一．研究目的及意义
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1.1研究的目的
高校中存在一些教室资源利用不合理的现象，例如学生去教学楼上自习时由于不知道每个教室的人数情况，只能随机地寻找教室，这样就造成了有些教室人数十分拥挤，而有些教室人数却聊聊无几，甚至是闲置的现象;除此之外由于人们的环保节能意识淡薄，教室内的电灯，空调等设备经常处于不合理使用状态,造成了大量的能源浪费[1]。为此建立一个有效的智能自习室管理系统具有重要意义。系统配置有阿里云端服务器，通过wifi模块接入云端，自习室有人时可以自动打开灯光和通风，也可以app手动主端控制，室内有环境监测功能，监测温湿度和烟雾，有门禁，刷卡进入，门禁主要可以记录进入了多少人。云端配置有手机app，显示自习室烟雾浓度，温湿度，人数等。
1.2 研究的意义
本系统将物联网技术应用到高校自习室的智能监测系统中，利用强大的物联网技术设计出该系统，可以有效地统计教室内人数,烟雾浓度和温湿度等信息，具有低成本、低功耗、实时性强等特点，并且开发了相应的软件，具有良好的实用价值[2]。
二．国内外研究现状
2.1 国外研究现状
国外的图书馆自习室的使用与管理，根据地区、国家的不同大致可以分为以下三类情况：
第一类，欧洲各国，如：英国、法国、德国、瑞典等。欧洲国家的自习室管理十分简单，并没有专门的管理系统[3]。由于国情原因，欧洲多数国家小国寡民，公共资源完全可以满足需求。大学图书馆甚至向市民开放，普通市民可以像大学生一样随意出入自习室，或者在自习室中学习[4]。
第二类，美国。美国的经济发达、教育资源十分丰富。在多数地方的图书馆，并没有专门的自习室管理系统或者座位预定系统。但是，在大城市，例如：纽约，人口众多，学习环境以及自习室等资源相对紧张，在一些大型的图书馆或者大学，有专门的座位预订系统[5]。这些系统只是提供简单的座位预订，一般不要求用户进行注册、存档，也没有相应的监督办法，完全凭学生自觉遵守[6]。
第三类，日本、韩国等亚洲发达国家或地区。这些地区人口相对密集、经济发达、教育资源以及公共资源较为丰富。高效大多数集中在少数大城市，学生数量较多，平摊到每个学生上的自习室资源不多，有些学校甚至只是由几座大楼组成，自习室资源更加紧张，这一点与我国类似[7]。在这种情况下，多数高效图书馆对自习室座位资源的利用相当重视，一般都有相应的管理系统或者预约系统[8]。系统多采用浏览器/服务器模式，学生需要使用ID进行身份验证，然后才可以进行预约[9]。在自习室的门口，一般还会有指纹机或者读卡机等设备，对学生进行身份验证。对于一些不合规现象，还会记入诚信档案，从而提高学生自觉遵守自习室使用规范，总体而言，值得我国借鉴[10]。
2.2 国内研究现状
在我国，学校师生对于智慧教室的认识还主要偏于教学上的智能化。由于科技创新的不断冲击，人们享受智能化带来的便利越来越多，尤其智能家居的问世，人们对于教室的智能要求也逐渐从教学智能化转变成教室环境全面智能化[11]。目前，高等学校随着智慧校园的全面推广，对智慧教室的规划越来越重视，中小学也在努力实现教室智能化管理，目前已经在全国推广[12]。相比以前的教室设备管理已经有所提升，但是针对教室内所有的电器设备、环境控制、人员监控等管理，仍然不能有效的解决这些问题[13]。早期国内对于智慧教室的研究，大多是基于远程对教室内的各节点进行远程控制[14]。如果想要建立这种控制系统，布线比较麻烦，人工成本高，施工量大，尤其对于建校多年的高校教室进行智能化改造，难度非常大[15]。
本文提出基于STM32智能自习室管理系统设计正是基于这一现状，能够让学生教师和学校管理人员通过手机端了解到自习室的使用情况，在提高教室环境舒适度的同时，使自习室各设备的利用率也得到了显著的提高，也同时节省了能源。物联网、无线传感技术的快速发展，智慧校园的深入研究，智慧教室必将在各个高校拔地而出，成为高校重点研究的项目，也是促进智慧校园建设的必然环节。
三．本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）
3.1 本课题要研究的内容
本课题的研究内容是开发一个智能自习室管理系统。目的是实现对自习室内环境的监测并可实现智能控制，还可通过构建于阿里云的服务器查看相关数据，同时可通过RFID模块完成门禁的开启及人数统计，指标异常的数据可蜂鸣器报警提醒并开启LED和风扇。
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图1系统模块框图
本系统基于STM32智能自习室管理系统设计与实现，对各个模块进行融合，并完成最终系统，模块如下：
① 最小系统开发板STM32F103用于控制整个系统的运行。
② 温湿度模块：通过用DHT11温湿度传感器实现采集自习室的温湿度。
③ 烟雾浓度模块：采用烟雾采集模块，实时采集自习室内烟雾浓度数据。
④ 红外监测模块：采用红外传感器去监测自习室内是否有人，有人进入开启LED灯。
⑤ 蜂鸣器：用于当出现异常数据时，报警使用。
⑥ 无线WiFi模块：采用ESP8266模块实现数据的传输，将数据传输到手机APP，便于用户查看。
⑦ RFID模块：可刷卡完成门禁的开启，同时完成人数的统计。
3.2 本课题要解决的问题
①设计硬件模板及软件流程图，数据处理和程序的设计方案。
②设计主体功能模块，温湿度监测模块、烟雾浓度监测模块、红外监测模块、RFID采集模块、蜂鸣器报警模块，当监测模块达到相关阈值时，做出相应的警报。
③设计图形化界面，后端人员可以通过系统查看和显示当前被监测区域下的各项模块的数据，当发生异常数据时，也会提醒后端人员。
④测试，系统相关模块逻辑是否正确，优化功能。
3.3 拟采用的研究手段(途径)
3.3.1 模块设计方法：
（1）Keil程序开发环境
本设计中单片机开发环境是 Keil，Keil 是美国Keil Software公司出品的 51 系列兼容单片机C语言软件开发系 统，与其他语言相比，C 语言在功能、结构、可读性、可移 植性和可维护性方面相对简单。Keil提供了包括C编译器、 宏汇编、链接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在 内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（μVision）将这 些部分组合在一起。在微软的操作系统上都可以运行 keil 软 件，对系统的硬件配置要求不高。使用C语言编程，使用 Keil 软件是最好的选择。即使不使用 C 语言，譬如使用汇编 语言进行程序编写，其易于使用的集成环境、强大的软件模拟、丰富的调试工具，使得在程序开发和调试方面事半功倍。
（2）主控模块
基于ARM7架构的是STM32系列处理器，STM32系列是意法半导体公司推出的基于ARM Cortex-M内核的微处理器，Cortex-M是ARM公司针对工业控制领域生产的嵌入式32位MCU架构，其性能极高，且成本以及功耗非常低。
（3）温湿度模块
本系统常采用的是一款DHT11温湿度传感器。DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性和卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。每个DHT11传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式存在OTP内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，使其成为该类应用中，在苛刻应用场合的最佳选择。产品为4针单排引脚封装，连接方便。
（4）烟雾浓度模块
采用单片机控制烟雾传感器，对自习室环境内部的烟雾浓度实现实时监测功能。避免因烟雾浓度过高而引发火灾等险情。
（5）红外监测模块
红外线传感器是利用红外线来进行数据处理的一种传感器，有灵敏度高等优点，红外线传感器可以控制驱动装置的运行。红外线传感器常用于无接触温度测量，气体成分分析和无损探伤，在医学、军事、空间技术和环境工程等领域得到广泛应用。例如采用红外线传感器远距离测量人体表面温度的热像图，可以发现温度异常的部位。系统设计中以红外传感器对是否有人进入进行监测，确定有人进入时开启LED灯照明。
（6）无线WiFi模块
采用的是ESP8266模块。ESP8266是一款的低成本、低功耗无线Wi-Fi芯片。它于2014年发布，并迅速在物联网（IoT）领域引起了广泛关注和应用。ESP8266芯片采用先进的CMOS工艺制造，集成了主处理器、Wi-Fi模块、存储器和各种接口等多个功能单元，使得整个系统非常紧凑和集成化。该芯片拥有出色的性能和丰富的功能，为物联网设备的连接和数据传输提供可靠支持。
（7）报警模块
本系统采用蜂鸣器来当作报警使用，当系统监测到数据超过设置的阈值，这时蜂鸣器开始报警，提醒工作人员需要注意。
（8）RFID采集模块
射频识别系统是一种非接触式的自动识别系统，它通过射频无线信号自动识别目标对象，并获取相关数据，由电子标签、读写器和计算机网络构成。射频识别系统以电子标签来标识物体，电子标签通过无线电波与读写器进行数据交换，读写器可将主机的读写命令传送到电子标签，再把电子标签返回的数据传送到主机，主机的数据交换与管理系统负责完成电子标签数据信息的存储、管理和控制。
3.3.2 采用研究方法
文献研究法：通过图书馆互联网，电子资源数据库等途径查阅大量文献，搜集、鉴别、整理，了解STM32单片机控制技术相关知识，理清各个模块之间的作用关系，学习模块间数据的交互，分析总体设计模式，熟悉各个模块的工作方式以完善系统的整体设计，实现系统的整体设计。
实验研究法：通过动手设计实验，使用STM32以及各个传感器模块，编写程序设计完成，在实验中进行数据的测试；根据现有的研究项目整体系统进行分析设计，实现理论与实践相结合，完善整体系统设计。
案列分析法：研究几个或者多个关于智能自习室管理系统设计与实现的案例，进入深入的研究。