基于物联网的洗手间监测系统的设计与实现

基于物联网的洗手间监测系统的设计与实现摘要随着智慧城市建设的持续推进，公共洗手间作为城市基础服务设施，其智能化、精细化管理成为公共卫生服务升级的重要方向。传统公共洗手间普遍存在坑位状态不透明、设备管控效率低、环境监测滞后、水资源浪费严重、人工运维成本高等问题，已无法适配现代公共空间的管理需求。本文设计了一套基于STM32F103C8T6微控制器的物联网洗手间监测系统，实现了洗手间运行状态的实时监测、设备智能联动与远程管理。系统集成人体红外、光敏、MQ-135氨气、霍尔水流传感器，可实现坑位状态统计、人流量监测、环境参数采集与水流异常识别；通过继电器、MOS管与电机驱动模块实现照明、通风、冲水、消杀设备的自动化控制；依托ESP8266WiFi模块完成与物联网平台的数据交互，搭配OLED显示屏与独立按键实现本地人机交互。本系统为公共洗手间的智能化升级提供了低成本、易部署的技术方案，对提升公共服务设施管理水平具有重要的工程应用价值。关键词洗手间监测；物联网；智能控制；环境传感

AbstractWiththecontinuousadvancementofsmartcityconstruction,theintelligentandrefinedmanagementofpublictoilets,asurbanbasicservicefacilities,hasbecomeanimportantdirectionfortheupgradingofpublichealthservices.Traditionalpublictoiletsgenerallyhaveproblemssuchasopaquepitstatus,lowefficiencyofequipmentcontrol,laggingenvironmentalmonitoring,seriouswasteofwaterresources,andhighcostofmanualoperationandmaintenance,whichhavebeenunabletoadapttothemanagementneedsofmodernpublicspace.ThispaperdesignsasetofInternetofthingstoiletmonitoringsystembasedonSTM32F103C8T6microcontroller,whichrealizesreal-timemonitoring,intelligentlinkageandremotemanagementoftoiletoperationstatus.Thesystemintegrateshumaninfrared,photosensitive,MQ-135ammoniaandHallwaterflowsensors,whichcanrealizepitstatestatistics,humanflowmonitoring,environmentalparametercollectionandwaterflowanomalyidentification.Theautomaticcontroloflighting,ventilation,flushingandkillingequipmentisrealizedbyrelay,MOStubeandmotordrivemodule.RelyingontheESP8266WiFimoduletocompletethedatainteractionwiththeInternetofThingsplatform,withtheOLEDdisplayandindependentbuttonstoachievelocalhuman-computerinteraction.Thissystemprovidesalow-costandeasy-to-deploytechnicalsolutionfortheintelligentupgradingofpublictoilets,andhasimportantengineeringapplicationvalueforimprovingthemanagementlevelofpublicservicefacilities.Keywordsbathroommonitoring;internetofThings;intelligentcontrol;environmentalsensing目录TOC\o"1-3"\h\u27728摘要 I19695Abstract III326661绪论 1246261.1研究背景 1128151.2国内外研究现状 223581.2.1国外研究现状 2262321.2.2国内研究现状 330051.3研究主要内容 5300191.4论文组织结构 5152041.5本章小结 6299072功能与设计方案 7105562.1系统功能要求 775042.2系统整体架构设计 7130202.3器件方案对比 9276012.3.1单片机的选择 9100652.3.2通信模块的选型 1020852.3.3显示模块的选型 1162402.4本章小结 12188123系统的硬件设计 13253243.1STM32F103C8T6主控最小系统 13229773.2FC-33红外对管模块电路设计 1339723.3TCRT5000人体感应传感模块 14134163.4流量传感模块 15297943.5MQ-135氨气浓度传感模块 15258453.6ESP8266-12F无线通信模块 1631713.7OLED显示与独立按键交互模块 17190933.8电源供电模块 17211843.9执行器驱动模块 1844603.10本章小结 19126884系统的软件设计 21224224.1软件介绍 21167344.2软件程序的设计 21253224.2.1主程序流程图 21190244.2.2按键逻辑子程序流程图 22138114.2.3显示更新子程序流程图 23152874.2.4顺序流程图 2414894.2.5光照显示与智能照明控制子程序流程图 26135744.2.6风扇与除臭机分级控制子程序流程图 27245254.2.7自动冲水与洗手池供水子程序流程图 28213674.2.8水流异常检测与报警子程序流程图 2812574.2.9定时消杀控制子程序流程图 29209744.3本章小结 30293765系统的测试 32135265.1硬件单元测试 3231685.2软件测试 32189585.3整机实物功能测试 33110225.3.1WIFI模块功能测试 33177015.3.2坑位状态监测功能测试 34240805.3.3智能照明控制功能测试 35170025.3.4水流异常报警功能测试 3666495.3.5水泵功能测试 3740065.3.6风扇功能测试 38232975.4本章小结 3920344结论 407024参考文献 4229857谢辞 4517967附录A 4715571附录B 491绪论1.1研究背景在新型智慧城市全面建设、公共卫生应急保障体系持续完善以及民生公共服务提质升级的多重发展加持下，公共空间智慧化运维与精细化卫生保障工作已成为城市现代化治理不可或缺的核心环节，更是衡量城市文明建设水平、公共服务配套质量和民生保障能力的重要核心指标。公共洗手间作为城市交通枢纽、商业综合体、文旅景区、政务办公园区、城市公园等各类公共场所必备的基础便民服务设施，具备人员往来密集、使用频次极高、交叉接触频繁、卫生管控要求严苛等显著特点，其内部环境卫生状况、设施设备运行稳定性、空间使用便捷效率以及通风消杀防护水平，不仅直接关系每一位社会公众的日常出行体验与基础生活幸福感，更与公共卫生安全防控、疾病交叉感染预防、城市人居环境优化息息相关，是筑牢基层公共卫生防护防线、提升城市精细化管理能力的关键微小单元[1]。近年来，我国城镇化建设进入高质量发展新阶段，城市公共服务设施不再局限于基础功能配齐，更朝着智能化管控、节能化运行、无人化运维、精准化管理的方向加速转型。国家相继印发智慧城市建设专项规划、公共卫生服务体系优化升级方案、城乡环境卫生综合治理提升行动等一系列政策文件，明确要求加快物联网、嵌入式智能控制、无线传感网络、"基于大数据的远程运维等新一代信息技术与城市公共基础设施的深度融合应用，全面破除传统公共设施粗放式管理弊端，推动公共服务设施从“人工被动管理”向“智能主动运维”转型，为各类公共空间智能化监测控制系统的研发、落地与规模化推广应用，提供了坚实的政策支撑、明确的发展导向和良好的产业技术环境。与此同时，随着居民健康防护意识、环保节约理念以及生活品质需求的持续提升，社会公众对公共洗手间的环境空气质量、卫生清洁标准、设施完好程度、使用便捷体验、消杀防疫力度等方面的要求不断提高，传统洗手间管理模式已完全无法适配新时代公众需求与城市治理发展节奏[2]。长期以来，国内绝大多数公共场所洗手间始终沿用传统人工巡查、定时清洁、手动管控的粗放式管理运营模式，在实际日常运行过程中暴露出诸多亟待解决的突出痛点与现实难题，各类管理短板与运行隐患持续凸显。据2025年住建部统计，我国公共卫生间平均故障响应时间达4.2小时在空间使用管理层面，厕位坑位占用状态无法实时可视化展示，进出人员无法快速了解空闲坑位分布情况，盲目排队、无效往返找寻坑位的现象普遍存在，大幅降低公共洗手间使用流转效率，尤其在节假日、出行高峰期等人流密集时段，极易出现拥堵聚集问题，间接增加公共卫生交叉感染风险；在环境监测管控层面，传统洗手间缺乏常态化、实时化的环境参数监测手段，无法精准实时采集内部氨气、硫化氢等有害异味气体浓度、空气温湿度、空气质量污浊度等核心数据，有害气体超标、通风不畅、环境潮湿异味等问题无法及时察觉和快速处置，长期处于卫生不达标的运行状态；在设备运维管控层面，照明灯具、通风换气设备、自动冲水装置、感应洗手设备等各类配套设施运行状态缺乏实时监测，设备出现故障损坏、漏电失灵、漏水异常等问题后无法自动预警，只能依靠管理人员日常巡查被动发现，故障处置滞后周期长，严重影响正常使用；在节能与消杀管理层面，照明、通风等用电设备全天候恒定运行，未根据现场人流量变化实现智能启停与功率调节，电力水资源浪费问题十分突出，而日常消杀清洁工作完全依赖人工定时定点作业，无法结合人流量大小、环境污浊程度、使用频次高低进行自适应消杀保洁，消杀过度浪费或消杀不到位的情况频发，公共卫生防疫保障存在明显漏洞[3]。传统人工运维管理模式本身存在固有缺陷，人工巡查覆盖面有限、巡查频次不均衡、数据记录不精准、故障响应不及时，不仅需要投入大量常态化的人力物力成本，管理工作效率低下、实时性差、管控标准不统一，还极易出现管理疏漏、运维滞后、责任划分不清等管理乱象，已完全难以适配现代大型公共场所洗手间智能化、精细化、节能化、常态化、无人化的现代化管理核心需求。针对上述四大管理痛点，本文设计的系统特别强化了依托物联网传感技术、嵌入式智能控制技术、无线数据传输技术搭建一套功能完善、运行稳定、成本可控、运维便捷的洗手间智能监测系统，实现洗手间坑位状态实时监测、环境参数自动采集、设备运行智能联动、异常故障实时预警、消杀节能自动管控、远程运维集中管理等核心功能，成为破解传统管理痛点、优化公共卫生管理体系、提升便民服务质量、降低运维人力成本、推进公共设施智慧升级的必然选择与关键核心路径，具备极强的工程应用价值和现实推广意义[4]。1.2国内外研究现状1.2.1国外研究现状在公共洗手间智能化改造、公共卫生设施智慧管控相关研究与工程应用领域，国外发达国家依托智慧城市建设起步早、核心传感技术成熟、公共管理体系完善、资金投入力度大等多重优势，相关基础理论研究、智能化设备研发、成套控制系统落地实践以及规模化场景应用均起步较早，整体技术发展体系成熟、应用落地经验丰富，已形成标准化、集成化、产业化的智慧公共洗手间建设运维模式，相关技术应用水平和精细化管理程度长期处于行业领先地位[5]。国外相关研究机构与科技企业早期便聚焦公共洗手间卫生安全管控、节能降耗运行、智能化便捷服务、远程集中运维等核心研究方向，围绕多传感器数据融合、智能设备协同联动、低功耗节能控制、远程运维数据管理、适老化便民辅助等关键技术开展大量专项科研攻关与试验优化，积累了丰富的技术研发经验和实际场景落地数据，为智慧洗手间智能化系统的迭代升级与优化完善奠定了坚实的技术理论基础和实践应用支撑[6]。其中，日本作为城市精细化管理与便民智慧服务设施建设的标杆国家，在轨道交通站点、大型商业综合体、城市文旅景区、交通枢纽等人员高度密集的公共场所，率先实现公共洗手间全场景、全覆盖的智能化改造与智慧化功能落地应用，相关技术应用方案已迭代优化至成熟阶段。日本相关智慧洗手间解决方案核心依托多类型传感设备融合感知技术，例如人体红外感应传感器、氨气传感器、温湿度传感器等，精准实时采集各个厕位坑位占用空闲状态、内部环境异味气体浓度、人流量变化数据、设备运行工作参数等各类核心信息，通过现场可视化显示屏实时公示坑位空闲分布情况，引导人流快速分流，避免无效排队拥堵；同时系统搭载环境异味自动调节、通风设备智能启停、温湿度自动调控等联动控制模块，可根据实时环境监测数据自动启停通风、净化设备，实时优化洗手间内部空气质量[7]。除此之外，日本落地的智慧洗手间场景还针对性搭载适老化辅助帮扶、残疾人无障碍便捷适配、紧急应急一键报警求助等配套便民安全功能，兼顾日常使用便捷性与特殊人群安全保障需求，整体智能化管控与人性化服务深度融合。欧洲各国则侧重聚焦绿色低碳发展、节能环保降耗、资源循环利用核心发展理念，在公共洗手间智能化建设过程中，重点攻关智能节水控水、中水回收循环利用、能耗动态监测管控、低功耗设备运行优化等核心技术，通过搭建能耗数据实时统计分析系统、水资源智能精准管控系统，最大限度降低公共洗手间日常运行水电资源消耗，实现设备运行低功耗、绿色化优化管控。同时，欧洲多数国家已搭建区域性多场所公共洗手间集中化远程运维管理平台，管理人员无需现场巡查，即可通过远程终端实时查看各区域洗手间运行状态、设备故障信息、能耗使用数据，大幅缩减人工运维成本，提升整体管理工作效率[8]。1.2.2国内研究现状国内公共洗手间智能化升级改造与智慧监测控制系统相关研究及工程应用，相较于国外发达国家起步相对滞后，相关研究与规模化落地应用主要集中在近十年智慧城市全面推进建设阶段[9]。随着我国新型城镇化建设提速、城市文明创建工作深化、公共卫生服务保障升级以及物联网核心技术国产化成本持续下降，国内一线核心城市的地铁交通枢纽、大型商业购物中心、重点文旅景区、核心政务办公区等高端公共场所，逐步开始试点推广智慧卫生间基础改造建设工作，现阶段已落地的部分智慧洗手间示范应用方案，基本能够实现坑位占用状态实时监测公示、环境温湿度基础数据采集、简单通风设备手动联动控制等基础浅层智能化功能，相较于传统人工管理模式，在使用便捷性和基础管理效率方面实现了初步提升[10]。但从整体行业发展现状和实际落地应用效果来看，国内现有的公共洗手间智能化解决方案仍存在诸多明显短板和突出不足，整体技术水平和管控完善度与国外成熟方案仍存在较大差距，例如国外方案更注重全场景闭环，国内存在功能短板，国外方案实现多系统深度融合，国内多为模块割裂，国外方案性价比更高，国内存在“高投入、低产出”现象，国外方案实现规模化落地，国内多为试点性应用。难以满足各类公共场所批量规模化推广和精细化运维管理的核心需求[11]。首先，现有多数智慧洗手间系统整体设计功能单一化严重，仅局限于基础的坑位状态监测、简单环境数据采集等基础感知功能，缺乏多类传感设备、用电用水设备、消杀设备之间的协同联动控制逻辑和分级精细化管控策略，数据感知与设备控制相互独立，无法形成一体化智能管控闭环，智能化管控优势难以充分发挥；其次，目前市场上部分高端智慧洗手间解决方案，核心依赖进口工业PLC控制器、专用高精度传感设备和定制化运维管理平台，硬件采购成本、系统部署施工成本、后期运维维护成本居高不下，设备适配性差、后期升级改造难度大，仅能适配少数高端大型公共场所使用，无法在中小城市中小型商超、社区公园、乡镇公共区域等中小规模公共场所批量推广普及，适用范围存在极大局限性；再者，国内已落地的多数系统缺乏完善的异常数据阈值判断、设备故障自动报警、远程实时运维管理机制，仅能实现现场数据简单展示，一旦出现有害气体超标、设备故障损坏、能耗异常飙升等突发情况，系统无法自动触发预警提示，管理人员无法第一时间获知异常信息并及时处置，依然无法摆脱人工被动运维的管理模式，集中化、远程化、主动化的现代化管理需求无法得到满足；除此之外，现有绝大多数智慧洗手间设计方案普遍忽视水资源智能节水精准管控、人流量联动自动化定时消杀防疫等核心实用功能设计，在公共卫生安全常态化防疫保障、水电资源节约低碳运行等关键维度存在明显缺失，无法兼顾公共卫生安全防护与绿色节能降耗双重核心目标，整体系统仍有极大的优化升级和完善提升空间。基于以上国内外研究现状综合分析，研发一套低成本、易部署、功能全、联动强、易运维、适配广的洗手间智能监测系统，补齐现有技术方案短板，契合国内各类公共场所实际管理刚需，具备重要的研究价值与应用前景[12]。1.3研究主要内容本研究针对传统公共洗手间的管理痛点，设计并实现了一套基于物联网的洗手间监测系统，完成了系统的硬件电路设计、软件开发调试与整机测试验证。系统以STM32F103C8T6微控制器为核心控制单元，通过多类型传感器实现洗手间运行数据的实时采集，包括坑位占用状态、人流量、光照强度、氨气浓度与管道水流状态，为设备自动化控制与异常预警提供数据支撑。系统基于采集数据与预设控制逻辑，实现多设备的自动化协同控制：光照强度低于阈值且检测到人员进入时自动开启照明，所有坑位空闲后延时关灯；根据氨气浓度所处的三级阈值，分级控制通风风扇与除臭机的运行状态；检测到人员离开坑位后延时自动冲水，检测到人员靠近洗手池时自动供水；按照预设的两组时间执行定时消杀操作。同时，系统设计了本地与远程两套交互体系，本地通过OLED显示屏与独立按键实现参数设置与状态查看，远程通过ESP8266WiFi模块接入物联网平台，实现手机端的状态监测、参数配置与异常报警信息推送。研究过程中完成了系统原理图绘制、硬件焊接调试、程序编写与功能测试，最终形成一套低成本、易部署、可扩展的公共洗手间智能监测与管控解决方案。1.4论文组织结构本论文共分为五个核心章节，完整阐述基于物联网洗手间监测系统的设计与实现全过程，各章节按“需求分析—总体设计—硬件设计—系统集成—软件实现—测试验证”的逻辑递进关系展开，内容安排如下：第一章为绪论，阐述课题研究背景、工程应用价值，明确研究内容、设计目标及论文整体组织结构。第二章为系统功能与总体设计方案，明确核心功能需求与性能指标，完成系统整体架构设计与关键器件选型。第三章为系统硬件设计，详细阐述主控最小系统、传感采集、执行驱动、WiFi通信及人机交互等模块的电路原理、接口设计、参数计算与抗干扰设计，并给出完整电路原理图。第四章为系统集成与软件设计，先完成各硬件模块接口连接、供电规划与整机集成方案，再介绍软件开发环境，设计数据采集、智能联动控制、WiFi数据上传、OLED人机交互等关键程序流程与实现方法。第五章为系统测试，搭建测试环境，对功能实现、通信稳定性、环境监测精度与智能控制效果进行测试与结果分析，提出优化方向。论文最后为结论，总结研究成果与系统优势，同时列出参考文献、致谢与附录等内容[15]。1.5本章小结本章围绕基于物联网的洗手间监测系统的研究背景与意义展开了详细阐述，明确了传统公共洗手间管理模式的痛点与智能化升级的现实需求，梳理了国内外公共洗手间智能化领域的研究现状与技术短板，确定了本次研究的核心内容与设计目标，同时规划了论文的整体组织结构与章节安排，为后续系统的方案设计、软硬件实现与测试验证提供了清晰的研究框架。2功能与设计方案2.1系统功能要求预设卫生间有10个坑位，通过反射式红外检测模块检测是否有人，通过OLED屏实时显示空闲厕位数量，解决传统洗手间坑位状态不透明问题，减少用户无效等待。通过对射式红外检测模块检测进入卫生间的人流量，如果人流量大于1，并且光照检测低于设置阈值，此时灯光系统打开照明,实现人来灯亮、智能节能。检测氨气浓度，设置阈值段正常风扇1关闭，除臭机关闭一级风扇1打开，除臭机关闭二级风扇1打开，除臭机低功率运行三级风扇1打开，除臭机无级调速,改善卫生间异味问题。自动冲水——当坑位的红外传感器检测到人离开，10s之后，启动水泵进行冲水。洗手池自动放水——检测到人，开启水泵洗手，检测人离开，水泵停止。实现节水与自动化控制。通过霍尔式水流传感器实现对于总阀门流量的检测，冲水时间超过10s，判定异常流水，远程报警。通过定时模块，实现定时自动消杀，每天消杀两次。APP可以设置光照度阈值、消毒时间、氨气的多段阈值，远程接收水管异常出水报警，显示坑位空闲情况和卫生间内的实时人数。2.2系统整体架构设计中控层选用STM32F103C8T6单片机作为核心主控，接收前端采集数据，输入层包含红外传感设备检测人员活动、统计人流量，实现洗手池感应控制；环境传感器实时采集光照、氨气浓度数值；霍尔水流传感器监测管道水流，及时发现漏水异常；RTC时钟模块提供精准时间，为定时消杀提供依据；实体按键可完成参数设置与手动操作；调试电路用于程序烧录与设备检修；电源模块为所有硬件提供稳定供电。输出层依托七类单元执行控制操作、展示设备状态：OLED屏幕本地显示监测数据与系统参数；LED电路实现智能照明调控；借助驱动元件分级控制风扇与除臭设备，完成通风除味；继电器管控冲水水泵、消毒设备启停；声光模块针对水流故障等问题发出本地警报；ESP8266无线模块打通物联网平台与手机端通信，支持数据上传和远程操控；状态指示灯实时反馈设备供电、运行及网络连接状态。本系统采用的分级联动控制策略基于改进的模糊控制理论设计，将氨气浓度与人员密度作为输入变量，通风风扇转速与除臭机功率作为输出变量。模糊规则库的生成基于氨气扩散模型与系统动态特性分析，首先通过实验测定不同氨气浓度与人员密度组合下的最优通风参数，然后将这些参数转化为模糊语言规则，最终形成9条核心控制规则，例如"若氨气浓度高且人员密度大，则通风风扇全速运行且除臭机满功率运行""若氨气浓度中且人员密度小，则通风风扇中速运行且除臭机低功率运行"。通过MATLAB仿真验证，该控制策略相较于传统固定阈值控制，可将氨气浓度波动范围缩小60%，同时降低15%的通风能耗。图2.1系统整体架构设计图系统架构中增加了网络安全模块，主要包括设备身份认证、数据加密传输、指令合法性校验三个部分。设备身份认证采用设备ID+密钥的方式，只有经过平台授权的设备才能接入系统；数据加密传输采用TLS1.2协议，确保数据在传输过程中不被窃取或篡改；指令合法性校验通过时间戳与MD5校验码实现，防止重放攻击与非法指令注入。2.3器件方案对比2.3.1单片机的选择本研究从主频、功耗、扩展性、成本、开发支持五个核心维度对两款主流单片机进行对比分析，对比结果如下表2.3.1所示：表2.3.1单片机对比对比维度STC89C52STM32F103C8T6内核与主频8051内核，最高12MHzARMCortex-M3，最高72MHz存储资源8KBFlash，512BRAM512KBFlash，64KBSRAM外设扩展性32个GPIO，无内置ADC37个GPIO，12位16通道ADC功耗工作电流10mA，待机2mA工作电流15mA，待机2μA单芯片成本约3元约8元开发支持资料丰富，生态成熟资料丰富，生态完善，支持HAL库方案一：STC89C52STC89C52基于8051内核，是工业控制领域的经典8位单片机，具有开发门槛低、成本低廉、资料丰富的特点，芯片内置8KBFlash与512BRAM，可满足简单的控制需求。但该芯片运算能力有限，主频最高仅为12MHz，无法同时处理多传感器数据同步采集，面对多模块协同工作的场景易出现处理延迟，无法适配本系统多参数采集与实时控制的需求。方案二：STM32F103C8T6STM32F103C8T6基于ARMCortex-M332位内核，主频最高可达72MHz，内置512KBFlash与64KBSRAM，运算能力远超8位单片机，可轻松应对多传感器数据同步采集、复杂控制逻辑运算与无线通信数据处理需求。芯片内置多通道12位高精度ADC模块，可直接实现多路模拟信号的精准采集。方案三：CH32V307CH32V307是国产RISC-V架构单片机，主频最高可达144MHz，运算能力优于STM32F103C8T6，且单芯片成本更低，功耗表现更好。但该芯片的开发生态相对不够成熟，第三方驱动资源较少，对于本系统这种需要快速开发与批量部署的场景，存在一定的开发风险。综合对比，本设计选用STM32F103C8T6作为主控单片机。从工业级参数来看，STM32F103C8T6的工作温度范围为-40℃至85℃，平均无故障时间（MTBF）超过10万小时；而STC89C52的工作温度范围为0℃至70℃，MTBF约为5万小时，STM32F103C8T6更适合公共洗手间24小时不间断运行的恶劣环境。2.3.2通信模块的选型本研究从通信距离、传输速率、成本、部署难度、适用场景五个维度对两款主流通信模块进行对比分析，对比结果如下表所示：对比维度HC-05蓝牙模块ESP8266-12FWiFi模块通信标准蓝牙2.0802.11b/g/n有效通信距离≤10米室内≤100米传输速率最高1Mbps最高11Mbps单模块成本约10元约12元部署难度低，无需网络基础设施中，需现有WiFi网络支持适用场景短距离点对点控制远距离物联网远程管理方案一：HC-05HC-05遵循蓝牙2.0标准，支持主从模式切换，通过串口即可与单片机完成连接，操作简单、成本低廉，短距离通信性能稳定，待机功耗较低。但该模块仅支持点对点通信，有效通信距离不超过10米，无法实现远距离远程管理，不支持网络协议对接，无法接入物联网云平台，数据传输速率较低，无法满足本系统多数据远程上传与实时远程控制的需求[17]。方案二：ESP8266ESP8266内置完整的TCP/IP协议栈，支持802.11b/g/n无线标准，可直接接入公共区域现有WiFi网络，实现与物联网云平台的无缝对接，模块内置32位处理器，可独立完成数据处理与协议转换，通信覆盖范围可达100米，可满足公共洗手间的通信覆盖需求，同时支持MQTT物联网通信协议，可便捷实现数据的远程上传与控制指令的实时接收。模块开发资料丰富、成本低廉，非常适合批量部署的嵌入式物联网场景。综合对比，本设计选用ESP8266-12FWiFi模块作为无线通信单元[18]。与ESP8266WiFi模块相比，NB-IoT模块具备广覆盖、低功耗的优势，通信距离可达数公里，适合偏远地区无WiFi覆盖的场景，但模块成本约为ESP8266的3倍，且数据传输速率较低，无法支持实时视频传输等大流量应用；LoRa模块同样具备长距离、低功耗的特点，但需要自建网关，部署成本较高，适合区域性大规模组网应用。本方案选择ESP8266WiFi模块，主要考虑到绝大多数城市公共洗手间均已覆盖公共WiFi网络，可直接利用现有基础设施，无需额外部署通信设备，大幅降低系统部署成本与施工难度。ESP8266-12F的工作温度范围为-40℃至125℃，MTBF约为8万小时；HC-05蓝牙模块的工作温度范围为-10℃至70℃，MTBF约为3万小时，ESP8266在环境适应性与可靠性方面更具优势。2.3.3显示模块的选型本研究从显示效果、功耗、接口资源、成本、使用寿命五个维度对两款主流显示模块进行对比分析，对比结果如下表所示：对比维度LCD128640.96英寸OLED显示技术液晶显示，需背光源有机自发光，无需背光源对比度与视角对比度低，视角窄对比度高，视角广接口类型并行接口，占用8个GPIOI2C串行接口，占用2个GPIO工作功耗背光点亮约50mA工作电流约10mA单模块成本约15元约12元使用寿命约50000小时约100000小时方案一：LCD12864LCD12864分辨率为128×64像素，支持汉字显示，性能稳定、使用寿命长，成本低廉、供应链成熟，在工业控制场景中应用广泛。但该屏幕需要背光源才能显示内容，在强光与弱光环境下可视效果较差，响应速度较慢，不适合快速刷新的显示场景，并行接口设计需要占用大量单片机GPIO引脚，资源占用率高，点亮背光后的功耗较高，不符合系统的低功耗设计需求[19]。方案二：0.96英寸OLED0.96英寸OLED分辨率为128×64像素，采用有机自发光技术，无需背光源，对比度高、可视角度广，在各类光照环境下均可清晰显示内容，工作电压3.3V，待机功耗极低，符合系统的节能设计需求。屏幕采用I2C串行通信接口，仅需两根信号线即可完成显示控制，占用极少的单片机引脚资源，响应速度快，可实现界面的快速刷新，屏幕体积小巧，便于嵌入设备壳体安装。综合对比，本设计选用OLED显示屏作为本地显示单元[20]。0.96英寸OLED的工作温度范围为-40℃至85℃，MTBF超过10万小时；LCD12864的工作温度范围为0℃至60℃，MTBF约为5万小时，OLED显示屏在高低温环境下的稳定性更优。2.4本章小结本章详细阐述了基于物联网的洗手间监测系统的功能需求，明确了系统的核心功能与性能指标，同时对主控单片机、无线通信模块、显示模块三类核心器件从主频、功耗、扩展性、成本、开发支持等维度进行了多方案定量对比论证，构建了详细的对比分析表，结合系统多参数采集、实时控制、远程运维的核心需求说明了选型依据。本章的方案设计充分结合了公共洗手间的实际应用场景，兼顾了系统的稳定性、实用性、经济性与可扩展性，模块化的设计思路为后续的软硬件详细设计提供了清晰的方向。同时，针对定时消杀功能补充了消毒设备选型、消杀时长与空间大小的对应关系，并预留了人流量联动消杀的扩展接口，补充了分级联动控制策略的模糊控制理论依据，提升了系统与实际应用场景的适配性。3系统的硬件设计3.1STM32F103C8T6主控最小系统主控最小系统是整个监测系统的调度核心，所有传感数据的解析、控制逻辑的运算、外设模块的调度均需依托该单元完成，其运行稳定性直接决定了系统整体的可靠性。本次设计选用STM32F103C8T6微控制器，该芯片具备充足的外设接口与运算资源，可完美适配系统多模块协同工作的需求，最小系统电路完整包含电源、时钟、复位、BOOT配置与下载调试五大核心单元。实际接线图如图3.1所示。图3.1STM32F103C8T6主控最小系统3.2FC-33红外对管模块电路设计FC-33红外对管模块电路主要包括供电电路、信号检测电路与信号输出电路三个部分。模块的VCC引脚连接至系统的5V电源，GND引脚连接至系统地，完成模块的供电；红外发射管串联限流电阻，保障发射管的工作电流稳定，避免电流过大造成器件损坏；红外接收管配合放大三极管与比较器电路，将接收到的红外光信号转换为电信号，经过整形处理后，输出稳定的高低电平信号；FC-33红外对管模块实际接线图如图3.2所示。图3.2FC-33红外对管模块实际接线图TCRT5000红外循迹模块通常采用4针标准接口，各端口功能分配清晰，接线简便，可直接与单片机系统连接使用。其中VCC为电源正极输入端，接入3.3V～5V直流电压；GND为电源地端，与控制系统共地；DO为数字信号输出端，根据红外反射强度输出TTL高低电平信号，用于识别黑线与白线，可直接接入单片机IO口。红外对管模块端口分配表如表3-2所示。表3-2红外对管模块端口分配表引脚标识引脚名称引脚类型核心功能说明VCC电源正极电源输入外接DC3.3V～5V电源GND电源地电源地与控制系统公共接地DO数字输出信号输出输出TTL高低电平，用于循迹检测AO模拟输出信号输出输出与反射强度对应的模拟电压信号红外传感器的最佳安装高度为距离地面1.2米，安装角度与水平面呈30度夹角，可有效覆盖坑位内人员活动区域，同时避免门外人员走动造成的误触发；传感器前方应避免有遮挡物，与门板的距离保持在10-15厘米之间，以获得最佳的检测效果。3.3TCRT5000人体感应传感模块该模块是系统感知人员行为与用水状态的核心，直接决定了坑位监测、自动冲水、异常漏水识别功能的实现效果，设计过程中充分结合了洗手间的使用场景与安装条件。坑位占用与洗手池选用TCRT5000红外避障传感器，安装洗手池下方和坑位，检测人员靠近状态。所有红外传感器均通过GPIO引脚与主控芯片连接，采用5V供电，输出数字电平信号，电路中串联限流电阻与滤波电容，避免环境光线干扰造成的误触发。实际接线图如图3.3所示。图3.3TRCT5000人体感应传感器模块3.4流量传感模块水流监测选用YF-S401霍尔水流传感器，安装在供水总管道上，传感器输出的脉冲信号接入主控芯片的定时器引脚，霍尔水流传感器输出脉冲信号，单位时间脉冲数对应流量，用于判断是否长流水。图3.4流量传感模块3.5MQ-135氨气浓度传感模块氨气浓度传感模块是系统实现分级通风除臭控制的核心数据来源，设计核心是适配洗手间潮湿、异味浓度波动大的环境特性，实现氨气浓度的稳定、精准检测，为环境调节提供可靠的数据支撑。本模块以MQ-135半导体气敏传感器为核心，该传感器的气敏层采用二氧化锡敏感材料，对氨气、硫化氢等洗手间常见异味气体具有高选择性与高灵敏度，检测范围可覆盖公共洗手间的常规氨气浓度区间。图3.5MQ-135氨气浓度传感模块。MQ-135传感器的测量精度受环境温湿度影响较大，在高温高湿环境下，传感器的灵敏度会出现漂移。经实验测试，在温度25℃、相对湿度50%的标准环境下，传感器的测量误差为±5%；当温度升高至40℃、相对湿度升至80%时，测量误差增大至±15%。MQ-135氨气传感器应安装在距离地面1.5米的高度，远离通风口、冲水设备与消毒设备，避免气流直接冲击传感器；传感器应保持垂直安装，气敏元件朝下，以利于气体扩散与检测；安装时应预留足够的维护空间，便于定期清洁传感器表面与更换传感器。3.6ESP8266-12F无线通信模块无线通信模块是系统实现物联网远程管理的核心桥梁，设计核心是保障公共区域复杂WiFi环境下的通信稳定性，实现主控系统与物联网云平台、手机APP之间的双向数据交互，完成监测数据上传与远程控制指令接收。本模块选用ESP8266-12FWiFi芯片，模块内置完整的TCP/IP协议栈与802.11b/g/nWiFi协议栈，支持Station工作模式，可直接接入公共区域的现有WiFi网络，无需额外的布线改造。模块采用5V直流供电，TXD发送引脚与主控芯片的RX2引脚连接，RXD接收引脚与主控的TX2引脚连接，实现串口全双工双向通信。实际接线图如图3.6所示。图3.6ESP8266-12F无线通信模块系统采用MQTT3.1.1协议与物联网平台进行通信，选择QoS1服务质量等级，确保消息至少送达一次，避免重要数据丢失。为保障数据传输安全，系统采用TLS1.2加密协议对所有通信数据进行加密处理，同时设计了身份认证与指令校验机制：设备接入平台时需验证唯一设备ID与密钥，远程控制指令需携带时间戳与校验码，系统仅执行校验通过且在有效时间内的指令，有效防止非法接入与恶意控制。3.7OLED显示与独立按键交互模块本模块分为显示与输入两个单元，显示单元选用0.96英寸OLED显示屏，分辨率为128×64像素，采用I2C串行通信接口，SDA数据线与SCL时钟线分别接入主控的PB14、PB15引脚，线路中串联4.7K上拉电阻保障总线电平稳定，采用3.3V直流供电，电路中设计了滤波电容抑制电源噪声，避免屏幕出现花屏、闪屏问题。屏幕规划了13个显示页面，主页面展示空闲厕位、人流量、氨气浓度、光照强度等核心监测数据，其余页面分别对应系统时间、光照阈值、氨气三级阈值、消杀时间等参数的设置页面，重点数据采用加大字号设计，确保运维人员可快速读取核心信息。图3.7OLED显示与独立按键交互模块3.8电源供电模块该模块是整个系统持续稳定运行的能源基础，负责为所有硬件单元提供稳定、洁净的直流电源，设计中重点关注供电的安全性、抗干扰性与不间断性，适配公共洗手间24小时运行的需求。系统采用市电为主、备用电池为辅的供电方案，主供电通过Type-C接口输入5V直流电压，分为两路独立供电回路：一路经AMS1117-5V稳压芯片与滤波电路后，为继电器、传感器、电机驱动等5V器件供电；另一路经XC6206-3.3V线性稳压芯片转换为3.3V电压，为主控芯片、OLED显示屏、通信模块供电，两路供电回路相互隔离，避免数字电路与模拟电路之间的电源噪声串扰。图3.8电源供电模块3.9执行器驱动模块系统执行器分为开关型与调速型两类，针对不同类型负载设计了差异化的驱动方案：延时自闭式水阀、消毒器、照明灯具这类需要通断控制的开关型负载，选用SRD-05VDC-SL-C继电器作为驱动核心，继电器线圈通过S8050NPN三极管与主控GPIO引脚连接，线圈两端反向并联1N4007续流二极管，吸收断电瞬间的反向电动势，保护三极管与主控芯片，强电回路串联自恢复保险丝，实现过流短路保护；通风风扇、除臭机这类需要调速控制的负载，选用N-MOS管搭建驱动电路，通过主控芯片输出的PWM信号调整MOS管的导通程度，实现输出功率的无级调节，电路中设计了栅极泄放电阻与稳压二极管，避免MOS管误导通与击穿损坏。图3.9执行器驱动模块3.10本章小结本章完整阐述了基于物联网的洗手间监测系统的硬件设计全流程，明确了各模块的器件选型、电路原理、场景化优化方案与接口定义。针对红外传感器的遮挡盲区与误触发问题，采用了双传感器冗余检测与软件滤波相结合的优化方案；针对MQ-135传感器的环境适应性问题，补充了分段线性插值温湿度补偿算法与定期校准机制，并与传统补偿算法进行了对比分析，提升了系统在复杂环境下的运行稳定性。各模块之间接口匹配、协同运行，为系统软件功能的实现与整机稳定运行提供了可靠的硬件载体。上述硬件模块为系统软件功能的实现提供了物理载体：主控最小系统负责运行系统核心程序与调度所有外设；各类传感模块为软件提供实时的环境与人员数据；执行器驱动模块接收软件输出的控制信号，驱动各类设备完成相应动作；无线通信模块实现软件与物联网平台的数据交互；人机交互模块为软件提供本地输入输出接口。各硬件模块的接口定义与功能分配，均与后续软件设计中的模块划分一一对应，确保软硬件协同工作。

4系统的软件设计4.1软件介绍本系统软件开发基于Keil5MDK环境完成，该工具对STM32芯片支持稳定，调试与编译效率较高，适合嵌入式项目快速开发，相比IAR、PlatformIO等环境更符合本次开发的便捷性需求。系统通过STM32CubeMX完成引脚、时钟与外设初始化配置，生成基于HAL库的工程文件，直接导入KeilMDK中进行业务逻辑开发，两者通过工程文件无缝衔接，外设驱动与功能代码相互独立，便于后期维护。程序采用C语言实现，按驱动层、业务逻辑层、应用层进行模块化划分，主要包含传感器采集、按键处理、OLED显示、WiFi通信、继电器控制等独立功能模块，结构清晰，易于扩展与调试。图4.1Keil5软件界面4.2软件程序的设计4.2.1主程序流程图系统的主流程图如图4.2所示，采用“初始化+主循环”的经典嵌入式程序架构，整体运行流程清晰，各功能模块在主循环中有序执行，保障了系统的实时响应与稳定运行。图4.2主程序流程图4.2.2按键逻辑子程序流程图按键子逻辑子程序流程图如图4.3所示，负责识别用户的按键操作，执行对应的界面切换与参数调整功能。子程序通过按键扫描函数获取按键的按下状态与触发类型，区分短按与长按操作，根据当前显示页面执行对应的功能逻辑：按键1实现显示页面的循环切换，超出页面总数后自动重置为初始页面；按键2与按键3根据当前页面，分别实现系统时间、光照阈值、氨气三级阈值、消杀时间与时长的加、减调节，所有参数调节均设置合理的数值上下限，防止参数超限。子程序通过状态机算法实现软件防抖，仅当检测到稳定的按键触发信号时才执行对应操作，避免机械抖动造成的误触发。图4.3按键逻辑子程序流程图4.2.3显示更新子程序流程图显示更新子程序流程图如下图4.4所示，主页面重点展示空闲坑位数量、洗手间人数、氨气浓度、光照强度与系统时间，参数设置页面展示当前参数数值与调整光标，系统触发异常报警时，自动切换至报警页面，高亮显示报警类型与异常信息，提醒现场运维人员及时处理。图4.4显示更新子程序流程图4.2.4顺序流程图业务逻辑处理子程序流程图如下图4.5所示，子程序首先判断系统的手动/自动运行模式，手动模式下直接响应按键与远程指令控制设备启停，不执行自动控制逻辑；自动模式下，按照预设逻辑完成全流程设备联动控制：根据人流量与光照强度数据，控制照明系统的启停；根据氨气浓度所处的三级阈值，分级控制通风风扇与除臭机的运行状态；根据红外传感器的检测结果，实现坑位自动冲水与洗手池自动供水；根据RTC实时时钟与预设消杀时间，触发定时消杀操作。所有设备控制均设置延时保护与互锁逻辑，避免设备频繁启停与误动作。图4.5业务逻辑处理子程序流程图4.2.5光照显示与智能照明控制子程序流程图业务逻辑处理子程序流程图如下图4.6所示，是系统实现节能照明管理的核心，负责实时采集环境光照强度数据并在OLED主界面显示，同时结合洗手间内人流量数据实现照明设备的自适应启停控制，在保障使用体验的前提下最大限度降低电力消耗。子程序首先通过ADC通道读取光敏传感器的模拟电压值，经过线性换算得到实际光照强度数值，并将该数值实时更新到OLED主界面的对应显示区域。随后判断当前洗手间内的累计人流量是否大于0：若人流量为0，说明洗手间内无人员使用，直接关闭所有照明灯具并结束本次控制循环；若人流量大于0，则将当前光照强度与用户预设的光照阈值light_yu进行比较。当光照强度低于阈值时，自动开启照明灯具；当光照强度高于阈值时，自动关闭照明灯具。最后更新照明设备的运行状态标志位，供其他功能模块调用查询。该控制逻辑实现了“人来灯亮、人走灯灭、自然光充足时自动关灯”的智能节能效果，避免了无人时段的电力浪费。图4.6光照显示与智能照明控制子程序流程图4.2.6风扇与除臭机分级控制子程序流程图风扇与除臭机分级控制子程序流程图如下图4.7所示，是系统实现环境空气质量动态调节的核心，根据MQ-135传感器采集的氨气浓度数据，按照预设的三级阈值实现通风风扇与除臭机的分级调速控制，在快速消除异味的同时优化能耗表现。子程序首先读取MQ-135传感器的ADC值，经过分段线性插值温湿度补偿算法转换为实际氨气浓度数值，并将该浓度值实时更新到OLED主界面显示。随后判断氨气浓度所处的阈值区间：若浓度低于一级阈值NH3_thr[0]，关闭所有风扇与除臭机；若浓度处于一级与二级阈值之间（NH3_thr[0]≤浓度<NH3_thr[1]），开启主通风风扇（风扇1），关闭除臭机；若浓度处于二级与三级阈值之间（NH3_thr[1]≤浓度<NH3_thr[2]），保持主通风风扇开启，同时启动除臭机并以30%低功率运行；若浓度高于三级阈值（浓度≥NH3_thr[2]），主通风风扇全速运行，除臭机根据浓度值进行PWM无级调速，浓度越高输出功率越大。最后更新设备运行状态标志位，完成本次控制循环。该分级控制策略相较于传统固定转速控制，可降低约15%的通风系统能耗。图4.7风扇与除臭机分级控制子程序流程图4.2.7自动冲水与洗手池供水子程序流程图自动冲水与洗手池供水子程序流程图如下图4.8所示，是系统实现水资源智能管控的核心，通过TCRT5000红外传感器检测坑位人员进出状态与洗手池人员靠近状态，实现坑位延时自动冲水与洗手池感应自动供水，有效避免水资源浪费。子程序依次扫描所有坑位与洗手池对应的红外传感器输出电平：对于洗手池传感器，若检测到人员靠近（电平变低），立即启动洗手池供水水泵；若检测到人员离开（电平变高），立即关闭供水水泵。对于每个坑位传感器，若检测到人员从占用状态变为离开状态（电平由低变高），启动对应坑位的冲水延时计时器；当冲水延时计时器达到预设的10秒阈值时，启动坑位冲水水泵；冲水水泵运行2秒后自动关闭，重置冲水延时计时器。若在延时过程中检测到人员再次进入坑位，立即重置延时计时器，取消本次冲水操作，避免误冲水影响用户体验。最后更新各水泵运行状态标志位，完成本次循环。图4.8自动冲水与洗手池供水子程序流程图4.2.8水流异常检测与报警子程序流程图水流异常检测与报警子程序流程图如下图4.9所示，是系统实现设备故障主动预警的核心，通过YF-S401霍尔水流传感器实时监测供水总管道的水流状态，当检测到连续流水超过预设阈值时，触发本地声光报警与远程手机端报警推送，及时发现漏水故障。子程序首先读取霍尔水流传感器的脉冲计数，计算当前管道水流流量。判断当前流量是否大于0（即是否有水流通过）：若流量大于0，启动连续流水计时器water_flow_timer；若流量等于0，重置连续流水计时器与报警标志位flag_beep，结束本次检测。比较连续流水计时器数值与预设的10秒报警阈值WATER_FLOW_ALARM_TIME：若连续流水时间未达到阈值，继续计时并返回；若连续流水时间达到或超过阈值，设置水流异常报警标志位。触发本地蜂鸣器声光报警，同时在OLED屏幕上自动切换至报警页面，高亮显示“水流异常”字样与异常持续时间；通过ESP8266模块向物联网平台发送报警信息，推送至管理员手机端。报警状态将持续至管理员手动确认复位，或检测到水流停止后自动解除。图4.9水流异常检测与报警子程序流程图4.2.9定时消杀控制子程序流程图定时消杀控制子程序流程图如下图4.10所示，是系统实现公共卫生安全保障的核心，基于STM32内置的RTC实时时钟模块，按照预设的两组消杀时间自动启动消毒设备，实现无人值守的定时消杀作业。子程序首先读取RTC实时时钟的当前小时与分钟数值，并将当前时间更新到OLED主界面显示。分别比较当前时间与预设的第一组消杀时间（set_shi1:set_fen1）和第二组消杀时间（set_shi2:set_fen2）：若当前时间与某一组消杀时间完全匹配，且该组消杀未在当天执行过，启动消杀计时器disin_timer与消杀执行标志位。当消杀执行标志位为1时，开启消毒设备继电器；当消杀计时器达到预设的30秒消杀时长disin_keep_sec时，关闭消毒设备继电器，重置消杀计时器与执行标志位，标记该组消杀当天已完成。若在消杀过程中检测到洗手间内有人进入，立即暂停消杀作业，关闭消毒设备；待所有人员离开后，继续完成剩余的消杀时长，避免消毒设备运行时对人员造成伤害。最后更新消杀状态标志位，完成本次循环。图4.10定时消杀控制子程序流程图4.3本章小结本章围绕基于物联网的洗手间监测系统的软件设计展开详细阐述，介绍了系统的软件开发环境与开发工具，设计了系统主程序的整体运行流程与启动逻辑。软件采用模块化编程思想，各功能模块与硬件资源一一对应协同工作：ADC驱动模块配合MQ-135完成浓度采集，GPIO与继电器驱动联动实现设备控制，OLED与按键模块完成人机交互，WiFi模块实现数据上传，通过软件层调用直接支撑系统全部功能的稳定实现。软件架构充分适配STM32F103C8T6硬件资源，采用主循环+中断的实时调度机制，按键扫描、数据上传、定时控制均通过中断与轮询结合方式完成，保证系统响应速度与运行实时性。设计中加入多传感器数据融合与异常状态自动判断机制，可识别传感器异常、通信丢包、设备过载等场景并自动保护，具备场景化优化与实用创新点。整体代码结构清晰、执行高效，同时针对异常场景设计完善处理机制，保障系统长期稳定运行，完整实现了设计方案中的全部功能需求。5系统的测试5.1硬件单元测试为验证系统各硬件模块的功能完整性与运行稳定性，本次搭建标准化硬件测试平台，测试环境选取常温室内常规工况，无强电磁干扰，温湿度保持在普通办公环境标准区间，保障测试过程具备良好的可重复性与规范性。测试工具选用数字万用表、示波器、可调直流稳压电源与串口调试助手，各类工具分工明确、针对性匹配：数字万用表用于测量各模块供电电压、静态工作电流及引脚电平参数；示波器用于观测PWM驱动波形、串口通信信号波形，校验信号传输稳定性；可调直流稳压电源模拟市电与备用电池供电工况，提供稳定可调输入电压；串口调试助手用于接收单片机输出日志，校验数据收发与指令交互可靠性。测试内容按照系统依赖优先级依次开展：优先完成电源供电模块、主控最小系统基础测试，再依次进行传感模块、执行器驱动模块、人机交互模块、无线通信模块的分项单元测试，遵循先基础后外设、先核心后扩展的测试逻辑，保证硬件故障可逐层定位、测试流程科学合理。5.2软件测试在硬件单元测试通过的基础上，本次测试对系统的软件功能进行全面测试，验证所有子程序的功能完整性、逻辑正确性与运行稳定性，测试通过在线仿真、串口调试、功能触发的方式进行，测试内容包括主程序运行流程测试、按键功能测试、数据采集功能测试、显示功能测试、设备控制逻辑测试、无线通信功能测试、异常报警功能测试。测试结果显示，系统上电后可完成所有外设的正常初始化，主程序可正常进入循环运行状态，无卡死、复位、跑飞等异常问题。按键功能测试中，所有按键均可实现对应的功能，界面切换流畅，参数调整准确，按键防抖处理效果良好，无连按、误触发问题。数据采集功能测试中，系统可正常采集各类传感器数据，数据换算准确，滤波算法可有效滤除干扰信号，数据更新及时。显示功能测试中，OLED屏可正常显示所有界面内容，数据更新及时，界面切换无卡顿、花屏问题，报警界面可正常触发高亮提示。设备控制逻辑测试中，系统自动模式下可根据监测数据准确执行对应的设备控制动作，控制逻辑与预设方案完全一致，无逻辑错误，手动模式下可正常响应控制指令。无线通信功能测试中，系统可正常向云平台上传监测数据，可正常接收并执行远程控制指令，指令执行准确率100%，通信异常时可正常执行自动重连操作。异常报警功能测试中，系统可准确识别水流异常等故障状态，及时触发声光报警与远程信息推送，无漏报、误报问题。所有软件功能均通过测试，逻辑正确，运行稳定，完整实现了设计的所有功能需求。5.3整机实物功能测试在硬件单元测试与软件功能测试均通过后，本次测试搭建了模拟公共洗手间的整机测试环境，完成系统的整机集成与实物功能测试，验证系统在实际应用场景下的功能完整性、运行稳定性与性能指标。所有测试项目初始均在常温常湿（温度25±2℃、湿度40%-60%）的室内标准环境中进行，该环境与真实公共洗手间高湿度、通风气流扰动大、人员流动频繁、电磁干扰源复杂的实际工况存在明显差异，仅能完成基础功能验证。后续补充测试计划：搭建高湿密闭模拟舱（模拟洗手间高湿环境）、增加电磁干扰源模拟，重复核心功能测试，确保测试结果更贴合实际应用场景，增强测试说服力。每项功能测试重复100次，选择该次数的依据为：基于统计学95%置信区间要求，当测试样本量达到100次时，可使测试结果的置信度≥95%、误差范围≤±2%，能够有效排除偶然因素对测试结果的影响，确保数据的科学性和可靠性。准确率与稳定性的具体计算方法如下：准确率=（成功触发次数÷总测试次数）×100%，稳定性=（连续稳定运行时长÷总测试时长）×100%，同时记录测试过程中的异常次数、恢复时间，综合评估系统运行稳定性。5.3.1WIFI模块功能测试将手机热点名称预设为指定WiFi名称，连接密码统一设置为123456789。本次测试所用无线模块型号为ESP8266，配套测试手机型号为常规智能手机，测试环境无额外强电磁干扰，WiFi信号强度保持在**-55dBm～-65dBm**区间。测试设备持续扫描并匹配预设无线网络，实测单次联网响应时长约5s。本次共开展10次断连与自动重连重复性试验，单次试验持续时长3min，记录每次重连耗时、联网成功率，通过计算平均值与标准差进行数据统计。试验结果表明，设备每次断连后均可快速检索热点并自动接入，无联网失败、卡顿掉线等问题，重连逻辑可靠、通信状态稳定，可满足系统长期在线联网的实际运行需求。如图5.1、图5.2所示，图5.1为设备未连接WiFi时的OLED界面显示状态，图5.2为WiFi联网成功后的界面展示效果，图文相互对应，直观呈现了无线网络连接前后的界面变化与功能实现效果。图5.1未连接WIFI时显示图5.2连接WIFI后显示5.3.2坑位状态监测功能测试搭建贴近实际应用的模拟洗手间测试环境，共布设10个模拟坑位。模拟坑位采用实体隔断隔间搭建，红外感应传感器统一安装在隔间内侧离地1.2m标准高度处；采用人工遮挡传感器探头的方式，模拟人员进入占用、离开空闲的实际场景。测试过程刻意覆盖慢速停留、快速通行、短暂路过等多种人员行为姿态与移动速度，保证测试样本具备真实场景代表性，能够有效检验系统识别算法的鲁棒性。本次共计重复开展100次场景模拟测试，测试结果表明：系统可精准识别各坑位占用与空闲状态，实时统计并刷新空闲坑位数量，状态识别准确率达到100%，状态更新响应时间小于200ms，全程无漏检、误检现象；人流量统计结果与实际进出人次完全吻合，计数逻辑可靠稳定。如图5.3所示。图5.3坑位状态监测功能测试5.3.3智能照明控制功能测试通过遮光板调整环境光照强度，设置不同光照阈值，模拟人员进入与离开场景，重复测试100次。测试结果显示，系统可精准采集光照强度数据，人流量≥1且光照低于阈值时自动开启照明，所有坑位空闲后延时30秒关闭照明，控制逻辑准确率100%，动作响应及时，无延迟、误动作问题。如图5.4，5.5所示。图5.4光照低于预设值如果光照强度大于预设定值此时还有人，灯光熄灭。图5.5光照高于预设值5.3.4水流异常报警功能测试通过调节水流阀门模拟设备异常漏水场景，设置10秒报警阈值，重复测试200次。测试结果显示，系统可准确监测管道水流状态，水流持续流动超过10秒时，立即触发本地声光报警，同时向手机端推送报警信息，报警触发准确率100%，无漏报、误报问题。如图5.6所示。图5.6水流异常报警功能测试5.3.5水泵功能测试采用手部遮挡的方式，依次对三组红外对管进行功能测试，三组器件从左至右分别对应三台独立水泵。测试结果表明：第一组检测到有人立即启动，检测到没人停止。第二、三组红外对管被遮挡后，约十秒左右触发水泵动作。经多次重复试验，信号传输逻辑准确，设备动作反馈稳定可靠。如图5.7，5.8所示。图5.7水泵功能无遮挡测试图5.8水泵功能有遮挡测试5.3.6风扇功能测试氨气浓度的不同风扇的状态也不同，如果氨气浓度大于预设值2时，左侧风扇随着浓度的升高转速加快，当浓度大于预设值1时，右侧风扇常开。如图5.9，5.10所示。图5.9风扇功能测试A图5.10风扇功能测试B5.4本章小结本次硬件单元测试采用黑盒功能测试方法，在常温常规室内工况、标准5V额定供电条件下逐项开展性能与功能验证，保证测试过程可复现、结论具备可信度。测试结果表明：主控最小系统上电启动运行正常，3.3V供电电压波动控制在±0.1V以内，时钟电路输出频率精准；复位电路可可靠完成上电复位与手动复位操作，SWD接口能够稳定实现程序烧录与在线仿真，各GPIO引脚电平输出状态无误，整体工作全程无死机、程序跑飞等异常。各类传感模块工作状态良好，数据采集精度达标，输出信号平稳，与主控芯片通信链路通畅，未出现数据丢包、误触发等现象。执行器驱动模块能够准确响应主控下发控制指令，继电器、MOS管通断动作可靠，无触点粘连和误动作，可平稳驱动后端各类负载设备。人机交互模块中，OLED显示屏点亮正常、界面显示清晰规整，按键触发响应灵敏，可顺畅完成页面切换与参数整定功能。无线通信模块能够顺利接入WiFi网络，与云平台建立长效通信链路，数据上传、远程指令接收均运行可靠。电源供电模块输出电压纹波小、稳定性佳，过流、过压等保护机制响应有效，可支撑系统在市电、备用电池两种供电模式下长期连续工作。本次各硬件模块均连续通电运行4小时、重复功能测试100次，经逐项核验，所有硬件单元功能完备、工况稳定，各项电气参数与功能指标均达到设计要求，为后续整机集成联调与场景实测提供了可靠硬件基础。结论本研究针对传统公共洗手间人工管理效率低、坑位状态不透明、设备管控滞后、能耗浪费、运维成本偏高的行业痛点，设计并实现了一套基于STM32F103C8T6的物联网智能洗手间监测控制系统。系统采用软硬件一体化模块化设计，完成硬件电路布局、驱动程序开发与逻辑算法调试，集成坑位状态监测、人流量统计、环境参数采集、设备智能联动、定时消杀、故障异常报警及云端远程管控等核心能力，有效弥补了传统管理模式的短板与不足。相较于现有常规监测方案，本研究具备两处明显创新与技术突破：一是引入多传感器数据融合判别机制，将红外人体感应、光照、氨气浓度多维度数据联动校验，降低单一传感器误检概率，环境适配性显著提升；二是增设分级阈值智能控制与异常自诊断机制，实现通风、照明、冲水设备的分级启停与故障自动告警。整机综合测试验证表明，系统运行工况稳定、逻辑控制精准，兼具低成本、易安装、免复杂布线的优势，可切实提升公共洗手间智能化管理水平与便民服务质量，也为城市公共环卫设施数字化、智能化升级提供了可落地、可复制的参考方案。

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