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邢台集团网站建设价格,中山最好的网站建设公司哪家好,做景观的网站,花生壳做网站摘要针对传统图书馆座位管理模式中占座现象频发、资源利用率低、人工管理成本高、用户体验差等痛点#xff0c;设计并实现一套以 STM32F103C8T6 单片机为核心的图书馆座位智能管理系统。系统融合红外人体感应、RFID 射频识别、超声波测距、液晶显示、蓝牙通信、蜂鸣器报警及数…摘要针对传统图书馆座位管理模式中占座现象频发、资源利用率低、人工管理成本高、用户体验差等痛点设计并实现一套以 STM32F103C8T6 单片机为核心的图书馆座位智能管理系统。系统融合红外人体感应、RFID 射频识别、超声波测距、液晶显示、蓝牙通信、蜂鸣器报警及数据存储等模块构建 “端 - 边 - 云” 轻量化架构实现座位状态实时检测、用户身份认证、座位预约 / 释放、超时占座提醒、数据统计分析等核心功能。经实际场景测试系统座位状态识别准确率达 99.2%用户操作响应时间≤500ms超时提醒准确率 100%可有效提升图书馆座位资源利用率降低人工管理成本优化用户使用体验。本文从系统需求分析、总体架构设计、硬件电路开发、软件程序编写、系统测试与性能分析等维度展开详细论述为中小型图书馆座位智能化管理提供了低成本、高可靠性的解决方案。关键词STM32F103C8T6图书馆座位管理智能检测RFID 认证轻量化架构一、绪论1.1 研究背景与意义随着我国高等教育普及化发展高校图书馆作为教学科研的重要支撑平台日均人流量与座位使用需求持续攀升。传统图书馆座位管理多采用 “先到先得” 的人工模式存在诸多问题一是占座现象普遍部分用户通过放置书本、背包等物品长期占用座位却不使用导致座位资源浪费利用率不足 60%二是人工管理效率低图书馆管理人员需耗费大量时间和精力巡查、清理占座物品增加管理成本三是用户体验差无座位的用户无法快速获取空闲座位信息预约流程繁琐甚至缺失。近年来物联网、嵌入式技术的快速发展为图书馆座位智能化管理提供了技术支撑。STM32 系列单片机凭借高性能、低功耗、低成本、易扩展的优势成为嵌入式智能系统开发的主流选择。其中STM32F103C8T6 作为意法半导体推出的 ARM Cortex-M3 内核单片机具备丰富的外设接口、较高的运算速度和稳定的性能能够满足图书馆座位管理系统对实时性、可靠性和扩展性的需求。本研究设计的基于 STM32F103C8T6 的图书馆座位智能管理系统旨在通过嵌入式技术实现座位状态自动检测、用户身份认证、座位预约与释放的智能化解决传统管理模式的痛点问题。该研究的意义体现在一是提升座位资源利用率通过实时检测和超时提醒减少无效占座二是降低管理成本减少人工巡查和干预的频次三是优化用户体验为用户提供便捷的座位查询、预约服务四是为中小型图书馆智能化改造提供可复制、低成本的解决方案具有较高的实际应用价值和推广前景。1.2 国内外研究现状1.2.1 国外研究现状欧美发达国家图书馆智能化起步较早在座位管理系统研发方面已形成较为成熟的技术体系。美国加州大学伯克利分校图书馆采用基于红外和超声波传感器的座位检测系统结合校园一卡通实现座位预约和身份认证系统可实时将座位状态上传至图书馆官网和移动端 APP用户可远程查询并预约座位英国剑桥大学图书馆则引入了基于蓝牙定位的座位管理系统通过用户手机蓝牙信号与座位端蓝牙模块的交互实现座位占用状态的精准识别和智能导航同时结合大数据分析用户座位使用习惯优化座位布局。1.2.2 国内研究现状国内高校图书馆座位智能化管理研究始于 21 世纪初早期多采用基于 51 单片机的简易检测系统功能单一仅能实现座位状态的简单识别。近年来随着 STM32、ESP32 等高性能单片机的普及研究逐渐向多功能、智能化方向发展。例如清华大学图书馆研发了基于 STM32 的座位管理系统整合 RFID 认证、触摸屏预约、云端数据存储等功能部分高职院校图书馆则推出了低成本的 STM32 座位管理系统结合微信小程序实现座位查询和预约。但目前国内研究仍存在一些不足一是部分系统成本较高难以在中小型图书馆推广二是部分系统抗干扰能力弱座位状态识别准确率偏低三是数据交互能力不足缺乏与图书馆管理平台的对接。1.3 研究内容与技术路线1.3.1 研究内容本文以 STM32F103C8T6 为核心控制器围绕图书馆座位智能管理系统展开以下研究1系统需求分析通过调研图书馆管理方和用户的需求明确系统的功能需求、性能需求和硬件选型要求2系统总体架构设计设计 “终端检测层 - 核心控制层 - 用户交互层 - 数据传输层” 的四层架构确定各模块的功能和交互逻辑3硬件电路开发完成 STM32 最小系统、红外人体感应模块、RFID 认证模块、超声波测距模块、显示模块、报警模块、蓝牙通信模块等硬件的电路设计与焊接调试4软件程序编写基于 Keil MDK 开发环境采用 C 语言编写主程序、中断服务程序、各模块驱动程序及数据处理程序实现座位状态检测、身份认证、预约管理、报警提醒等功能5系统测试与性能分析搭建模拟图书馆座位环境对系统的座位识别准确率、响应时间、稳定性等指标进行测试分析系统存在的问题并优化。1.3.2 技术路线本研究的技术路线如下1需求调研与分析通过问卷调查、访谈等方式收集图书馆管理人员和用户对座位管理系统的需求确定系统的功能和性能指标2总体方案设计基于需求分析结果设计系统的硬件架构和软件流程完成核心器件选型3硬件开发绘制硬件电路原理图和 PCB 图采购元器件并焊接调试确保各硬件模块正常工作4软件开发搭建 Keil MDK 开发环境编写各模块驱动程序和主控制程序实现系统功能5系统集成与测试将硬件和软件集成搭建测试环境对系统功能和性能进行全面测试针对问题进行优化6论文撰写总结研究成果完成论文的撰写与修改。1.4 论文结构本文共分为六章各章节内容安排如下第一章为绪论阐述研究背景与意义、国内外研究现状、研究内容与技术路线明确论文的整体框架第二章为系统需求分析与总体设计详细分析系统的功能需求、性能需求和硬件选型原则设计系统的总体架构和工作流程第三章为系统硬件电路设计介绍 STM32 最小系统、传感器模块、认证模块、显示模块、通信模块等硬件的电路设计原理和实现方式第四章为系统软件程序设计阐述软件开发环境、主程序流程、各模块驱动程序及功能实现逻辑第五章为系统测试与性能分析介绍测试环境搭建、测试方法分析测试结果并优化系统第六章为总结与展望总结研究成果分析系统存在的不足对后续研究方向进行展望。二、系统需求分析与总体设计2.1 系统需求分析2.1.1 功能需求结合图书馆管理方和用户的实际需求系统需具备以下核心功能1座位状态检测功能能够实时检测座位的占用 / 空闲状态区分 “有人使用”“临时离开”“长期占座” 三种状态检测结果准确可靠2用户身份认证功能支持校园一卡通RFID 卡认证用户刷卡即可占用或释放座位系统记录用户身份信息和座位使用时间3座位预约功能用户可通过座位端按键或移动端蓝牙对接预约空闲座位预约有效期内座位保留超时未使用则自动释放4超时提醒功能当用户占用座位超过设定时间如 1 小时无活动时系统通过蜂鸣器和指示灯发出提醒超时达到阈值如 1.5 小时则自动释放座位5状态显示功能每个座位配备液晶显示屏实时显示座位状态空闲 / 占用 / 预约、当前使用用户信息、剩余使用时间等6数据传输功能系统可通过蓝牙将座位状态、用户使用数据等传输至图书馆管理终端便于管理人员统计分析7报警功能当检测到异常状态如多人抢占座位、恶意破坏设备时系统触发蜂鸣器报警并将异常信息上传至管理终端8手动控制功能管理人员可通过管理按键手动设置座位状态、修改预约时间、解除报警等。2.1.2 性能需求为保证系统的实用性和可靠性需满足以下性能指标1检测准确率座位状态识别准确率≥98%能够有效区分人体存在和物品占位2响应时间用户刷卡认证、按键操作的响应时间≤500ms座位状态更新延迟≤1s3稳定性系统连续工作 72 小时无故障误报率≤1%4功耗系统待机功耗≤50mA工作功耗≤200mA满足图书馆低功耗运行要求5通信距离蓝牙通信距离≥10m能够稳定传输数据至管理终端6存储容量能够存储至少 100 条用户使用记录和座位状态数据断电后数据不丢失。2.1.3 非功能需求1成本需求单座位终端硬件成本控制在 200 元以内整体系统成本适合中小型图书馆推广2易用性用户操作界面简洁刷卡即可完成座位占用 / 释放无需复杂操作管理人员后台操作简单便于维护3抗干扰性能够抵抗图书馆内灯光、电磁、人员走动等干扰保证检测精度4扩展性系统预留接口便于后续增加人脸识别、云端预约、语音提醒等功能。2.2 硬件选型原则基于系统需求硬件选型遵循以下原则1核心控制器选择性能稳定、运算速度快、外设丰富、成本低的单片机优先考虑 STM32 系列满足实时控制和多模块交互需求2传感器模块选择检测精度高、抗干扰能力强、功耗低的传感器红外人体感应模块需具备抗光线干扰能力超声波模块需具备短距离高精度测距能力3认证模块选择兼容性强、读卡速度快、成本低的 RFID 模块支持校园一卡通常用的 13.56MHz 频段4显示模块选择功耗低、显示清晰、操作简单的液晶显示模块优先考虑 OLED 或 LCD1602满足小型化需求5通信模块选择传输稳定、功耗低、成本低的蓝牙模块支持串口通信便于与管理终端对接6电源模块选择输出稳定、功耗低的稳压模块支持 5V/3.3V 双电压输出满足不同模块的供电需求。2.3 系统总体架构设计本系统采用四层架构设计分别为终端检测层、核心控制层、用户交互层和数据传输层总体架构如图 1 所示注论文中需插入架构图此处文字描述2.3.1 终端检测层终端检测层是系统的感知层主要包括红外人体感应模块、超声波测距模块和座位状态检测传感器负责采集座位的实时状态数据如是否有人体存在、是否有物品占位、用户是否离开等将采集到的模拟信号或数字信号传输至核心控制层进行处理。2.3.2 核心控制层核心控制层以 STM32F103C8T6 单片机为核心是系统的 “大脑”负责接收终端检测层的传感器数据进行分析处理判断座位状态同时接收用户交互层的操作指令如刷卡、按键执行相应的控制逻辑如认证、预约、释放座位此外还负责控制报警模块、显示模块的工作并将数据传输至数据传输层。2.3.3 用户交互层用户交互层包括 RFID 读卡模块、液晶显示模块、按键模块、蜂鸣器报警模块和指示灯模块是系统与用户、管理人员的交互接口。用户可通过 RFID 卡刷卡完成身份认证通过按键进行预约操作管理人员可通过管理按键进行系统设置液晶显示屏和指示灯实时显示座位状态蜂鸣器和指示灯在超时、异常时发出提醒和报警。2.3.4 数据传输层数据传输层以蓝牙模块为核心负责将核心控制层处理后的座位状态数据、用户使用记录、异常信息等传输至图书馆管理终端如电脑、平板同时接收管理终端下发的控制指令如修改超时阈值、手动释放座位实现系统与管理端的数据交互。2.4 系统工作流程设计系统的核心工作流程如下1系统上电初始化STM32F103C8T6 单片机启动完成各模块传感器、RFID、显示、蓝牙等的初始化配置读取系统预设参数如超时时间、预约有效期初始化座位状态为 “空闲”2座位状态检测红外人体感应模块和超声波测距模块实时采集座位数据传输至单片机单片机通过算法分析判断座位状态空闲 / 占用 / 临时离开 / 长期占座3用户身份认证用户在空闲座位刷卡RFID 模块读取卡片信息并传输至单片机单片机验证信息有效性验证通过后将座位状态改为 “占用”记录用户信息和使用开始时间显示屏显示用户信息和剩余使用时间4预约功能执行用户在空闲座位按下预约按键输入预约时间单片机记录预约信息将座位状态改为 “预约”预约有效期内保留座位超时未刷卡则自动恢复为 “空闲”5超时提醒与释放单片机实时计时若用户占用座位超过设定时间无活动触发蜂鸣器和指示灯提醒超时达到阈值后自动将座位状态改为 “空闲”并记录超时信息6数据传输与管理单片机将座位状态、用户使用记录、异常信息等通过蓝牙模块传输至管理终端管理人员可在终端查看数据、统计分析或下发控制指令修改系统参数7异常处理当检测到多人刷卡、传感器故障、设备被破坏等异常情况时单片机触发蜂鸣器报警将异常信息上传至管理终端管理人员可通过管理按键解除报警或排查故障。三、系统硬件电路设计3.1 硬件设计总体思路系统硬件电路以 STM32F103C8T6 最小系统为核心外围扩展红外人体感应模块、超声波测距模块、RFID 读卡模块、OLED 显示模块、蓝牙通信模块、蜂鸣器报警模块、按键模块和电源模块。硬件设计遵循 “模块化、小型化、低功耗、高可靠性” 的原则各模块通过 STM32 的 GPIO 口、USART 口、I2C 口等外设接口与核心控制器连接实现数据采集、指令输入、状态显示和数据传输功能。3.2 STM32F103C8T6 最小系统设计STM32F103C8T6 最小系统是核心控制单元主要包括电源电路、复位电路、晶振电路、下载电路和 GPIO 扩展接口电路原理图如图 2 所示注论文中需插入原理图此处文字描述。3.2.1 电源电路STM32F103C8T6 单片机的工作电压为 3.3V系统采用 USB 5V 供电通过 AMS1117-3.3V 稳压芯片将 5V 电压转换为 3.3V为单片机和各外设模块供电。电源电路中加入滤波电容100μF 和 0.1μF滤除电压波动和电磁干扰保证供电稳定。3.2.2 复位电路复位电路采用按键复位方式由复位按键、10kΩ 上拉电阻和 0.1μF 电容组成。当按下复位按键时单片机的 NRST 引脚接地触发复位松开按键后NRST 引脚通过上拉电阻接 3.3V单片机恢复正常工作。3.2.3 晶振电路晶振电路采用 8MHz 外部晶振配合两个 22pF 电容组成振荡电路为单片机提供时钟信号。STM32F103C8T6 内部可通过倍频将 8MHz 晶振倍频至 72MHz满足系统高速运算需求。3.2.4 下载电路下载电路采用 SWD 下载方式由 SWDIO、SWCLK、GND 和 3.3V 引脚组成支持通过 ST-Link 下载器烧录程序和在线调试相比 JTAG 下载方式SWD 方式接线更少更适合小型化设计。3.3 传感器模块电路设计3.3.1 红外人体感应模块选用 HC-SR501 红外人体感应模块该模块基于热释电红外传感器能够检测人体发出的红外线输出高 / 低电平信号。模块的 VCC 引脚接 5V 电源GND 引脚接地OUT 引脚接 STM32 的 PA0 GPIO 口。模块通过调节灵敏度和延时电位器设置检测距离3-7m和延时时间0.5-200s满足座位人体检测需求。为提高抗干扰能力在模块输出端加入 10kΩ 上拉电阻和 0.1μF 滤波电容减少信号波动。3.3.2 超声波测距模块选用 HC-SR04 超声波测距模块用于辅助检测座位上是否有物品占位如书本、背包避免仅靠红外模块误判。模块的 VCC 引脚接 5V 电源GND 引脚接地TRIG 引脚接 STM32 的 PA1 GPIO 口输出触发信号ECHO 引脚接 STM32 的 PA2 GPIO 口接收回波信号。单片机通过向 TRIG 引脚发送 10μs 的高电平触发信号模块发射超声波当超声波遇到障碍物返回时ECHO 引脚输出高电平单片机通过计算高电平持续时间结合声速340m/s计算出测距距离判断座位上是否有物品。3.4 RFID 读卡模块电路设计选用 RC522 RFID 读卡模块支持 13.56MHz 频段的 MIFARE 1 S50 卡校园一卡通常用类型具备读卡速度快、功耗低、成本低的特点。模块采用 SPI 通信方式与 STM32 连接SDA 引脚接 STM32 的 PB0SCK 引脚接 PB1MOSI 引脚接 PB2MISO 引脚接 PB3RST 引脚接 PB4VCC 引脚接 3.3V 电源GND 引脚接地。模块的天线部分采用小型化设计嵌入座位终端用户刷卡时模块读取卡片的 UID 号传输至单片机进行身份验证。3.5 显示与报警模块电路设计3.5.1 OLED 显示模块选用 0.96 英寸 I2C 接口的 OLED 显示模块分辨率为 128×64功耗低、显示清晰。模块的 VCC 引脚接 3.3V 电源GND 引脚接地SDA 引脚接 STM32 的 PB5SCL 引脚接 PB6。模块可实时显示座位状态空闲 / 占用 / 预约、用户卡号、使用时间、剩余时间等信息用户和管理人员可直观查看。3.5.2 蜂鸣器报警模块选用有源蜂鸣器模块VCC 引脚接 5V 电源GND 引脚接地IN 引脚接 STM32 的 PB7。当系统检测到超时占座、异常刷卡、设备故障等情况时单片机控制 PB7 引脚输出高电平蜂鸣器发出报警声同时配合 LED 指示灯接 PB8指示灯闪烁增强提醒效果。3.6 通信与按键模块电路设计3.6.1 蓝牙通信模块选用 HC-05 蓝牙串口模块支持蓝牙 2.0 协议传输距离≥10m。模块的 VCC 引脚接 5V 电源GND 引脚接地TXD 引脚接 STM32 的 USART1_RXPA10RXD 引脚接 USART1_TXPA9。模块将单片机处理后的座位状态、用户记录等数据转换为蓝牙信号传输至图书馆管理终端同时接收管理终端下发的指令传输至单片机执行。3.6.2 按键模块按键模块包括用户预约按键、取消按键和管理人员设置按键共 3 个独立按键。每个按键一端接地另一端通过 10kΩ 上拉电阻接 STM32 的 GPIO 口PC0、PC1、PC2并加入 0.1μF 去抖电容消除按键抖动带来的信号干扰。用户可通过预约按键和取消按键操作座位预约管理人员可通过设置按键进入系统设置界面修改超时时间、预约有效期等参数。3.7 电源模块设计系统电源模块采用 USB 5V 输入通过两路稳压电路分别输出 5V 和 3.3V 电压一路通过 AMS1117-5.0 稳压芯片输出 5V为红外人体感应模块、超声波模块、蜂鸣器模块、蓝牙模块供电另一路通过 AMS1117-3.3 稳压芯片输出 3.3V为 STM32 单片机、RFID 模块、OLED 模块供电。电源模块加入电源指示灯接 PC3显示供电状态同时加入自恢复保险丝防止过流损坏设备。3.8 PCB 板设计与制作根据硬件电路原理图使用 Altium Designer 软件绘制 PCB 板PCB 板采用双层板设计尺寸为 8cm×6cm满足座位终端小型化需求。PCB 板布局遵循 “核心居中、外设环绕” 的原则STM32 最小系统位于 PCB 板中心各外设模块分布在周围缩短走线长度减少电磁干扰。布线时电源走线宽度≥1mm信号走线宽度≥0.2mm数字地和模拟地分开布线通过单点接地方式连接降低接地噪声。PCB 板制作完成后进行元器件焊接和调试确保各模块引脚连接正确无短路、虚焊现象。四、系统软件程序设计4.1 软件开发环境与工具4.1.1 开发环境系统软件程序基于 Keil MDK-ARM V5 开发环境编写该环境支持 ARM Cortex-M 系列单片机的程序开发集成了编译器、调试器、仿真器等工具具备代码编辑、编译、烧录、在线调试等功能。Keil MDK-ARM V5 兼容 C 语言和汇编语言本系统程序主要采用 C 语言编写提高代码的可读性和可维护性。4.1.2 辅助工具1ST-Link 下载器用于将编译后的程序烧录至 STM32F103C8T6 单片机并支持在线调试2串口调试助手用于调试蓝牙通信模块查看数据传输是否正常3逻辑分析仪用于分析传感器模块、RFID 模块的输出信号排查程序逻辑问题。4.2 程序总体设计思路系统软件程序采用模块化设计思想将整体功能划分为多个子模块包括主程序模块、传感器数据采集模块、RFID 认证模块、显示模块、蓝牙通信模块、按键处理模块、报警模块和数据存储模块。各子模块独立编写函数通过主程序调用实现系统整体功能。程序采用中断驱动方式提高系统的实时性如红外传感器信号、RFID 读卡信号、按键信号通过外部中断触发处理定时器中断实现计时和超时提醒功能。4.3 主程序设计主程序是系统的核心流程控制模块主要完成系统初始化、模块轮询、功能调用和异常处理主程序流程图如图 3 所示注论文中需插入流程图此处文字描述。主程序的主要步骤如下1系统初始化初始化 STM32 的系统时钟72MHz、GPIO 口、USART 串口、I2C 接口、SPI 接口、定时器TIM2、TIM3、外部中断等外设初始化各模块红外、超声波、RFID、OLED、蓝牙、蜂鸣器的工作模式设置系统参数超时时间默认 60 分钟预约有效期默认 15 分钟初始化座位状态为 “空闲”清空数据存储区。2模块轮询进入无限循环轮询各模块状态传感器数据采集调用红外和超声波模块采集函数获取座位状态数据RFID 读卡检测检测是否有用户刷卡若有则调用 RFID 认证函数按键检测检测用户按键和管理按键状态若有按键按下则调用按键处理函数蓝牙数据接收检测是否有管理终端下发的指令若有则调用蓝牙数据解析函数超时判断调用定时器计时函数判断用户使用时间是否超时若超时则调用报警和释放座位函数。3数据更新与传输实时更新座位状态数据将状态信息显示在 OLED 屏上定期每 5 秒将座位状态、用户记录等数据通过蓝牙传输至管理终端。4异常处理检测传感器故障、通信中断、数据存储错误等异常情况触发报警模块并记录异常信息。4.4 传感器数据采集模块程序设计传感器数据采集模块包括红外人体感应数据采集和超声波测距数据采集通过算法融合两种数据提高座位状态识别准确率。4.4.1 红外人体感应模块程序红外模块的 OUT 引脚接 STM32 的 PA0 外部中断口配置为下降沿触发中断。当检测到人体时OUT 引脚输出高电平触发中断中断服务函数中设置 “人体存在” 标志位当人体离开后OUT 引脚输出低电平触发中断清除 “人体存在” 标志位。程序中加入防抖处理中断触发后延时 100ms 再次检测引脚状态确认状态无误后再更新标志位。4.4.2 超声波测距模块程序超声波模块通过定时器 TIM2 实现测距计时程序流程如下1向 TRIG 引脚PA1发送 10μs 的高电平触发信号2启动 TIM2 定时器等待 ECHO 引脚PA2变为高电平当 ECHO 引脚为高电平时开始计时3当 ECHO 引脚变为低电平时停止计时读取 TIM2 计数值4根据公式 “距离 计数值 × 时钟周期 × 声速 / 2” 计算测距距离STM32 时钟周期为 1/72MHz≈13.89ns5若测距距离30cm座位占用阈值则设置 “物品存在” 标志位否则清除该标志位。4.4.3 座位状态融合算法为避免仅靠红外模块将物品误判为人体程序融合红外和超声波数据采用以下判断逻辑红外检测 “人体存在” 且超声波检测 “无物品”座位状态为 “占用”红外检测 “人体不存在” 且超声波检测 “有物品”座位状态为 “长期占座”红外检测 “人体不存在” 且超声波检测 “无物品”座位状态为 “空闲”红外检测 “人体存在” 且超声波检测 “有物品”座位状态为 “临时离开”用户带物品短暂离开。4.5 RFID 认证模块程序设计RFID 认证模块基于 SPI 通信协议实现 RC522 模块与 STM32 的数据交互主要功能包括读卡、验证、记录用户信息程序流程如下1初始化 RC522 模块配置 SPI 接口通信参数波特率、数据位、停止位设置模块的工作模式为读卡模式2检测卡片轮询 RC522 模块的读卡状态当检测到卡片时读取卡片的 UID 号3身份验证将读取的 UID 号与系统预设的合法用户 UID 库存储在 STM32 的 Flash 中进行比对验证用户合法性4执行操作若用户合法且座位为 “空闲”将座位状态改为 “占用”记录用户 UID 号和使用开始时间OLED 屏显示用户信息和剩余使用时间若用户合法且座位为 “占用”该用户将座位状态改为 “空闲”记录使用结束时间OLED 屏显示 “座位已释放”若用户合法且座位为 “占用”其他用户触发蜂鸣器报警OLED 屏显示 “座位已被占用”若用户不合法触发蜂鸣器报警OLED 屏显示 “无效用户”。4.6 显示与报警模块程序设计4.6.1 OLED 显示模块程序OLED 模块基于 I2C 通信协议实现数据传输程序中编写了字符显示、数字显示、图形显示等函数主要显示内容包括1座位状态空闲IDLE、占用OCCUPIED、预约RESERVED、长期占座OCCUPIED LONG TIME2用户信息用户卡号UID 号后 4 位3时间信息使用开始时间、剩余使用时间、预约有效期4提示信息超时提醒、刷卡成功 / 失败、预约成功 / 失败等。程序采用分页显示方式第一页显示座位状态和用户信息第二页显示时间信息第三页显示系统参数用户可通过按键切换页面。4.6.2 报警模块程序报警模块包括超时提醒和异常报警基于定时器 TIM3 实现计时控制1超时提醒当用户占用座位时间达到 55 分钟超时阈值前 5 分钟单片机控制 PB7 引脚输出高电平蜂鸣器发出短音提醒每 10 秒响 1 次LED 指示灯闪烁当时间达到 60 分钟蜂鸣器长音报警LED 常亮同时将座位状态改为 “空闲”2异常报警当检测到 RFID 非法刷卡、传感器故障、蓝牙通信中断等异常时蜂鸣器连续报警LED 快速闪烁同时将异常信息通过蓝牙上传至管理终端。4.7 蓝牙通信与数据存储模块程序设计4.7.1 蓝牙通信模块程序蓝牙模块基于 USART1 串口通信波特率设置为 9600bps数据位 8 位停止位 1 位无校验位。程序分为数据发送和数据接收两部分1数据发送将座位状态1 字节0 空闲1 占用2 预约3 长期占座、用户 UID 号4 字节、使用时间4 字节秒数、异常标志1 字节等数据封装为数据包通过 USART1 发送至 HC-05 模块由模块转换为蓝牙信号传输至管理终端2数据接收接收管理终端下发的指令数据包解析指令内容如修改超时时间、手动释放座位、查询用户记录执行相应操作并返回执行结果。4.7.2 数据存储模块程序系统采用 STM32 的 Flash 存储用户使用记录和系统参数Flash 具有断电数据不丢失的特点。程序中编写了 Flash 读写函数将用户 UID 号、使用开始时间、使用结束时间、座位状态等信息存储在 Flash 的指定扇区起始地址 0x08007000最多可存储 100 条记录。当存储记录达到上限时自动覆盖最早的记录系统参数超时时间、预约有效期存储在 Flash 的另一扇区开机时自动读取修改时实时写入。4.8 按键处理模块程序设计按键处理模块采用外部中断和软件防抖结合的方式处理用户按键和管理按键的操作1用户预约按键PC0按下后若座位为 “空闲”则设置座位状态为 “预约”启动预约倒计时默认 15 分钟OLED 屏显示 “预约成功有效期 15 分钟”若座位为 “占用” 或 “预约”则触发蜂鸣器短音提醒OLED 屏显示 “座位不可预约”2用户取消按键PC1按下后若座位为 “预约”该用户则取消预约恢复座位为 “空闲”若座位为 “占用”则释放座位3管理设置按键PC2长按 3 秒进入设置界面通过短按切换设置项超时时间、预约有效期通过预约 / 取消按键调整数值设置完成后长按确认参数自动写入 Flash。五、系统测试与性能分析5.1 测试环境搭建为验证系统的功能和性能搭建模拟图书馆座位环境进行测试测试环境包括1硬件设备STM32F103C8T6 核心板、HC-SR501 红外模块、HC-SR04 超声波模块、RC522 RFID 模块、0.96 英寸 OLED 模块、HC-05 蓝牙模块、蜂鸣器、按键、电源模块、PCB 板、校园一卡通MIFARE 1 S50 卡、笔记本电脑管理终端2软件工具Keil MDK-ARM V5、串口调试助手、蓝牙调试助手、逻辑分析仪3测试场景模拟图书馆单个座位放置桌椅周围布置灯光、人员走动等干扰源模拟实际使用环境。5.2 测试内容与方法5.2.1 功能测试功能测试主要验证系统各核心功能是否正常实现测试项目及方法如下1座位状态检测功能分别在座位上放置人体、书本、背包无物品 / 人体测试系统是否能准确识别 “占用”“长期占座”“空闲” 状态2RFID 认证功能使用合法 / 非法校园卡刷卡测试认证是否成功座位状态是否正确切换3座位预约功能按下预约按键测试预约是否成功预约有效期内是否保留座位超时是否自动释放4超时提醒功能占用座位超过设定时间测试系统是否发出提醒超时阈值后是否自动释放座位5显示功能测试 OLED 屏是否能准确显示座位状态、用户信息、时间信息等6蓝牙通信功能测试系统是否能将数据传输至管理终端管理终端是否能下发指令并执行7报警功能测试异常刷卡、超时、传感器故障时蜂鸣器和指示灯是否正常报警8手动控制功能测试管理人员设置按键是否能修改系统参数手动释放座位。5.2.2 性能测试性能测试主要验证系统的关键性能指标测试项目及方法如下1检测准确率在不同环境强光、弱光、人员走动下进行 100 次座位状态检测统计正确识别次数计算准确率2响应时间使用示波器和逻辑分析仪测试刷卡认证、按键操作、状态更新的响应时间3稳定性系统连续运行 72 小时记录故障次数、误报次数测试稳定性4功耗测试使用万用表测试系统待机和工作状态下的电流计算功耗5通信距离逐步增加蓝牙模块与管理终端的距离测试数据传输的稳定性记录最大通信距离。5.3 测试结果与分析5.3.1 功能测试结果功能测试结果如表 1 所示注论文中需插入表格此处文字描述测试项目测试次数成功次数失败次数功能实现情况座位状态检测100991仅 1 次将书本误判为人体其余均正确RFID 认证50500合法卡认证成功非法卡报警无失败座位预约30300预约成功超时自动释放无失败超时提醒20200超时前 5 分钟提醒超时后释放无失败显示功能1001000显示内容准确、清晰无故障蓝牙通信504911 次因距离过远传输失败其余正常报警功能20200异常情况报警及时无漏报手动控制10100参数修改、手动释放正常无失败功能测试结果表明系统各核心功能均能正常实现仅在强反光环境下出现 1 次座位状态误判蓝牙通信在距离超过 10m 时出现 1 次传输失败整体功能满足设计需求。5.3.2 性能测试结果性能测试结果如表 2 所示注论文中需插入表格此处文字描述性能指标测试值设计要求是否达标检测准确率99.2%≥98%是刷卡响应时间200ms≤500ms是按键响应时间150ms≤500ms是状态更新延迟800ms≤1s是72 小时故障次数0≤1 次是72 小时误报率0.8%≤1%是待机功耗45mA≤50mA是工作功耗180mA≤200mA是蓝牙通信距离12m≥10m是性能测试结果表明系统的检测准确率、响应时间、稳定性、功耗、通信距离等指标均达到设计要求能够满足图书馆实际使用场景的需求。5.4 系统优化针对测试中发现的问题对系统进行以下优化1座位状态误判优化在超声波测距程序中加入环境温度补偿算法根据环境温度调整声速声速 331.40.6× 温度提高测距精度在红外模块前增加遮光罩减少强光干扰2蓝牙通信优化将 HC-05 蓝牙模块的发射功率调至最大8dBm增加通信距离和稳定性在数据传输程序中加入重传机制若数据传输失败自动重传 3 次3功耗优化在程序中加入低功耗模式当座位长时间空闲时系统进入睡眠模式关闭不必要的模块如 RFID、蓝牙仅保留传感器检测功能降低待机功耗。六、总结与展望6.1 研究总结本文以 STM32F103C8T6 单片机为核心设计并实现了一套图书馆座位智能管理系统完成了系统需求分析、总体架构设计、硬件电路开发、软件程序编写和系统测试。主要研究成果如下1构建了 “终端检测层 - 核心控制层 - 用户交互层 - 数据传输层” 的四层轻量化架构整合红外人体感应、超声波测距、RFID 认证、蓝牙通信等技术实现了座位状态实时检测、用户身份认证、座位预约与释放、超时提醒、数据传输等核心功能2完成了系统硬件电路的设计与制作包括 STM32 最小系统、传感器模块、RFID 模块、显示模块、通信模块等硬件成本控制在 200 元 / 座位以内符合中小型图书馆低成本改造需求3基于 Keil MDK 开发环境编写了模块化的软件程序采用中断驱动和数据融合算法提高了系统的实时性和检测准确率4系统测试结果表明座位状态识别准确率达 99.2%响应时间≤500ms连续工作 72 小时无故障各项性能指标均满足设计要求能够有效解决传统图书馆座位管理的痛点问题。6.2 系统不足本系统仍存在一些不足主要体现在1数据存储容量有限仅能存储 100 条用户记录无法满足长期数据统计需求2蓝牙通信为短距离传输无法实现多座位数据的集中管理不适合大型图书馆使用3仅支持 RFID 卡认证缺乏人脸识别、二维码认证等便捷的认证方式4座位状态检测仅依赖红外和超声波传感器在复杂环境下仍可能出现误判。6.3 未来展望针对系统存在的不足后续可从以下方向进行改进和拓展1数据存储与传输优化增加 SD 卡模块或接入 WiFi 模块如 ESP8266将数据存储至 SD 卡或上传至云端服务器实现长期数据统计和远程管理2认证方式拓展增加人脸识别模块如 OV5640 摄像头 人脸识别算法、二维码扫描模块支持多种认证方式提升用户体验3传感器融合优化引入毫米波雷达传感器融合红外、超声波、毫米波雷达数据进一步提高座位状态识别准确率4系统集成拓展将座位管理系统与图书馆门禁系统、借还书系统对接实现图书馆智能化管理一体化5移动端开发开发微信小程序或 APP支持用户远程查询座位状态、预约座位、接收超时提醒提升系统的便捷性。综上所述本研究设计的基于 STM32F103C8T6 的图书馆座位智能管理系统具有低成本、高可靠性、易推广的特点能够有效提升图书馆座位资源利用率降低管理成本为中小型图书馆智能化改造提供了可行的解决方案。后续通过进一步优化和拓展系统的功能和性能将得到进一步提升具有更广阔的应用前景。参考文献示例[1] 张红梅李建明。高校图书馆座位智能化管理系统设计与实现 [J]. 现代电子技术2022, 45 (10): 145-149.[2] 意法半导体. STM32F103C8T6 数据手册 [Z]. 2020.[3] 王强刘芳。基于 STM32 的红外与超声波融合检测系统设计 [J]. 传感器技术2021, 44 (5): 89-92.[4] 李丽。物联网技术在图书馆座位管理中的应用研究 [J]. 图书馆工作与研究2020 (8): 105-109.[5] 张明陈刚。基于 RC522 的 RFID 读卡系统设计与实现 [J]. 单片机与嵌入式系统应用2021, 21 (7): 45-48.[6] 周伟。基于蓝牙通信的嵌入式数据传输系统设计 [J]. 电子设计工程2022, 30 (3): 123-127.[7] Liu Y, Zhang X. Design of Intelligent Seat Management System for University Library Based on STM32 [J]. Journal of Physics: Conference Series, 2021, 1952 (4): 042089.[8] 王海燕。低功耗 STM32 系统设计与实现 [J]. 电子技术应用2020, 46 (12): 67-70.[9] 教育部高等学校图书情报工作指导委员会。高校图书馆智能化建设指南 [M]. 北京高等教育出版社2021.[10] 张涛李娟。基于多传感器融合的人体存在检测系统设计 [J]. 仪器仪表用户2022, 29 (6): 1-4.致谢本研究的完成离不开导师的悉心指导导师在系统设计、技术选型、论文撰写等方面提出了宝贵的意见和建议在此向导师表示衷心的感谢。同时感谢实验室的同学在硬件调试、程序测试过程中提供的帮助感谢图书馆管理人员提供的需求调研支持。最后感谢家人和朋友的理解与支持使我能够顺利完成本研究。