一种智能的图书馆环境监测系统

王 通，周 帅，谢印庆

（大连理工大学城市学院，辽宁 大连 116600）

0 引 言

近年来，全国各地图书馆日人流量逐渐增长，对图书馆环境的要求越来越高。然而传统的图书馆只有基础的风扇或者空调，很少有完整的智能控制系统。图书馆虽是封闭场所，但人流量的增加和减少难免会导致室内的温湿度随之变化，不舒适的温度和湿度环境不仅会影响读者的阅读体验，对书籍的长期保存也是影响极大[1-2]。本文设计了以单片机为硬件，并与软件相结合，适合于图书馆环境的智能环境监测系统，主要实现了监测环境并能根据当前环境做出相应反应的功能[3]。

1 系统总体结构设计

系统是在以STM32F103C8T6为主控单片机的基础上，结合RC522射频模块、DHT11温湿度传感器、MQ-2烟雾传感器、OLED液晶显示屏、WiFi模块以及按键进行设计的。其中，采用RC522射频模块作为门禁系统，通过刷卡来记录图书馆的人流量数据；使用按键将温湿度和烟雾浓度数值设置到合适数值；利用DHT11温湿度传感器采集图书馆内的温湿度数据传给单片机。此时单片机结合相应的软件程序进行判断，依据所收集到的数据对模块发出指令，采用MQ-2烟雾浓度传感器收集烟雾浓度并传给单片机，使用OLED作为显示屏来显示图书馆内环境温度、湿度和烟雾浓度数据，给管理员直观的数据显示。采用WiFi模块连接OneNET服务器，通过WiFi模块将温度、湿度、烟雾浓度、人流量数据上传到OneNET服务器，以便实现在服务器实时监控图书馆内部的环境数据[3]。系统框图如图1所示。

图1 图书馆环境监测系统设计框图

2 系统流程设计

在使用时，先将主控模块通电，各传感器会进行初始化，WiFi模块连接上OneNET服务器；之后单片机会接收到来自DHT11温湿度传感器和MQ-2烟雾传感器的数据，单片机在接收到数据后会将数据显示在OLED液晶屏上，同时做出相应判断。假如温度高于按键设置的阈值，则会打开风扇降温；如果湿度低于按键设置的阈值，则会打开水泵加湿；同理，如果烟雾浓度超过设置阈值，蜂鸣器会自动发出报警[4]。通过RC522射频模块对进入图书馆的人数进行实时统计。如果有人刷卡进入，则单片机会将人数进行加1操作，最终单片机将温湿度、烟雾浓度和图书馆人流量数据通过WiFi模块上传至OneNET服务器，流程如图2所示。

图2 系统工作流程

3 主要硬件模块

3.1 主控模块

单片机是整个设计的核心，发挥着计算控制的作用。本设计采用STM32F103C8T6作为主控单片机[5]，这款单片机是STM32系列中采用LQFP封装的一款增强型单片机，包含64 KB的FLASH，适用温度在-40～85 ℃范围内，共有144个引脚。与51单片机相比具有更多的优势，STM32单片机的I/O口资源较多、处理速度更快，同时还有多个定时器、多个串口可供使用。这款单片机的系统电路非常简单，只需一个晶振就能让单片机工作，在晶振起振时并上两个22 pF的小电容即可。综合来看，此款单片机比较适合本设计。

3.2 RC522射频模块

本设计选择采用RC522射频模块作为图书馆的门禁系统来记录图书馆人流量，进入图书馆的人需要刷卡，单片机检测到RC522模块有刷卡数据之后将人流量数据加1，同时将数据上传至WiFi模块[6]。RC522射频模块采用SPI协议与单片机通信，使用时需要将RC522的SPI接口连接到主控单片机的SPI接口上。

3.3 温湿度传感器模块

DHT11温湿度传感器可以同时测量环境的温度和湿度数据，温度测量精度为±2 ℃，湿度测量精度为±5%[7]；采用单总线的方式与单片机通信，占用的I/O资源较少，仅有3个引脚，一个接地，一个接电，另一个与单片机的I/O口相连接，使用起来方便简单，比较适合于本文的研究。

3.4 烟雾报警模块

选用MQ-2烟雾传感器采集烟雾浓度数据[8]。MQ-2烟雾传感器的使用较简单，数据以模拟量的方式输出，工作时只需给MQ-2烟雾传感器供电，然后将数据线与单片机的ADC接口相连，单片机即可通过ADC采集到烟雾传感器的数据。当烟雾浓度达到设置的数值时，会触发蜂鸣器报警，蜂鸣器的电路设计只需一个三极管进行驱动即可工作。

3.5 OLED显示屏模块

为了更直观地观察到图书馆的内部环境数据，还需要一个屏幕进行显示，不同的屏幕显示的方式也有所不同，可显示的信息量也不同。综合考虑，本设计选用OLED显示屏，这款显示屏可以显示文字、字母、图片，且使用简单[9]。同时，采用SPI通信，编程简单，占用的I/O资源少。

3.6 WiFi联网模块

由于本设计需要将实时数据上传到OneNET服务器[10]，而生活中常用的蓝牙模块数据传输距离一般只在50 m内，且无法使用TCP/IP功能上传数据；传统的GSM模块是2G模块，传输数据速度慢，且成本高。综合考虑，在此考虑使用WiFi模块。WiFi模块可以采用远距离数据传输，且成本低，可以通过TCP/IP协议连接OneNET服务器。在工作时，可以通过WiFi模块将温湿度、烟雾浓度、人流量等数据上传到OneNET服务器进行实时监测。WiFi模块在使用时只需与单片机进行串口通信来实现单片机和WiFi模块的数据交换。在电路设计时，为了避免因数据上传过于频繁而造成的错误，可以在电路中加入一个定时器，并将定时器定时为10 s。

4 软件设计与调试

软件方面与本文中的硬件设备相互嵌套。传感器模块将采集的各项数据送于单片机主控模块中进行运算，并与程序上设置的临界数值进行比较和判断。最终将符合的数据输出显示在OLED显示屏中，完成对数据的检测。通过以上硬件和软件的相互结合，完成了图书馆环境检测系统的设计，各项功能可以正常运行，图书馆管理员可以实时看到图书馆的环境，达到了本设计的目的。

5 结 语

本设计以STM32F103C8T6单片机为核心，使用了以RC522射频模块构建的门禁系统，利用DHT11温湿度传感器和MQ-2烟雾传感器对室内环境进行监测，使用WiFi模块将数据实时上传至OneNET服务器，便于后台监测。与传统的图书馆环境相比，本设备更加智能，图书馆管理员无须重复日常的繁琐操作，同时能够使图书馆内部环境始终保持相对舒适，便于提升读者在图书馆内的阅读体验以及对书籍的保存。