曹麗娟，鐘浩賢，周楊景

（東莞理工學(xué)院城市學(xué)院，廣東東莞，523419）

0 引言

近年來，大學(xué)生的數(shù)量因?yàn)楦咝５臄U(kuò)招變得越來越多，學(xué)生人數(shù)的增加，使得學(xué)校自習(xí)室的座位越來越緊缺，尤其是在期末復(fù)習(xí)、考研等考試期間，許多學(xué)生為了尋找自習(xí)室奔波于各個(gè)樓層，浪費(fèi)了大量寶貴的學(xué)習(xí)時(shí)間[1]。此外，學(xué)校的自習(xí)室分布較廣，導(dǎo)致自習(xí)室的使用不均勻，有些自習(xí)室空位緊張，而有些自習(xí)室卻只有幾個(gè)人，學(xué)生對(duì)各個(gè)自習(xí)室的使用情況不清楚時(shí)，會(huì)耽誤學(xué)生尋找合適自習(xí)室的時(shí)間以及降低自習(xí)室的有效利用率。另一方面，自習(xí)室也存在各種各樣的用電浪費(fèi)問題，由于自習(xí)室過于多，管理人員難以顧及到每一個(gè)自習(xí)室，經(jīng)常出現(xiàn)有些自習(xí)室空無一人，燈或風(fēng)扇卻仍在工作。針對(duì)這些問題，研究設(shè)計(jì)一個(gè)方便學(xué)生和管理人員使用的自習(xí)室優(yōu)化推薦系統(tǒng)具有一定現(xiàn)實(shí)意義。考慮到自習(xí)室的優(yōu)化推薦系統(tǒng)的研究，以前也有很多人做，所以，本文先重點(diǎn)說明一下該系統(tǒng)“在傳統(tǒng)的自習(xí)室優(yōu)化推薦系統(tǒng)”上的改進(jìn)方面，具體如下：

（1）自習(xí)室優(yōu)化推薦系統(tǒng)的顯示方式的改進(jìn)與發(fā)展

某些傳統(tǒng)的自習(xí)室優(yōu)化推薦系統(tǒng)，如參考文獻(xiàn)[2]中所講，通常把采集到的人流量數(shù)據(jù)，用液晶屏幕的方式進(jìn)行展示，而屏幕的位置放置在一樓大廳或者是自習(xí)室門口，學(xué)生只能通過屏幕來選擇合適的自習(xí)室。

顯然，這種方式存在一定的局限性，如果學(xué)生不在一樓大廳或者自習(xí)室分布過于廣泛，就無法及時(shí)知道自習(xí)室的使用情況。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可通過手機(jī)APP來查看自習(xí)室的使用情況，只要有無線網(wǎng)絡(luò)，學(xué)生只需查看自己的手機(jī)APP上的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，就能獲取自習(xí)室的信息，以便高效尋找合適的自習(xí)室。

（2）自習(xí)室優(yōu)化推薦系統(tǒng)的無線通信方式的改進(jìn)與發(fā)展

某些傳統(tǒng)的自習(xí)室優(yōu)化推薦系統(tǒng)， 采用“藍(lán)牙模塊”作為無線傳輸。然而，由于“藍(lán)牙”無線通信距離較短，一個(gè)“藍(lán)牙網(wǎng)”內(nèi)所支持的設(shè)備數(shù)量有限，使用也是不太方便。

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)選用的是傳輸距離較遠(yuǎn)的Wi-Fi模塊作為無線傳輸，學(xué)生和管理人員只需通過智能設(shè)備連接設(shè)定好的Wi-Fi就可以及時(shí)連接上服務(wù)器，查看自習(xí)室的使用情況。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示，主要由物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層三大層次組成，感知層是系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的核心部分，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和上傳；網(wǎng)絡(luò)層是系統(tǒng)信息的傳輸樞紐，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的交互、轉(zhuǎn)發(fā)以及處理；應(yīng)用層是系統(tǒng)與用戶之間的接口，負(fù)責(zé)系統(tǒng)信息與用戶之間的人機(jī)交互。其中，感知層包含STM32F103C8T6單片機(jī)核心板、溫濕度檢測(cè)模塊、光照強(qiáng)度檢測(cè)模塊、人流量檢測(cè)模塊、液晶顯示模塊和無線傳輸模塊；網(wǎng)絡(luò)層包含Java虛擬服務(wù)器；應(yīng)用層包含手機(jī)APP客戶端。

圖 1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)硬件電路主要由STM32F103C8T6單片機(jī)核心板、人流量檢測(cè)模塊、溫濕度檢測(cè)模塊、光照強(qiáng)度檢測(cè)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(qiáng)大、性能穩(wěn)定，且功耗較低，具有豐富的片上外設(shè)；人流量檢測(cè)模塊用于檢測(cè)人的進(jìn)出情況，主要是借助于光電開關(guān)傳感器實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)有人經(jīng)過的時(shí)候，光電開關(guān)的輸出信號(hào)變?yōu)榈碗娖健纹瑱C(jī)STM32F103C8T6可以通過采集“PB7和PB8”兩個(gè)IO口的電平變化情況，來判斷人的進(jìn)出情況。溫濕度檢測(cè)模塊用于檢測(cè)室內(nèi)的溫濕度情況，主要借助于DHT11數(shù)字溫濕度傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)的溫、濕度數(shù)據(jù)的采集，并通過單片機(jī)的PB9引腳，將采集的數(shù)據(jù)送給單片機(jī)；光照強(qiáng)度檢測(cè)模塊用于檢測(cè)室內(nèi)的光照強(qiáng)度情況，主要借助于光敏電阻構(gòu)成的分壓電路來實(shí)現(xiàn)，隨著光照的改變，光敏電阻的阻值和對(duì)應(yīng)的分壓值也會(huì)隨著變化，通過單片機(jī)的PB0端口將采集的數(shù)據(jù)，經(jīng)過單片機(jī)內(nèi)部自帶的AD轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)將光照強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的電壓模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)的光照監(jiān)控；以上監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)，均借助于LCD12864液晶顯示模塊來予以數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示；而無線傳輸模塊為“數(shù)據(jù)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(jī)的PA2和PA3引腳中，單片機(jī)通過串口通信實(shí)現(xiàn)對(duì)無線傳輸模塊的配置，把Wi-Fi模塊配置成STA模式，同時(shí)配置相應(yīng)的IP地址和端口號(hào)，為接到相應(yīng)的服務(wù)器做準(zhǔn)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)采集的各個(gè)數(shù)據(jù)的上傳。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖2所示，首先開啟Java虛擬服務(wù)器，然后給整個(gè)系統(tǒng)上電，系統(tǒng)各模塊進(jìn)行初始化，等待連接上虛擬服務(wù)器后，STM32單片機(jī)不斷讀取各模塊采集到的數(shù)據(jù)，并且將其顯示到LCD12864屏幕上；每隔2秒 ，STM32單片機(jī)定時(shí)器產(chǎn)生中斷方式，把采集到的數(shù)據(jù)，通過無線傳輸模塊，上傳到虛擬服務(wù)器；手機(jī)APP連接成功后，虛擬服務(wù)器將會(huì)把單片機(jī)采集到的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)發(fā)給APP客戶端，數(shù)據(jù)會(huì)顯示到APP客戶端上。

圖2 系統(tǒng)軟件流程圖

4 系統(tǒng)調(diào)試

本自習(xí)室優(yōu)化推薦系統(tǒng)的硬件部分如圖3所示。主要由液晶顯示模塊、人流量檢測(cè)模塊（光電開關(guān)模塊）、光照強(qiáng)度測(cè)量模塊、無線傳輸模塊（ESP8266 WIFI模塊 ）、溫濕度檢測(cè)模塊和主控模塊STM32單片機(jī)組成。

圖3 系統(tǒng)實(shí)物圖

系統(tǒng)上電后，ESP8266 Wi-Fi模塊進(jìn)行初始化，即將連接到對(duì)應(yīng)的服務(wù)器，此時(shí)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(xí)室內(nèi)部情況的相應(yīng)數(shù)據(jù)，其現(xiàn)象如圖4所示。

圖 4 ESP8266 Wi—Fi模塊成功初始化顯示圖

當(dāng)學(xué)生通過光電開光時(shí)，液晶屏幕上的數(shù)據(jù)會(huì)發(fā)生改變，當(dāng)通過人數(shù)大于或者等于設(shè)定值時(shí)，液晶屏幕會(huì)顯示當(dāng)前自習(xí)室為“擁擠”狀態(tài)，現(xiàn)象如圖5所示；當(dāng)通過人數(shù)小于設(shè)定值時(shí)，液晶屏幕會(huì)顯示當(dāng)前自習(xí)室為“推薦”狀態(tài)，現(xiàn)象如圖6所示。

圖 5 “擁擠”狀態(tài)下的顯示圖

圖 6 “推薦”狀態(tài)下的顯示圖

自習(xí)室優(yōu)化推薦系統(tǒng)的另一部分由Java虛擬服務(wù)器和Android APP組成。Java服務(wù)器成功開啟后的調(diào)試控制臺(tái)圖如圖7所示。當(dāng)有客戶端連接時(shí)，控制臺(tái)輸出如圖8所示。APP客戶端連接上服務(wù)器后，服務(wù)器將不斷把單片機(jī)采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到APP客戶端上，如圖9所示。

圖7 Java服務(wù)器成功開啟控制臺(tái)輸出圖

圖8 客戶端連上Java服務(wù)器控制臺(tái)輸出圖

圖9 手機(jī)APP客戶端顯示頁(yè)面圖

5 總結(jié)

本系統(tǒng)將人工智能、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有機(jī)融合，在易澇點(diǎn)下水道布置“具有監(jiān)測(cè)水位、水流速、地理信息、土壤含水量、當(dāng)前下水道水流速等參數(shù)”的傳感器，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)上傳到云服務(wù)器，在云服務(wù)器上，結(jié)合該地理位置的上游水流速、下游水流速等參數(shù)，引進(jìn)人工智能算法，進(jìn)行易澇概率的預(yù)測(cè)，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在指定的手機(jī)APP、網(wǎng)頁(yè)，在地圖上，有利于相關(guān)部門及時(shí)排除隱患，降低城市內(nèi)澇的發(fā)生，從而達(dá)到有效避免和延緩城市內(nèi)澇的發(fā)生。

本文提出的自習(xí)室優(yōu)化推薦系統(tǒng)是基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計(jì)的，以STM32單片機(jī)為系統(tǒng)主控制器，通過一對(duì)光電開關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)人流量的檢測(cè)，通過DHT11溫濕度傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)自習(xí)室內(nèi)部溫濕度的檢測(cè)，通過光敏電阻電路實(shí)現(xiàn)對(duì)自習(xí)室內(nèi)部光照強(qiáng)度的檢測(cè)，以及通過ESP8266 Wi-Fi模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳。同時(shí)，利用Java實(shí)現(xiàn)了一個(gè)虛擬的服務(wù)器來模擬學(xué)校的服務(wù)器，該服務(wù)器可以對(duì)上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；用Android Studio設(shè)計(jì)一個(gè)的手機(jī)APP，當(dāng)該APP連接到學(xué)校的服務(wù)器時(shí)，服務(wù)器能夠把單片機(jī)上傳的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到APP上，用戶端可以通過手機(jī)APP來觀察自習(xí)室的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，從而方便學(xué)生高校的尋找到適合的自習(xí)室。此外，自實(shí)習(xí)管理人員也可以通過APP上的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控自習(xí)室的用電情況。

該系統(tǒng)是針對(duì)現(xiàn)實(shí)生活中實(shí)際存在的問題進(jìn)行設(shè)計(jì)的，以節(jié)省學(xué)生尋找自習(xí)室的時(shí)間，提高自習(xí)室的利用率和優(yōu)化自習(xí)室用電資源。相信隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，自習(xí)室優(yōu)化推薦系統(tǒng)的智能化，將會(huì)為有限的自習(xí)室座位資源實(shí)現(xiàn)更合理的分配使用提供了可能。同時(shí)，在疫情防控常態(tài)化的要求下，該系統(tǒng)可以進(jìn)一步升級(jí)、拓展、延伸，應(yīng)用到很多公共場(chǎng)所，如食堂、超市等。