【《基于物联网系统的自习室管理系统设计》8500字（论文）】

基于物联网系统的自习室管理系统设计摘要智能自习室管理系统针对高校自习室广泛存在的灯常亮，常占座以及自习室环境等问题，为了方便学生以及教职工利用网络及手机终端设备对自习室环境进行控制和管理[7]。我的毕业设计中使用了基于ZigBee的物联网技术进行数据收集和数据发送，对于无线传输功能做了更符合需要的设计。结合传感器对现实环境的实时监测技术，使用光敏电阻以达到实现调节室内光源的作用,通过人体感应控制模块中的红外传感器对座位进行动态监测[19]。模块的连接达成了对智能自习室环境的监测控制及调节，以达到对国家能源的节能环保，对教学资源的合理利用，为学生创造舒适的学习环境以及自习室智能化发展和智慧校园的普及[11]。使得校园生活中教学资源的利用包括自习室资源的使用能够高效化、智能化和简便化。随着物联网专业技术的发展、云计算技术的推广，智慧城市、智慧校园的发展，以及智能APP及相关应用的覆盖。相对于高校教育资源的缺乏、自习室环境的问题的矛盾日益激烈[15]。基于校内学生的需求设计了该系统，对当前智慧校园的发展出一份力。关键词：物联网技术；ZigBee；传感器；APP；智能化目录26620第一章引言 第一章引言1.1时代背景随着教育事业的发展，以及高等教育的普及化，各个高校不断进行扩招，在校学生数量越来越多。高校学生通常没有固定的教室以及自习地点，只能在当没有课的教室里进行自习。并且大学教室的分布也很零散，这对自主学习的同学产生了很大的困扰。对于学校设计的图书馆以及专门的自习室中，存在这各种环境弊端以及管理缺陷，以至于学生对自习室的需求尤为重要[1]。由于步入信息爆炸时代，智能化在科技领域已经开始普及，随着智慧校园建设的不断开展，我国高校在设施维护以及在规章制度方面还存在着很大的漏洞[21]。对于教育资源的浪费以及不合乎人性化的规定，限制着教学水平的发展和学校综合素质的提升。中国特色社会主义正在不断迈步向前发展，中国的现代化发展事业对整个社会有着举足轻重的影响。高等学府是培养具有先进思想和创新科技能力的地方，不断督促着我们对学校的现代化建设和智慧校园的发展，使我们学校往一流学府的目标进军[7]。完善智慧校园的发展目标，使未来校园以科技带来便利，用科技提高教育素质水平，通过物联网的普及，再加上云计算、大数据的结合，为学校提供一个足有科技感的大学[9]。通过这些核心技术，实现对环境的感知、应用和处理，满足师生对教学环境的改善和便利，对学校整体素质和水平的提升和师生满意程度的达标[13]。1.2现实因素通过与同学的交谈和自己的亲身经历的汇总，发现每所学校对于教室制度管理中存在不少漏洞，甚至造成学生之前的矛盾冲突[5]。影响正常的教学的开展，和学生积极性的降低，对学生素质方面的发展有着很大的阻碍，并对学术水平发展的积极性上存在抑制的作用。以及在各个学校中的能源评估分析和公共资源使用情况的数据分析下，各种教育资源接近饱满，而且资源的浪费也是非常严重的[10]。在教学区域的公共资源中寻找学习地点时，公共教室中总是有一群像无头苍蝇一样毫无秩序的同学在“奋力强占”，并且显得杂乱无章十分吵闹，直接影响着正常的教学课堂和同学的学习。还可能导致同学之间对位置的“抢夺”产生不必要的矛盾[6]。在这样的情况下，公共教室的座位资源不能合理的利用，仍有很多学生无法很好的使用到自习室资源。对于学校能源方面来看，每年的电费支出占学校总支出的很大一部分。并且在自习室广泛存在的灯常亮，常占座以及自习室环境等问题十分突出。利用科技技术手段解决这些多余能量消耗，并使这些去用作对学校其他方面的建设[2]。既满足了师生需求问题的要求，还让学校能够有足够的资源去提升整体学校建设，这岂不是一举两得。1.3解决方案在智慧校园发展的大环境下，我凭借自己学科优势设计了本次项目。为了解决师生对于自习环境的需求和环境资源的合理利用；为了学校教育资源分配的可视化和发展环境友好性校园的目标[19]；为了方便学生以及教职工利用网络及手机终端设备对自习室环境进行控制和管理。我设计采用了基于ZigBee的物联网技术进行对数据的收集和数据的发送，对于无线传输功能做了更符合需要的设计[19]。结合传感器对现实环境的实时监测技术，对自然环境的可视化监测和分析，以及对资源的合理配置有着很好的利用价值。安装光线传感器采集室内外光线亮度的数据并用光感电阻以调节室内光源，使能源节约做到很好的发挥[21]；对自然环境的监控还有利用温湿度传感器测量的数据对自习室的环境的分析，随之去控制空调以及加湿器的工作效率，给学生提供一个舒适的学习环境，并且降低对能源的消耗；而且对教室或者自习室、图书馆中的座位通过利用红外传感器的特性来监测座位的动态情况。设计解决并实现了对自习室的智能监测与调节，以达到对学校教学资源的合理安排分配；达成了节约学校环境资源，增强资源的可重复利用率；做到了创造舒适的学习环境和良好的学习氛围；以及自习室智能化发展和智慧校园普及的目的。并且关于学校环境中有关公共资源和学生学习环境的使用能够智能化、高效化、简便化的发展[16]。随着智慧校园的发展，以及智能APP及相关应用的覆盖。相对于高校教育资源的缺乏、自习室环境的问题的矛盾日益激烈。基于校内学生的需求设计了该系统，对当前智慧校园的发展出一份力。1.4设计开发环境、设备与器材设备：温湿度传感器、HC-SR501红外感应模块、ESP8266无线传输模块、光感模块、OLED显示屏、RT9193稳压芯片模块、STM32单片机、手机一台、微机一台。开发环境：KeilC51、Windows系统、FlyMCU、夜神模拟器、Java_androidSDK。1.5文章架构本文一共有六个章节以及参考文献、目录和致谢，第一章主要是关于介绍自习室管理系统的一些社会存在的现状以及设计所要解决的问题和意义，主要是分析了设计存在的用途以及对师生需求矛盾的缓解；第二章主要介绍了系统设计的基本思路，包括了设计基础、系统的任务和要求以及系统的设计方案这三项内容；第三章主要介绍的是关于对重要硬件的分析及讲解，其中对每一模块的特性、优势和用途进行细致的罗列。第四章则是硬件设计与规划，主要包含了整体系统设计过程中硬件设计的总体框架；第五章为软件设计与构想，主要涵盖了系统设计过程中软件的设计总框架和APP界面的程序设计；第六章是对整体设计结果的展示与分析，包括了测试方案、测试步骤、测试结果以及数据记录。分析操作结构的数据，以及实现情况。最后则是参考文献、附录以及致谢。系统的总体设计2.1设计基础内容2.1.1嵌入式系统是用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置，是一种专用的计算机系统[19]；嵌入式系统是由嵌入式计算机系统和执行模块组成的，由硬件层、中间层、软件层构成[15]。2.1.2FlyMcuFlyMcu是STM32最新串口烧写器，FlyMcu仿真软件连接上通讯所使用的串口，能够很方便地烧写程序，使用eagleIAP通过IAP烧录应用程序[10]。2.1.3夜神安卓模拟器夜神安卓模拟器是一款采用手机界面视觉设计的PC端\t"/item/%E5%A4%9C%E7%A5%9E%E5%AE%89%E5%8D%93%E6%A8%A1%E6%8B%9F%E5%99%A8/_blank"桌面软件，特点主要包含了安装APK兼容性、AMDCPU深度优化[13]。2.1.4KeilC51KeilC51是ARM公司制作的51系列单片机中C程序语言中的软件开发系统，也是本次设计中对开发板的程序设计基础[10]。2.1.5AndroidSDK手机安卓软件的程序应用开发工具包[12]。2.2系统的任务和要求采用STM3103单片机、温湿度传感器、HC-SR501红外感应模块、ESP8266无线传输模块、光感模块、OLED显示屏、RT9193稳压芯片模块等组成；单片机可以对自然环境进行监测与分析，对光源强度的监测进行对灯光的调节，并且调节灯光强弱；对温湿度传感器上传的信息通过无线传输模块发送至手机APP上，并且显示在开发板的OLED显示屏上；红外感应模块对人体进行动态监测，若发现无人情况，控制灯光进行延时关闭。在有人的情况下，并且满足光敏电阻的发光阈值，实现对灯光的常亮操作[13]。在手机APP上实现对开发板的连接，并实时接收开发板获取的具体信息。2.3系统设计方案本次设计主要采用STM3103作为开发板的主控器，实现将采集的信息通过模块处理通过无线传输发送到指定的手机APP中，通过各个模块对环境的监测，设定有限的触发阈值，实现对灯光的调节以及控制[3]，并通过主控器将数据显示到OLED显示屏中。通过程序的设计实现人体红外传感器与光敏电阻的交互，使之能更好的控制灯光，减少能源的消耗[5]。2.4本章小结本章主要是介绍了系统的总体设计，首先是对设计系统的一些技术进行了一个简单的介绍，介绍的技术有嵌入式系统、FlyMcu、夜神安卓模拟器和KeilC51，之后对于系统的任务和预期要求进行了一个介绍，最后则是对系统设计总体方案进行了一个简单的介绍。第三章硬件介绍3.1数字温湿度传感器（DHT11）图3-1温湿度传感器图例DHT11\t"/item/DHT11/_blank"数字温湿度传感器是一种具有已校准数字信号输出的温湿度\t"/item/DHT11/_blank"复合传感器，它主要用途与专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术[7]。见图3-1、3-2。图3-2温湿度传感器电路图释3.2HC-SR501人体红外感应模块工作原理：当人体从正面走向探头或从上到下或从下到上方向走过时，双元检测不到红外光谱距离的变化，无差值，因此感应不灵敏或不工作；保证人体经过时先后被探头双元所感应。为了增加感应角度范围，本模块采用圆形透镜，也使得探头四面都感应[6]。见图3-3、3-4。图3-3HC-SR501人体红外感应模块功能特点：1.全自动感应2.光敏控制3.两种触发方式4.具有时间限定功能(默认设置：3-4秒)5.工作电压适配多6.超低功耗[18]。图3-4HC-SR501人体红外感应模块电路图释3.3ESP8266无线WIFI模块ESP8266是一个完整且自成体系的Wi-Fi网络解决方案，能够搭载软件应用，或通过另一个应用处理器卸载所有Wi-Fi网络功能。ESP8266专为移动设备、可穿戴电子产品和物联网应用设计，实现最低能耗[9]。见图3-5、3-6。图3-5ESP8266无线WIFI模块图3-6ESP8266模块电路图详解3.4光敏电阻传感器图3-7光敏电阻传感器用途：自然光强度检测。见图3-3、3-8。模块特点：1、设备监测灵敏型2、比较器输出信号的波形完美稳定，3、配可调电位器可调节检测光线亮度4、工作电压3.-5、设有固定螺栓孔，方便安装6、小板PCB尺寸：3.mx1.m7、使用宽电压LM393比较器[11]图3-8光敏电阻传感器电路图3.5OLED显示屏图3-9OLED显示屏0.96寸OLED显示器模块的采用具有高亮度，低耗能的特点，有较好的显示特点。不需要对电路供电的修改[22]。见图3-9、3-10。图3-10OLED显示屏电路图OLED显示屏模块特点：高分辨率2.超广可视角度3.供电适配广4.具有微小的大小体积[14]5.较小功耗3.6系硬件设计总框架智能自习室管理系统硬件主要由STM3103单片机为主要芯片、HC-SR501红外感应模块、ESP8266无线传输模块、OLED显示屏为液晶显示模块、温湿度传感器、光感模块、RT9193稳压芯片模块共同组成。其下位机主要作用是为了对整个系统的信息控制与调节的作用；液晶屏显示模块将温湿度传感器监测的数据显示在显示屏中，然后通过ESP8266无线传输模块进行与手机的连接，并且在APP中显示出来；以HC-SR501红外感应模块与感光电阻的逻辑分析，去实现对光源的调节与控制；手机APP设置按键与开发板进行连接，并实时动态显示获取的数据[14]；如图3-10。图3-10系硬件设计总框架3.7本章小结本章主要介绍了系统硬件的设计总框架，并且随后介绍了系统所需要使用到的一些主要硬件以及它们的工作原理图，以及主要硬件的介绍。第四章软件设计4.1主程序流程给整个系统进行上电，系统各个模块将进行初始化，开发板开始运行以烧录好的程序，开始对环境数据进行监测，并获取数据[11]。当传感器收到电位变化时，将数据发送给核心板，单片机主控制芯片将信息转化成数字显示到液晶界面上，并且将数据通过无线传输模块发送到手机APP中显示出来。当人体红外传感器与光敏电阻构成逻辑对应的情况时，LED白光灯产生动态反应[14]。如图4-1所示。图4-1软件主程序流程图4.2液晶显示程序在智能自习室管理系统中液晶屏主要显示温湿度的获取信息，并实时动态变化着[15]。见图4-1。图4-1LED对应的并行接口图4.3手机APP主要设计手机APP页面设计主要是显示页面，对温湿度信息获取的显示，以及对温湿度信息的实时更新。还有对无线传输连接的按钮设计，实现与开发的的信息互通[19]。见图4-2、4-3。图4-2手机APP开始图示图4-3手APP连接图示4.4本章小结本章主要介绍了主程序的流程框图、液晶屏幕显示流程框图以及手机APP的主要功能介绍。手机APP主要功能介绍有一个按钮设计和文本框显示。结果分析与问题分析5.1测试方案在昏暗环境下，掩盖人体红外监测传感器设备；将开发板连接电源，并打开手机中“智能教室”APP，在手机中点开连接设备的按键，使之连接成功；并观察温湿度传感器监测的数据是否稳定，在手机APP和OLED显示屏中观察获取的温湿度信息是否有变化；然后观察LED白光灯的状态[11]。在明亮环境下，掩盖人体红外监测传感器设备；将开发板连接电源，并打开手机中“智能教室”APP，在手机中点开连接设备的按键，使之连接成功；并观察温湿度传感器监测的数据是否稳定，在手机APP和OLED显示屏中观察获取的温湿度信息是否有变化；然后观察LED白光灯的状态。3.在昏暗环境下，不掩盖人体红外监测传感器设备；将开发板连接电源，并打开手机中“智能教室”APP，在手机中点开连接设备的按键，使之连接成功；并观察温湿度传感器监测的数据是否稳定，在手机APP和OLED显示屏中观察获取的温湿度信息是否有变化；然后观察LED白光灯的状态。4.在明亮环境下，不掩盖人体红外监测传感器设备；将开发板连接电源，并打开手机中“智能教室”APP，在手机中点开连接设备的按键，使之连接成功；并观察温湿度传感器监测的数据是否稳定，在手机APP和OLED显示屏中观察获取的温湿度信息是否有变化；然后观察LED白光灯的状态。5.2测试步骤、测试过程及数据记录手机APP界面测试，以及无线连接测试。见图5-1、5-2。图5-1无线连接测试图5-2手机APP界面第一种情况，在昏暗环境下，掩盖人体红外监测传感器设备，然后观察LED白光灯的状态。见图5-3。图5-3在昏暗环境下，掩盖人体红外监测传感器设备的情况第二种情况，在明亮环境下，掩盖人体红外监测传感器设备，然后观察LED白光灯的状态。见图5-4图5-4在明亮环境下，掩盖人体红外监测传感器设备的情况第三种情况，在昏暗环境下，不掩盖人体红外监测传感器设备，然后观察LED白光灯的状态。见图5-5图5-5在昏暗环境下，不掩盖人体红外监测传感器设备的情况第四种情况，在明亮环境下，不掩盖人体红外监测传感器设备，然后观察LED白光灯的状态。见图5-6图5-6在明亮环境下，不掩盖人体红外监测传感器设备的情况手机APP与开发板OLED显示屏的数据显示，见图5-7、5-8图5-7开发板OLED显示屏显示图5-8手机APP界面显示5.3调试情况分析5.3.1开发板与手机APP连接通过测试开发板无线传输功能能够合理完成，手机APP也可以完美连接成功，数据接收没有任何问题。5.3.2人体红外传感器与感光电阻经过测试步骤的进行，红外传感器与感光电阻的交互能够顺利进行，并显示出四种不同的情景状况。5.3.3温湿度传感器的监测温湿度传感器能够精确的将实时环境信息进行监测，并上传到核心板中。5.3.4OLED显示屏显示情况当核心板接收到信息后，发送给OLED显示器模块,显示器能够实时显示温湿度传感器所监测的数据。5.4测试过程遇到的问题及解决在测试的过程发现在对人体红外感应测试时，有时会出现灯常亮或者灯不亮的情况，这一问题到目前来说还是无法解决。工作时间太久会导致无线信号的断开，我们较少对开发板的工作时间和效率；当开始OLED显示器不亮的情况,最后根据引脚对应关系的研究,解决了显示屏不亮的情况.5.5需要解决的其他问题系统目前的一些基础功能已经可以实现，但是对于实践性还需要进一步提高，在对于声噪监测以及空调、加湿器等电器的控制还待添加，设备工作效率需要进一步提升，手机APP中对开发板的控制需要增加更多的功能按键。5.6本章小结本章主要包括了对已经初步完成的智能自习室系统进行检测时要用到的测试用例和测试方案，之后则是这些测试步骤的一些截图说明，最后则是对于这一次测试的结果分析和这一个系统目前仍然还具有的一些问题以及还没有实现的功能进行阐述。总结与展望6.1总结本设计主要是采用在对于STM3103单片机作为主控器，实现把自然环境信息转化成数据，并通过主控器传向无线控制模块以及OLED显示器模块中,而且由无线传输模块将信息发送到手机APP中进行实时显示[13]；主控器将人体红外传感器以及感光电阻的信息进行分析,并下达指令使LED白光灯进行各种操作。所做的主要工作如下：研究嵌入式系统的发展，对实现智能自习室的监测和控制；了解智能自习室的供求需要以及智慧校园的社会背景[5]；学习对STM3103单片机的结构及原理，掌握单片机编程的方便；思考系统总体流程以及构思系统的总体方案，之后再根据系统要实现的主要功能设计了硬件电路，在掌握各个模块结构的基础上绘制出电路图和PCB板图。然后，设计软件流程图并编写代码。在毕业论文的设计过程中，绝对不是一帆风顺，由于在学校学习到很多的课程都是理论知识的内容，使之自己动手实践能力没有那么强，而在这次毕业设计中涉及到的知识太多、覆盖面之广。在硬件的设计中，容易把器件焊接短路、引脚不对应，导致器件被烧坏等。并在程序的编写中，格式编写的错误，符号多余的情况，导致程序运行无法正常执行或者出现错误。后来经过网上查找资料以及与同学的沟通和请教，才对出现的问题慢慢有所改观，刚开始出现了很多的错误，经过网上资料的查找和老师的咨询指导才完成了软件系统的设计，并且成功了把手机APP和开发板实现信息互通。在论文的书写过程中，指导老师先叫我们先上网查询相关的资料，并且从网上下载相关的论文并进行参考，在完成论文的初稿时，因为自己的不仔细导致论文的出现了许多格式的错误，论文的内容并不是很完善，后来经指导老师的指导，并且多次对论文进行修改，才成功完成论文的书写。6.2展望本设计虽然简单实现了对于自习室环境的智能监测，但还有很多问题需要改进，对很多功能进行添加，实现多方位的智能化管理以及控制，设计过程之中遇到到的问题虽然解决了一部分，但是依旧是有一部分功能没有实现的。首先是没有出现对电子设备的控制，对环境监测的内容还过于狭隘，并且没有做到对数据的保存和数据上传云服务器的设置，否则将可以通过云端监测到整个自习室环境的变化情况，对于天气的变化使智能设备进行感知，并对环境的变化及时做出调整，使环境的变化影响不了自习室内环境的情况[16]。其次，没有对声噪的监测及提醒，对于噪音过大，会在显示屏上显示出“请降低音量”的提示，对环境的维持也有很大的帮助[5]。最后是觉得手机APP中的内容过于单点和简单，应该不断的扩充其内容使之更好的为操作者服务[4]。但是由于接触时间太短导致这一部分是没有达到预期效果的，这算是一个颇为遗憾的点。。参考文献[1]丁梦.以指导自习室为例[J].经济管理(文摘版),2016(7):00214-00215.[2]陈雷．高校智慧教室物联网系统[D]．上海：华东理工大学，2016[3]宗平，朱洪波等．智慧校园设计方法的研究［J］．南京邮电大学学报(自然科学版)20108，No．4，15－19．[4]陈平，刘臻．智慧校园的物联网基础架构研究［J］．武汉大学学报(理学版)2012．10，No.S1，141－146．[5]佚名.基于ZigBee的自习室人数智能查询系统设计与实现[J].贵州大学学报(自然科学版),2014(31):88.[6]方浩,张志俭,庄建军,等.基于物联网的高校自习教室节能管理系统设计[J].实验室研究与探索,2018,037(010):262-265.[7]徐振峰，尹晶晶，陈小林，等．基于ZigBee协议栈的无线传感器网络的设计［J］．电子设计工程，2012，20(5):75－