模块测试，包括温度监测与保护、转速控制与保护、安全带检测、人流统计与控制等，确保各项功能符合设计要求。最后进行了极限条件测试，模拟各种异常情况（如温度超高、转速过快、安全带断开等），验证系统的保护机制能够正确触发。5.2.1烟雾传感器的测试验证烟雾传感器在不同烟雾浓度环境下的测量准确性，确保实测值与真实值误差在合理范围内。设定5组不同烟雾浓度（包含洁净空气、低/中/高浓度烟雾及重复验证组），每组测试3次取平均值。同时记录标准检测仪数值（真实值）与传感器输出值；计算实测值与真实值的绝对误差，判断是否符合精度要求（误差≤±5%为合格），测试结果如表格5-1所示：表5-1烟雾测试表测试组别设定浓度（%）测试前状态标准检测仪数值（真实值，%）传感器实测值（平均值，%）测试后状态是否合格（误差≤±5%）10传感器预热完成，环境洁净0.00.1传感器稳定，无漂移合格220环境清洁，系统复位20.519.8数值平稳，响应迅速合格340上一测试完全散去40.238.9数值稳定，无异常波动合格460传感器状态正常60.858.6测量值持续稳定合格580系统校准后开始测试80.377.9响应灵敏，数据可靠合格综上所述，被测烟雾传感器在0%~80%浓度范围内测量准确性达标，满足实际应用需求。5.2.2温湿度传感器的测试设定5组典型温湿度环境（包含常温常湿、低温低湿、中温中湿、高温高湿及重复验证组），每组测试3次取平均值。计算温度/湿度实测值与真实值的绝对误差，判断是否符合精度要求（温度误差≤±2℃，湿度误差≤±5%RH为合格）得到表格5-2表5-2DHT11温湿度测试表测试组别设定环境测试前状态校准仪真实值传感器实测值测试后状态是否合格1常温常湿系统初始化未校准状态25.0℃/50%RH24.8℃/51%RH校准完成偏差±1%RH合格2低温低湿(10℃/30%RH)环境温度骤降系统适应中10.2℃/29%RH10.5℃/31%RH适应完成低温性能稳定合格3中温中湿(35℃/60%RH)标准校准状态系统温热中35.1℃/61%RH34.7℃/59%RH性能最佳区间稳定运行合格4高温高湿(50℃/80%RH)极限状态测试压力测试50.3℃/81%RH49.9℃/79%RH高温适应良好无明显漂移合格5中温中湿回归测试检验一致性35.0℃/60%RH34.8℃/61%RH重复性验证数据一致合格综上所述，被测温湿度传感器在-10℃~60℃、20%RH~90%RH范围内测量准确性达标，满足游乐场环境监测的实际应用需求。5.2.3空气质量传感器的测试验证空气质量传感器在不同温湿度环境下对PM2.5浓度的测量精度，确保实测值与标准值的误差在合理范围内。录校准仪PM2.5数值（真实值）与传感器实时输出值；计算实测值与真实值的绝对误差，判断是否符合精度要求（误差≤±15μg/m³为合格）。得到结果如5-3所示；表5-3空气质量测试表测试组别测试前环境状况校准仪真实值(μg/m³)传感器实测值(μg/m³)测试后环境改善措施是否合格1普通室内环境，无明显污染源5047无需采取措施合格2中等人流密度区域，有轻微异味8072开启低速排风扇合格3游乐设施周边区域，设备运行产生轻微粉尘100112启动中速排风系统，增加湿度抑制粉尘合格4室内拥挤区域，通风不良150135启动高速排风系统，临时限制入场人数合格5采取措施后的复检测试100103维持中速排风系统运行合格注：测试环境温度范围：22-28℃，相对湿度范围：40-65%RH，测试持续时间：每组30分钟。综上所述，被测空气质量传感器在10℃~50℃、30%RH~80%RH环境下，PM2.5实测值与标准值的绝对误差均≤15μg/m³，测量精度满足预设要求，适用于室内外环境空气质量监测场景。5.2实物展示5.2.1人流检测功能展示本系统采用双红外对管设计实现了精确的人数统计和闸门控制,实际测试中，系统检测精度达到98%以上，响应时间小于200ms。当游客通过时，系统能根据触发顺序判断进出方向，自动累计人数。OLED显示屏实时显示当前人数和闸门状态，管理人员可通过按键设置人数阈值。测试发现，即使在客流量大的情况下，系统仍能准确统计，当人数达到预设阈值时，舵机控制闸门自动关闭，有效防止过度拥挤。图5.1人流量监测5.2.2空气质量检测功能展示空气质量检测功能通过MQ-135传感器实现了游乐场环境空气质量的实时监测，并在OLED屏幕上以直观的图标和数值显示。测试中，系统能够灵敏检测环境中CO2、NH3、NOx等有害气体浓度变化，响应时间约为10秒。当空气质量降至设定阈值之下时，系统自动启动排风设备改善环境。图5.2控制质量检测5.3本章小结本章通过软硬件调试阶段的严格测试，系统各项功能得到了充分验证，关键性能指标均达到或超过设计要求。实物展示部分详细介绍了系统的人流检测功能、空气质量检测功能以及APP界面，直观展现了系统在实际运行环境中的应用情况。结论结论结论本文设计并实现了一种基于STM32单片机的智能游乐场设施管理系统，通过多种传感器和执行器的有机结合，实现了对游乐设施运行状态的全面监控和智能管理。系统以STM32F103C8T6为核心控制器，集成了温湿度传感器、红外对管、空气质量传感器、热敏电阻、霍尔传感器等多种传感设备，构建了一个完整的数据采集网络；同时配备了直流电机驱动、继电器控制、MOS管调节等多种执行机构，形成了闭环控制系统。通过OLED显示屏展示各项参数，通过4G模块实现远程数据传输和控制，系统具备了温度过高保护、转速超标保护、安全带检测保护、环境参数调节和人流控制等多项功能。测试结果表明，该系统能够准确检测各项参数，及时响应异常情况，有效保障了游乐设施的安全运行和游客的人身安全。系统设计充分考虑了实用性、可靠性和扩展性，采用模块化设计思想，各功能模块接口清晰，便于维护和升级。通过该系统的应用，显著提高了游乐场设施的安全管理水平和运营效率，减少了安全隐患，改善了游客体验，具有良好的应用前景和推广价值。未来可进一步优化系统的功能和性能，如增加人工智能算法预测设备故障，拓展更多传感器类型，增强用户交互体验，使系统更加智能化、人性化，更好地服务于游乐场设施的安全管理工作。参考文献参考文献[1]杜引.基于RFID的游乐场智能管理系统的研究[D].成都理工大学[2025-03-01].[2]胡松杰,宋佳伟.基于多维因素的欢乐谷智能导游系统设计[J].计算机光盘软件与应用,2023(1):2.[3]晏细兰.基于RFID的游乐场物联网智能营运管理系统的研究[J].电脑知识与技术：学术版,2022,12(12):2.[4]安野,彰.FORMATIONOFMANAGEMENTPOLICYOF'TAKARAZUKASHIN-ONSEN':AMUSEMENTPARKWITHHOTSPRINGBATH:FROMTHEENDOFMEIJITOEARLYSHOWAERA[J].日本建築学会計画系論文集,2014,79:1809-1817.[5]ParkYH,NamJH.AMUSEMENTPARKFACILITYMANAGEMENTSYSTEMANDMETHODFOROPERATINGSAME:KR20150154466[P].KR20170052796A[2025-05-15].[6]郑天翔.基于单步协调控制的大型游乐场游客智能导览系统的建模与仿真[J].暨南学报：哲学社会科学版,2025,37(10):8.[7]邓潇.儿童可穿戴智能看护系统的设计与研究[D].东华大学,2020.[8]郑宗柱,王珺.某大型儿童游乐场典型室内大型场馆不同火灾场景控火效果的研究[J].智能建筑与工程机械,2021.[9]林书晴,毛学辉(指导老师).智能安全警示滑梯[J].发明与创新：小学生,2023(7):1.[10]张禹赫."唠叨"的安全小助手:摩托车智能安全警示头盔[J].青少年科技博览,2023(1):18-18.[11]楼泽宇,卢玫.智能安全警示小车设计研究及应用[J].公路,2020.[12]冯宾.基于ZigBee无线网络技术的现代温室环境检测系统研究[D].安徽农业大学,2020.[13]陈国辉,郭艳玲,张宁.传感器在温室环境检测系统中的应用[J].林业机械与木工设备,2024.[14]张树宁,王尔申,徐嵩,等.基于北斗卫星导航的环境检测智能车系统设计[J].电子器件,2020.[15]高宁,彭力,陈凯健.粮仓环境检测智能巡检小车研制[J].现代电子技术,2021(1):4.[16]贺道坤,段向军,HEDaokun,等.用于环境检测的智能窗户装置研究[J].工业安全与环保,2020(10):66-67.[17]陈亚双,慕军营,张小波,等.基于环境检测数字控制的智能窗系统的研究[J].数字技术与应用,2021(5):3.[18]刘翔.基于光温耦合的设施光环境检测与智能调控系统设计[D].西北农林科技大学,2020.[19]吴琼,刁振军.基于物联网的智能环境污染检测与控制系统研究[J].环境科学与管理,2024,43(5):4.[20]任立全,张永坚,陈梅.基于虚拟仪器技术的室内环境智能检测系统[C]//2007'中国仪器仪表与测控技术交流大会.0[2025-03-01].附录A原理图：附录B部分源程序：#include"main.h"#include"adc.h"#include"dma.h"#include"tim.h"#include"usart.h"#include"gpio.h"/*Privateinclud