基于STM32 的智能公共廁所控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

羅楊，宋春華，李丹丹，戴凌鋒

（西華大學(xué)，四川成都，610039）

0 引言

公共廁所的衛(wèi)生和舒適程度在人們的日常生活中，是十分重要的。臟亂差，是大部分人對(duì)公共廁所的普遍印象，體驗(yàn)感也總不那么好，環(huán)境的糟糕，公共廁所氣味的異常影響了人們的心情。為解決目前存在的問題，本文通過傳感技術(shù)和控制技術(shù)，設(shè)計(jì)了一款新的智能公共廁所控制系統(tǒng)，并使用藍(lán)牙技術(shù)將收集到的信息，顯示于手機(jī)APP 上，能夠方便人們了解公共廁所內(nèi)的溫濕度，氨氣及可燃?xì)怏w濃度，是否有人正在使用以及使用者的溫度等信息。

1 系統(tǒng)總方案設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)智能公共廁所控制系統(tǒng)采用STM32F030C8T6作為主控芯片，將整個(gè)管理系統(tǒng)分為溫濕度傳感單元，單芯片微機(jī)中心處理器，電源模塊，藍(lán)牙模塊，可燃?xì)怏w傳感器模塊，空氣質(zhì)量檢測模塊，水流計(jì)模塊，紅外傳感器模塊，體溫模塊等部分。

單片機(jī)中心處理單元的信息進(jìn)行處理和接收，傳感器檢測到的信息通過藍(lán)牙模塊傳輸?shù)揭苿?dòng)應(yīng)用程序，當(dāng)光照強(qiáng)度改變時(shí)，光敏傳感器的電阻值也隨之改變，因其對(duì)光線十分敏感，可以達(dá)到節(jié)能減排的目的。要使燈亮，需要滿足兩個(gè)條件，一是需要有人進(jìn)入公共衛(wèi)生間，二是公共衛(wèi)生間內(nèi)光線亮度低[1]。氨氣傳感器模塊用于顯示當(dāng)前公共廁所內(nèi)氨氣的濃度值，若濃度高于標(biāo)準(zhǔn)值，便發(fā)出提醒音提示保潔人員進(jìn)行清潔打掃公共廁所，維持公共廁所里面的干凈衛(wèi)生，避免產(chǎn)生異味。體溫模塊可以檢測到進(jìn)入公共廁所里面的人員的溫度，避免有體溫異常者進(jìn)入公共廁所。空氣質(zhì)量傳感器模塊用于檢測空氣中顆粒物的濃度大小。水流計(jì)模塊用于檢測水流的流量大小，通過檢測脈沖數(shù)多少經(jīng)過一定的數(shù)值轉(zhuǎn)化顯示水流大小，紅外傳感器模塊用于檢測當(dāng)前是否有人進(jìn)入公共廁所[2]。

2 主要硬件設(shè)計(jì)

■2.1 總控制器STM32F030C8T6

系統(tǒng)采用STM32F030C8T6 作為主控芯片，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)智能公共廁所的運(yùn)行控制。

■2.2 溫濕度傳感器

DHT11 數(shù)字溫度濕度傳感器，可靠性良好且穩(wěn)定，性能優(yōu)越，使用了傳感器和數(shù)字收集信息的技術(shù)，具有兩個(gè)元件，一個(gè)是感濕元件，另一個(gè)是測溫元件。它具有超小的體積，反應(yīng)速度快，傳輸遠(yuǎn)，性價(jià)比高，具有極強(qiáng)的抗干擾性和極低的功耗，是測量溫濕度的絕佳傳感器[3]。

該傳感器的數(shù)據(jù)由40bit 構(gòu)成，其中包括16bit 的溫度數(shù)據(jù)，16bit 的濕度數(shù)據(jù)和8bit 的校驗(yàn)和。主機(jī)首先發(fā)送低電平，低電平時(shí)間不少于18ms，在此時(shí)間段內(nèi)，傳感器內(nèi)部會(huì)發(fā)生模數(shù)轉(zhuǎn)換，主機(jī)上拉后有二十多秒的時(shí)間進(jìn)行輸入和輸出的切換，從機(jī)出現(xiàn)80μs 左右的低電平，拉上總線后進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸，當(dāng)最后一位數(shù)據(jù)傳輸完成時(shí)，從機(jī)再次拉下總線50μs，總線空閑，并上拉電阻，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為比特?cái)?shù)據(jù)，是由高低電平時(shí)隙組成[4]。

■2.3 光敏傳感器

光敏傳感器感知光和暗的變化，輸出微弱信號(hào)，進(jìn)行放大處理，單片機(jī)開發(fā)板會(huì)進(jìn)行信號(hào)數(shù)據(jù)處理，可以控制室內(nèi)照明系統(tǒng)。光敏傳感器模塊在有光的情況下，輸出低電平，無光線的情況下，輸出高電平[5]。

■2.4 人體紅外感應(yīng)傳感器

人體紅外感應(yīng)模塊選用Hc-sr501，靈敏度高、穩(wěn)定性好、功耗低、效率高。當(dāng)人體從此器件的一個(gè)方向走過來，傳感器會(huì)感應(yīng)到高電平并持續(xù)一定的時(shí)間，當(dāng)超過這個(gè)時(shí)間，又會(huì)自動(dòng)變?yōu)榈碗娖剑诟袘?yīng)到有人后，傳感器不再接收到其他的信號(hào)，防止有其他干擾信號(hào)進(jìn)入，該傳感器使用了雙探頭來探測信號(hào)，檢測信號(hào)會(huì)更加靈敏[6]。

■2.5 氨氣傳感器

選用MQ-9 作為氨氣傳感器，二氧化錫作為氣敏材料。當(dāng)空氣中含有氨氣時(shí)，氨氣濃度的變化會(huì)改變傳感器的電導(dǎo)率，通過一系列的轉(zhuǎn)換，會(huì)變成相應(yīng)的輸出信號(hào)輸出，它對(duì)氨氣的敏感性好，壽命長，成本低[7]。

■2.6 水流量傳感器模塊

選用YF-S201 水流量傳感器來進(jìn)行檢測，可以檢測到廁所內(nèi)水流量大小，可以檢測到用水量，如果有用水異常的情況，也可以通知管理員及時(shí)查看，避免有浪費(fèi)水資源的情況出現(xiàn)，增強(qiáng)人們的環(huán)保意識(shí)。

■2.7 紅外測溫傳感器模塊

選用GY-906 MLX90614ESF此款傳感器測溫，在合適的位置安裝紅外測溫傳感器。使用I2C 通信協(xié)議來編寫程序，傳感器用來采集溫度，收集好的溫度信息傳送給開發(fā)板，開發(fā)板會(huì)將信息進(jìn)行加工轉(zhuǎn)換為溫度值顯示于手機(jī)界面上，該過程采用無線傳輸，并且可以實(shí)時(shí)觀察到數(shù)據(jù)的變化[8]。

■2.8 無線通信功能模塊

藍(lán)牙是一種無線通信模塊，我們經(jīng)常使用的藍(lán)牙耳機(jī)就是借用了藍(lán)牙這項(xiàng)技術(shù)，技術(shù)復(fù)雜性較高，設(shè)備網(wǎng)絡(luò)速度快，集成度和可靠性高。藍(lán)牙的信號(hào)容易受到干擾，但性價(jià)比高，適合短程無線通信，實(shí)現(xiàn)固定終端、移動(dòng)終端和個(gè)人長距離數(shù)據(jù)交換，本設(shè)計(jì)使用藍(lán)牙來進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。

3 軟件設(shè)計(jì)分析

使用STM32CubeMX 和STM32CubeIDE 兩個(gè)編程軟件作為開發(fā)環(huán)境來，每個(gè)設(shè)計(jì)的模塊進(jìn)行分別編寫其相應(yīng)的程序，選擇好需要用到的引腳，使用多條杜邦線將所有的傳感器連接在單片機(jī)上，通過V2 STM8/STM32 仿真器連接在電腦USB 接口上，使用到的傳感器用于檢測所處環(huán)境的信息。選用I2C 通信協(xié)議，用MX 軟件編寫程序，I2C 是由時(shí)鐘線和數(shù)據(jù)線構(gòu)成，功能分別是產(chǎn)生屬于自己的時(shí)鐘和傳輸數(shù)據(jù)。這兩根線既可雙向傳輸又可單向傳輸，該總線具有多個(gè)主機(jī)，主機(jī)會(huì)產(chǎn)生起始和停止條件，非常靈敏，可靠性相比其他的通信協(xié)議更高。

本設(shè)計(jì)使用了多個(gè)傳感器采集多個(gè)信息，并需要實(shí)時(shí)并同時(shí)傳輸顯示數(shù)據(jù)。使用了Xcode 軟件作為操作系統(tǒng)，在編寫程序的過程中，能夠?qū)Χ鄠€(gè)任務(wù)同時(shí)加以控制，采用多線程處理技術(shù)。根據(jù)智能公共廁所控制系統(tǒng)的功能需求，實(shí)現(xiàn)溫濕度檢測，氨氣濃度和空氣質(zhì)量檢測，水流量測速，判斷是否有人員進(jìn)出，檢測廁所環(huán)境光線亮暗程度，以及進(jìn)入廁所人員的體溫。將人體紅外傳感器HCSR501 放置在智能公廁的合適位置上，當(dāng)有人進(jìn)入廁所時(shí)，傳感器就會(huì)收集到信息，通過藍(lán)牙將采集到的信號(hào)傳送至手機(jī)界面端，有人則顯示占位，無人則顯示不占位。通過人體紅外傳感器來檢測當(dāng)前坑位的使用狀態(tài)，一是有人在里面，也就是正在被使用；二是里面沒有人，也就是沒有被使用。當(dāng)沒有被使用時(shí)就可以用來分配給需要的人。通過光敏電阻來檢測環(huán)境里面的光線強(qiáng)度，通過毫伏值來顯示情況。如未檢測到光線，那么就顯示無光線，如果有光線，那么判斷里面的光線大小，并在APP 界面上顯示出來。

4 結(jié)果

使用以上器件，將器件進(jìn)行合理的連接，組合成智能公共廁所控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括了所需要的所有傳感器，藍(lán)牙，仿真器，單片機(jī)核心板以及手機(jī)APP 界面顯示，對(duì)各個(gè)功能進(jìn)行測試，結(jié)果實(shí)現(xiàn)了功能。

要想讓智能公共廁所控制系統(tǒng)運(yùn)行，需要對(duì)系統(tǒng)供電，選用的單片機(jī)型號(hào)可以是5V 供電，也可以是3.3V 供電，我們選擇使用5V 電壓供電，有運(yùn)行指示燈的傳感器也可以正常點(diǎn)亮。

給系統(tǒng)供電后，DHT11 便檢測公廁所處環(huán)境的溫度和濕度，此檢測過程是實(shí)時(shí)變化的，界面顯示也是一直在更新。當(dāng)前公廁的溫度為24℃，當(dāng)前濕度為49%。0.2mg/m3為我國在室內(nèi)環(huán)境中所能接受到的最高濃度，氨氣是屬于對(duì)人體有害的氣體，該系統(tǒng)檢測空氣質(zhì)量情況使用MQ135 來進(jìn)行檢測，檢測到的情況顯示于手機(jī)界面上。

水流傳感器檢測水流的流速，也可計(jì)算出智能公廁的用水量，再傳輸?shù)绞謾C(jī)APP 顯示界面上。另外在IDE 中編寫水流程序時(shí)，使用了回調(diào)函數(shù)，當(dāng)傳感器檢測到有水流流過時(shí)，就會(huì)有數(shù)據(jù)的記錄，從零開始計(jì)數(shù)，記錄了每一秒鐘有多少流速，每感受到一次水流便加一。

選用人體紅外傳感器來檢測有無人員使用，當(dāng)有人進(jìn)入廁所時(shí)，則傳感器會(huì)感受到人體紅外光譜變化，輸出低電平，顯示有人進(jìn)入；如果此人離開感應(yīng)范圍（感應(yīng)范圍為120度錐角），便會(huì)輸出高電平。

將采集到的信息進(jìn)行打包發(fā)送，用藍(lán)牙進(jìn)行傳送，傳送到手機(jī)界面端，進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，將所有的傳感器檢測到的信號(hào)全部傳送到手機(jī)端的頁面，方便公廁管理人員及時(shí)了解公廁的信息。

本次設(shè)計(jì)完成了智能公共廁所控制系統(tǒng)的所有功能，所實(shí)現(xiàn)的功能有：檢測氨氣濃度，檢測空氣質(zhì)量，實(shí)時(shí)檢測空氣濕度和溫度，檢測進(jìn)出廁所人員的溫度，檢測水流流速，有無人員使用以及光照情況。可以看到，在圖12 上，有清楚地展示出當(dāng)前公共廁所的情況，氨氣濃度是701.0mV，空氣質(zhì)量為915.0mV，空氣濕度為49%，公共廁所當(dāng)前溫度是24.0℃，所經(jīng)過的人的體溫是26.2℃，當(dāng)前無人使用該蹲位，光敏電阻阻值為518.0mV，流體流速為0.40L/min，此數(shù)值會(huì)根據(jù)公共廁所的情況變化而變化。

圖1 系統(tǒng)的總方案設(shè)計(jì)

圖2 STM32F030C8T6 原理圖

圖3 溫濕度傳感器原理圖

圖4 光敏傳感器原理圖

圖5 人體紅外傳感器原理圖

圖6 氨氣傳感器原理圖

圖7 紅外測溫傳感器原理圖

圖8 藍(lán)牙原理圖

圖9 總體軟件設(shè)計(jì)流程圖

圖10 數(shù)據(jù)傳輸

圖11 實(shí)物圖

圖12 整體顯示圖

5 結(jié)束語

在本設(shè)計(jì)中，我們通過人體紅外傳感器來檢測公共廁所里有無人員使用，采用溫濕度傳感器能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測公廁內(nèi)溫濕度情況，水流傳感器監(jiān)測用水量情況，光敏電阻用于監(jiān)測里面的光線強(qiáng)度，通過空氣質(zhì)量傳感器監(jiān)測空氣顆粒物濃度，通過氨氣傳感器監(jiān)測公廁內(nèi)氨氣的濃度大小，紅外測溫傳感器用于監(jiān)測進(jìn)出廁所人員的體溫。最后將所有傳感器監(jiān)測到的信息匯總通過藍(lán)牙模塊傳輸給手機(jī)端顯示出來，以方便公廁管理人員管理的目的。

在未來，廁所一定會(huì)越來越智能化，將更新的技術(shù)融入其中，本次設(shè)計(jì)利用傳感器技術(shù)，紅外技術(shù)，藍(lán)牙技術(shù)，多線程技術(shù)，I2C 通信協(xié)議等完成了公共廁所的設(shè)計(jì)功能。