物聯網環境下的校園自習室優化推薦系統設計與實現

曹麗娟，鐘浩賢，周楊景

（東莞理工學院城市學院，廣東東莞，523419）

0 引言

近年來，大學生的數量因為高校的擴招變得越來越多，學生人數的增加，使得學校自習室的座位越來越緊缺，尤其是在期末復習、考研等考試期間，許多學生為了尋找自習室奔波于各個樓層，浪費了大量寶貴的學習時間[1]。此外，學校的自習室分布較廣，導致自習室的使用不均勻，有些自習室空位緊張，而有些自習室卻只有幾個人，學生對各個自習室的使用情況不清楚時，會耽誤學生尋找合適自習室的時間以及降低自習室的有效利用率。另一方面，自習室也存在各種各樣的用電浪費問題，由于自習室過于多，管理人員難以顧及到每一個自習室，經常出現有些自習室空無一人，燈或風扇卻仍在工作。針對這些問題，研究設計一個方便學生和管理人員使用的自習室優化推薦系統具有一定現實意義。考慮到自習室的優化推薦系統的研究，以前也有很多人做，所以，本文先重點說明一下該系統“在傳統的自習室優化推薦系統”上的改進方面，具體如下：

（1）自習室優化推薦系統的顯示方式的改進與發展

某些傳統的自習室優化推薦系統，如參考文獻[2]中所講，通常把采集到的人流量數據，用液晶屏幕的方式進行展示，而屏幕的位置放置在一樓大廳或者是自習室門口，學生只能通過屏幕來選擇合適的自習室。

顯然，這種方式存在一定的局限性，如果學生不在一樓大廳或者自習室分布過于廣泛，就無法及時知道自習室的使用情況。本文設計的系統可通過手機APP來查看自習室的使用情況，只要有無線網絡，學生只需查看自己的手機APP上的實時數據，就能獲取自習室的信息，以便高效尋找合適的自習室。

（2）自習室優化推薦系統的無線通信方式的改進與發展

某些傳統的自習室優化推薦系統， 采用“藍牙模塊”作為無線傳輸。然而，由于“藍牙”無線通信距離較短，一個“藍牙網”內所支持的設備數量有限，使用也是不太方便。

本文設計的系統選用的是傳輸距離較遠的Wi-Fi模塊作為無線傳輸，學生和管理人員只需通過智能設備連接設定好的Wi-Fi就可以及時連接上服務器，查看自習室的使用情況。

1 系統總體結構設計

本系統的總體結構設計框圖如圖1所示，主要由物聯網架構的感知層、網絡層、應用層三大層次組成，感知層是系統數據采集的核心部分，負責整個系統的數據采集和上傳；網絡層是系統信息的傳輸樞紐，負責數據的交互、轉發以及處理；應用層是系統與用戶之間的接口，負責系統信息與用戶之間的人機交互。其中，感知層包含STM32F103C8T6單片機核心板、溫濕度檢測模塊、光照強度檢測模塊、人流量檢測模塊、液晶顯示模塊和無線傳輸模塊；網絡層包含Java虛擬服務器；應用層包含手機APP客戶端。

圖 1 系統總體結構框圖

2 系統硬件設計

本系統硬件電路主要由STM32F103C8T6單片機核心板、人流量檢測模塊、溫濕度檢測模塊、光照強度檢測模塊、液晶顯示模塊和無線傳輸模塊等幾部分組成。其中，主控制器STM32F103C8T6功能強大、性能穩定，且功耗較低，具有豐富的片上外設；人流量檢測模塊用于檢測人的進出情況，主要是借助于光電開關傳感器實現的，當有人經過的時候，光電開關的輸出信號變為低電平。單片機STM32F103C8T6可以通過采集“PB7和PB8”兩個IO口的電平變化情況，來判斷人的進出情況。溫濕度檢測模塊用于檢測室內的溫濕度情況，主要借助于DHT11數字溫濕度傳感器，實現對室內的溫、濕度數據的采集，并通過單片機的PB9引腳，將采集的數據送給單片機；光照強度檢測模塊用于檢測室內的光照強度情況，主要借助于光敏電阻構成的分壓電路來實現，隨著光照的改變，光敏電阻的阻值和對應的分壓值也會隨著變化，通過單片機的PB0端口將采集的數據，經過單片機內部自帶的AD轉換器，實現將光照強度對應的電壓模擬量轉換成數字量，實現室內的光照監控；以上監測到的數據，均借助于LCD12864液晶顯示模塊來予以數據的實時顯示；而無線傳輸模塊為“數據的上傳”提供了可能，無線傳輸模塊（ESP8266Wi-Fi模塊）的TXD和RXD引腳分別接到單片機的PA2和PA3引腳中，單片機通過串口通信實現對無線傳輸模塊的配置，把Wi-Fi模塊配置成STA模式，同時配置相應的IP地址和端口號，為接到相應的服務器做準備，實現對采集的各個數據的上傳。

3 系統軟件設計

本系統軟件設計流程圖如圖2所示，首先開啟Java虛擬服務器，然后給整個系統上電，系統各模塊進行初始化，等待連接上虛擬服務器后，STM32單片機不斷讀取各模塊采集到的數據，并且將其顯示到LCD12864屏幕上；每隔2秒 ，STM32單片機定時器產生中斷方式，把采集到的數據，通過無線傳輸模塊，上傳到虛擬服務器；手機APP連接成功后，虛擬服務器將會把單片機采集到的數據，轉發給APP客戶端，數據會顯示到APP客戶端上。

圖2 系統軟件流程圖

4 系統調試

本自習室優化推薦系統的硬件部分如圖3所示。主要由液晶顯示模塊、人流量檢測模塊（光電開關模塊）、光照強度測量模塊、無線傳輸模塊（ESP8266 WIFI模塊 ）、溫濕度檢測模塊和主控模塊STM32單片機組成。

圖3 系統實物圖

系統上電后，ESP8266 Wi-Fi模塊進行初始化，即將連接到對應的服務器，此時液晶顯示模塊無任何顯示，等到ESP8266 Wi-Fi模塊初始化完成后，LCD12864液晶屏幕顯示自習室內部情況的相應數據，其現象如圖4所示。

圖 4 ESP8266 Wi—Fi模塊成功初始化顯示圖

當學生通過光電開光時，液晶屏幕上的數據會發生改變，當通過人數大于或者等于設定值時，液晶屏幕會顯示當前自習室為“擁擠”狀態，現象如圖5所示；當通過人數小于設定值時，液晶屏幕會顯示當前自習室為“推薦”狀態，現象如圖6所示。

圖 5 “擁擠”狀態下的顯示圖

圖 6 “推薦”狀態下的顯示圖

自習室優化推薦系統的另一部分由Java虛擬服務器和Android APP組成。Java服務器成功開啟后的調試控制臺圖如圖7所示。當有客戶端連接時，控制臺輸出如圖8所示。APP客戶端連接上服務器后，服務器將不斷把單片機采集的數據轉發到APP客戶端上，如圖9所示。

圖7 Java服務器成功開啟控制臺輸出圖

圖8 客戶端連上Java服務器控制臺輸出圖

圖9 手機APP客戶端顯示頁面圖

5 總結

本系統將人工智能、云計算、物聯網技術有機融合，在易澇點下水道布置“具有監測水位、水流速、地理信息、土壤含水量、當前下水道水流速等參數”的傳感器，通過物聯網技術上傳到云服務器，在云服務器上，結合該地理位置的上游水流速、下游水流速等參數，引進人工智能算法，進行易澇概率的預測，并將數據實時顯示在指定的手機APP、網頁，在地圖上，有利于相關部門及時排除隱患，降低城市內澇的發生，從而達到有效避免和延緩城市內澇的發生。

本文提出的自習室優化推薦系統是基于物聯網架構設計的，以STM32單片機為系統主控制器，通過一對光電開關實現對人流量的檢測，通過DHT11溫濕度傳感器實現對自習室內部溫濕度的檢測，通過光敏電阻電路實現對自習室內部光照強度的檢測，以及通過ESP8266 Wi-Fi模塊實現對采集的數據進行上傳。同時，利用Java實現了一個虛擬的服務器來模擬學校的服務器，該服務器可以對上傳的數據進行處理；用Android Studio設計一個的手機APP，當該APP連接到學校的服務器時，服務器能夠把單片機上傳的數據轉發到APP上，用戶端可以通過手機APP來觀察自習室的實時數據，從而方便學生高校的尋找到適合的自習室。此外，自實習管理人員也可以通過APP上的數據，實現遠程監控自習室的用電情況。

該系統是針對現實生活中實際存在的問題進行設計的，以節省學生尋找自習室的時間，提高自習室的利用率和優化自習室用電資源。相信隨著物聯網技術的飛速發展，自習室優化推薦系統的智能化，將會為有限的自習室座位資源實現更合理的分配使用提供了可能。同時，在疫情防控常態化的要求下，該系統可以進一步升級、拓展、延伸，應用到很多公共場所，如食堂、超市等。