关志艳
(山西工程科技职业大学信息工程学院，山西 太原030619)
高校图书馆“占座”现象普遍，如何有效管理图书馆座位，是现在需要解决的一个问题。刘大杰[1]等人采用人体红外传感来实时监测座位前是否有人，但单纯只用红外传感器容易监测出座位附近其他人而非本人，造成监测误判。徐海东[2]等人引入人脸识别和视频监控模块，但这样成本太高。
针对以上情况，本设计提出基于STM32的图书馆占座监测装置，采用人体红外传感器和压力传感器，双重监测判断是否“占座”，一旦发现此座位连续一个小时没人，即通过GSM模块将座位号，使用状态以短信的形式发送给图书馆自习室管理员，以便将不来的学生物品放置专指地点，这样其他同学就可以有效利用此座位。
1.1 系统整体结构
本设计需要双重监测以保障“占座”有效，在该座写字桌上安置红外传感器，在学生座椅上安装压力传感器，为了减少课桌到座椅的连体布线，本设计采用主机与从机分别监测，再将从机上的监测数据通过无线蓝牙传输到主机上，主机再综合判断，这样无线传输而不用担心因为布线导致的桌椅间的挪动不方便。从机部分用于桌面人体红外线传感器探测，主机部分为座位压力传感器探测，同时定时监测信号的时间。若规定时间内该学生又返回,则计时时间清零，重新开始查询。若规定时间结束该学生仍未回来，主机单片机向GSM模块发送指令进行短信通知管理员“xxx座位被违规占用！”。系统的整体框图如图1所示。
图1 整体设计框图
1.2 系统功能设计
传感器信息采集模块：红外线传感器模块监测书桌前是否有人，压力传感器监测座椅上是否有人。
独立按键输入模块：设置时间和监控模式。
液晶显示器输出模块：显示监测数据及时间。
无线通信模块：蓝牙用于主从机通信，GSM用于主机与管理员手机通信。
主从机单片机的最小单片机系统及电源部分都相同，采用3.3 V供电。本设计的电路是在Aultium Designer软件下进行绘制与设计的。
2.1 主机电路设计
在主机系统中，采用STM32F103C8T6最小单片机系统的基础上，连接压力传感器HX711、蓝牙模块HC05、GSM模块Air208、连载基础外设LED、蜂鸣器、独立按键、LCD1602。
图2 主机整体电路图
单片机的PA1，PA0引脚连接压力传感器模块；
PA4，PA5，PA6，PA7分别连接按键模块；
PB10，PB11分别连接蓝牙模块；
PA9，PA10分别连接短信通知模块；
PC14，15连接信号指示灯；
PB3-PB9引脚分别接LCD1602显示屏；
PC13连接蜂鸣器。在从机系统中，PA1引脚连接红外传感器模块；
PA9，PA10连接蓝牙模块；
PC13，PC14连接信号指示灯。
1) STM32F103C8T6最小单片机系统
STM32F103C8T6是基于ARM Cortex-M3内核的32位微控制器，含有丰富的外设功能，如GPIO、NVIC、EXTI、TIM、DAM等，足够本设计所需，也是主流单片机之一。
2) 压力传感器模块电路
选择HX711作为本设计中检测座椅物体重量的模块，HX711芯片通过对电压进行采样，并通过A/D转换输出转换值，再通过单片机对数据进行处理。此模块在组装设计时需要两块亚克力板，在组装时要保护好传感器的线。压力传感器模块的实物和仿真如图3所示。
图3 压力传感器模块实物与仿真
3) 蓝牙模块电路设计
HC05蓝牙模块主要用于主从机数据的传输，将从机中的人体感应模块的信号传输给主机单片机中，主要利用STM32自带的串口中断功能，主机单片机对接收的从机蓝牙模块传输的信号进行判断。
4) GSM模块电路设计
GSM模块主要用于通知管理员违规占用座位的信息。其通过使用标准的AT命令来实现无线通信的功能。GSM模块使用相对简单，有效引脚只有两个，分别连接PA9端和PA10端，剩余两个引脚分别连接电源的正负极。GSM模块仿真图如图4所示。
图4 GSM模块仿真
5) 按键模块电路设计
使用了四个按键用于时间的设置和监控模式的开关。按键1和2可以调整监测时间；
按键3和4为监控开关。在手动模式下，按下按键1可增加规定时间，按下按键2可减少规定时间，按下按键3为打开监控，按键4的功能为关闭监控模式。按键模块仿真图如图5所示。
图5 按键模块仿真
2.2 从机电路设计
从机的基础电路和主机相同，在此不在赘述，选择HC-SR501型号的感应模块用作检测桌前座位是否有学生在使用。此元件通过高低电平的判断产生警报信号[3]。由于自习室座位间距离较近，为避免检测误差，可调节其检测距离系统软件设计。图6为从机整体电路图。
基于STM32的实时管理图书馆自习室占座系统的程序采用KEIL5软件进行程序编程，主要分为主机程序和从机程序两部分。由于从机搭载外设较少，相对简单，在此描述主机程序基本流程如下：
系统初始化:由于使用压力传感器HX711AD模块、GSM模块、LCD1602、STM32的GPIO口、中断、定时器、ADC转换等都需要进行初始设置。HX711AD模块有三种工作模式，A通道128增益、B通道32增益、A通道64增益。对应不同的增益，其满额度差分输入信号幅值也不同，因此需要初始化设置。GSM模块需要选择休眠方式、电话号码等初始化设置。LCD1602模块需要进行显示模式、输入模式、数据线位数等初始化设置[4]。初始化配置是非常重要的一个环节。
图6 从机整体电路图
传感器采集传输：红外传感器、压力传感器分别检测到数据，红外检测到的负跳沿变化通过蓝牙模块实时传输给主机。
定时器中断：STM32内的定时器、中断在初始化后，一旦主机经过综合判定座位无人，启动定时器，进入计时状态。
GSM传输：主机计时1小时，GSM启动短信功能，送指令通知管理员“xxx座位被违规占用！”。
本设计经过测试基本实现了较准确地监测座位“占座”情况，但只是整个图书馆座位管理系统中的一小部分，要想更好服务于学生，还需将其嵌入到图书馆座位管理系统中。将来还可扩展功能，学生可以在手机上选座，及时提醒有空座，长时间“占座”收到警告并及时回去学习。要想建立一个良好、没有矛盾问题的公共场所，还需要每位使用者的自我约束。
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