河北理工大學(xué)信息學(xué)院 摘要 ix2功能與設(shè)計方案2.1系統(tǒng)的功能要求智慧高校后勤系統(tǒng)需滿足以下功能要求：(1)水資源監(jiān)測與管理功能，實時監(jiān)測水流量，檢測管道故障，遠(yuǎn)程控制水泵開關(guān)，設(shè)置用水閾值；(2)電能監(jiān)測與管理功能，統(tǒng)計用電量，檢測電路故障，遠(yuǎn)程控制電源，設(shè)置用電閾值；(3)校園安防監(jiān)控功能，通過攝像頭實時監(jiān)測校園環(huán)境，檢測異常情況，發(fā)出報警信息；(4)土壤濕度監(jiān)測與灌溉控制功能，監(jiān)測校園綠地土壤濕度，自動控制灌溉系統(tǒng)；(5)遠(yuǎn)程管理功能，通過WiFi將數(shù)據(jù)上傳云平臺，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制；(6)本地控制功能，通過按鍵和顯示屏進(jìn)行參數(shù)查看和設(shè)置；(7)故障報警功能，檢測到異常情況時觸發(fā)報警，通知維修人員。系統(tǒng)應(yīng)具備穩(wěn)定性、實時性、可擴展性和低功耗特性，保證在復(fù)雜環(huán)境中可靠運行。2.2系統(tǒng)設(shè)計方案本設(shè)計以STM32單片機為核心控制器，加上其他的模塊一起組成基于單片機的智慧高校后勤系統(tǒng)設(shè)計，其中包含中控部分、輸入部分和輸出部分。中控部分采用了STM32單片機，其主要作用是獲取輸入部分?jǐn)?shù)據(jù)，經(jīng)過內(nèi)部處理，控制輸出部分。主機輸入由三部分組成，第一部分是水流量檢測模塊，進(jìn)行水流量的檢測；第二部分是獨立按鍵，可以通過按鍵進(jìn)行報警、設(shè)置閾值等操作第三部分是供電電路，給整個主機部分供電。輸出由四部分組成，第一部分是是OLED顯示屏，顯示用水用電量、設(shè)置閾值等。第二部分繼電器控制設(shè)備輸出；第三部分是MOS管控制設(shè)備輸出；第四部分是無線模塊，數(shù)據(jù)上傳云平臺遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制。從機輸入由三部分組成，第一部分是土壤濕度檢測模塊，監(jiān)測土壤濕度；第二部分是獨立按鍵，用于切換界面，調(diào)整數(shù)值。第三部分是供電電路，負(fù)責(zé)給整個從機系統(tǒng)供電。輸出由三部分組成，第一部分是OLED屏顯示水位信息，顯示設(shè)置水位閾值；第二部分是MOS管控制設(shè)備輸出；第三部分是無線通信模塊，數(shù)據(jù)上傳手機監(jiān)測。攝像頭間隔一段時間拍照并上傳至手機端。圖2.1系統(tǒng)硬件模塊工作框圖2.3器件方案對比2.3.1單片機的選擇方案一：STM32F103STM32F103是基于ARMCortex-M3內(nèi)核的32位微控制器，主頻可達(dá)72MHz，內(nèi)置512KBFlash存儲器和64KBSRAM。該芯片提供豐富的外設(shè)接口，包括多個UART、SPI、I2C、ADC、定時器等，滿足復(fù)雜系統(tǒng)的通信和控制需求。STM32F103支持多種低功耗模式，待機電流小于2μA，適合電池供電應(yīng)用。該芯片具有高集成度、強大的處理能力和完善的開發(fā)生態(tài)，支持多種開發(fā)工具和資源庫。方案二：STC89C52STC89C52是基于8051架構(gòu)的8位微控制器，工作頻率最高可達(dá)12MHz，內(nèi)置8KBFlash存儲器和512BRAM。該芯片提供32個I/O口，一個UART接口，兩個定時器/計數(shù)器。STC89C52具有成本低、開發(fā)簡單、資源豐富等優(yōu)點，但計算能力和存儲空間有限，外設(shè)接口較少，難以支持復(fù)雜應(yīng)用。通過對比分析，本系統(tǒng)選用STM32F103作為核心控制器。STM32F103的高性能處理能力可滿足系統(tǒng)多任務(wù)并行處理需求；豐富的外設(shè)接口可連接多種傳感器和通信模塊；較大的存儲空間可容納復(fù)雜控制算法和數(shù)據(jù)記錄；低功耗特性有利于系統(tǒng)長時間穩(wěn)定運行。雖然成本較STC89C52略高，但綜合性能價格比更優(yōu)，更適合本智慧高校后勤系統(tǒng)的開發(fā)需求。2.3.2無線模塊的選型方案一：LoraLora是一種低功耗遠(yuǎn)距離無線通信技術(shù)，工作頻段為433MHz/868MHz/915MHz，通信距離可達(dá)3-5公里，數(shù)據(jù)傳輸速率為0.3-50kbps。Lora采用擴頻調(diào)制技術(shù)，具有較強的抗干擾能力和穿透性，適合復(fù)雜環(huán)境下的長距離通信。該技術(shù)功耗低，發(fā)射電流約50mA，接收電流約10mA，待機電流小于5μA。Lora主要用于點對點通信或構(gòu)建局域網(wǎng)絡(luò)，不能直接接入互聯(lián)網(wǎng)，需要額外的網(wǎng)關(guān)設(shè)備。方案二：ESP8266ESP8266是一款集成Wi-Fi功能的SoC芯片，支持IEEE802.11b/g/n協(xié)議，通信距離在開放環(huán)境下約100米，數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達(dá)72.2Mbps。ESP8266內(nèi)置32位微處理器和完整的TCP/IP協(xié)議棧，支持AP和STA兩種工作模式，可直接連接到互聯(lián)網(wǎng)。該模塊成本低，集成度高，開發(fā)資源豐富，但功耗較高，工作電流約80mA。經(jīng)過綜合考慮，本系統(tǒng)選擇ESP8266無線模塊。雖然Lora在通信距離和功耗方面具有優(yōu)勢，但ESP8266可直接接入互聯(lián)網(wǎng)，無需額外網(wǎng)關(guān)，簡化了系統(tǒng)架構(gòu)；高數(shù)據(jù)傳輸速率滿足圖像等大數(shù)據(jù)量傳輸需求；內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧降低了開發(fā)難度；完善的開發(fā)生態(tài)系統(tǒng)加速了產(chǎn)品開發(fā)周期。針對ESP8266功耗較高的缺點，通過軟件設(shè)計優(yōu)化，如采用定時喚醒機制，可有效降低平均功耗。2.3.3藍(lán)牙模塊的選型方案一：ECB02ECB02是一款基于藍(lán)牙4.2協(xié)議的BLE(BluetoothLowEnergy)模塊，采用CC2541芯片，傳輸距離可達(dá)50米，數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達(dá)1Mbps。該模塊具有超低功耗特性，發(fā)射電流約18mA，接收電流約15mA，休眠電流小于1μA，支持多種休眠模式。ECB02集成了天線、晶振和藍(lán)牙協(xié)議棧，尺寸小巧(15mm×10mm×2mm)，便于集成。該模塊提供UART接口，易于與單片機連接，支持AT指令配置，編程簡便。方案二：HC-05HC-05是一款基于藍(lán)牙2.0+EDR標(biāo)準(zhǔn)的經(jīng)典藍(lán)牙模塊，通信距離約10米，數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達(dá)2.1Mbps。HC-05工作電流約40mA，不支持低功耗模式，長期工作功耗較高。該模塊支持主從一體設(shè)計，可通過AT指令進(jìn)行配置，接口方式為串口，使用簡單。但HC-05尺寸較大，天線性能一般，不支持最新藍(lán)牙協(xié)議。經(jīng)過對比分析，本系統(tǒng)選擇ECB02藍(lán)牙模塊。ECB02基于最新的BLE技術(shù)，功耗顯著低于HC-05，適合電池供電的便攜設(shè)備；通信距離更遠(yuǎn)，滿足校園環(huán)境下的通信需求；小巧的尺寸有利于系統(tǒng)小型化設(shè)計；支持最新藍(lán)牙協(xié)議，具有更好的兼容性和擴展性。雖然ECB02成本略高于HC-05，但考慮到其綜合性能和低功耗特性帶來的長期收益，ECB02是更經(jīng)濟(jì)合理的選擇。3系統(tǒng)的硬件設(shè)計3系統(tǒng)的硬件設(shè)計3系統(tǒng)的硬件設(shè)計3.1STM32F103C8T6單片機本本系統(tǒng)以STM32F103單片機為核心控制器，集中承擔(dān)數(shù)據(jù)采集，處理，顯示和通信等功能的調(diào)度與執(zhí)行任務(wù)，采用型號為STM32F103C8T6的芯片，此芯片選用了LQFP48封裝形式，擁有512KBFlash及64KBSRAM資源，主頻可提升至72MHz，并配備多達(dá)37個GPIO接口和多樣化的外設(shè)接口，在這一設(shè)計中，單片機最小系統(tǒng)涵蓋了電源，時鐘，復(fù)位以及啟動設(shè)置電路等板塊。其中電源部分利用XC6206穩(wěn)壓芯片，將輸入電壓5V降至3.3V，并通過若干100nF去耦電容消除噪聲以確保供電的平穩(wěn)性。時鐘電路靠著外部8MHz晶振與兩個30pF電容搭建起振蕩回路，這樣單片機的主時鐘源有了依托，RTC則借助32.768kHz低速晶振得到時鐘信號，復(fù)位部分是借助10kΩ上拉電阻配合按鍵開關(guān)實現(xiàn)的，當(dāng)按下復(fù)位鍵時NRST引腳被拉低，系統(tǒng)便隨即重置，啟動配置環(huán)節(jié)利用10kΩ電阻將BOOT0和BOOT1引腳接地，這樣一來系統(tǒng)就能從主閃存開始運行。單片機引腳分配如下：PA0到PA7承擔(dān)模擬信號采集和PWM輸出控制的任務(wù)，仔細(xì)來說，PA4接到土壤濕度傳感器，PA6連著水流量傳感器，PB0，PB1與PB10各自接著三個獨立按鍵，這些按鍵旨在進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定與界面轉(zhuǎn)換，PB14和PB15分別接到OLED顯示屏的SDA和SCL引腳借此實現(xiàn)I2C通信，PA2與PA3對應(yīng)連著ESP8266無線模塊的RXD，TXD引腳，PA9與PA10則連著ECB02藍(lán)牙模塊的TXD和RXD引腳，同時PA11接到MOS管作控制輸出，PA12負(fù)責(zé)繼電器連接操控。單片機利用定時器TIM2產(chǎn)生1ms基準(zhǔn)時鐘以滿足系統(tǒng)定時任務(wù)的需求，TIM1則專注于輸出PWM信號用于控制執(zhí)行器的工作狀態(tài)，而模擬傳感器的信號通過ADC模塊進(jìn)行采集處理，整體電路設(shè)計中電源與信號的完整性成為關(guān)鍵考慮因素，通過星形拓?fù)鋪硪?guī)劃供電線路排布實現(xiàn)最優(yōu)連接效果，若干關(guān)鍵信號路徑的阻抗匹配問題亦得到特別關(guān)注，這為印制電路板帶來了更加優(yōu)異的抗干擾能力，為了提升接口耐用性通信端口增加了瞬態(tài)電壓抑制二極管作為防護(hù)模塊，顯著增強了系統(tǒng)對靜電沖擊和過壓風(fēng)險的應(yīng)對能力，在增強穩(wěn)定性的考量上增設(shè)看門狗功能有效防范代碼跑飛問題，同時也設(shè)置了掉電防護(hù)機制保障關(guān)鍵存儲數(shù)據(jù)得以安全留存。圖3.1STM32F103C8T6單片機接線情況3.2ECB02藍(lán)牙模塊ECB02藍(lán)牙模塊是實現(xiàn)近距無線通信的核心組件，基于TI的CC2541芯片設(shè)計，支持藍(lán)牙4.2BLE協(xié)議，體積僅15mm×10mm×2mm，配有內(nèi)置PCB天線，無需額外元件即可獨立運行。該模塊借助6個引腳完成功能交互：VCC接3.3V電源輸入，GND負(fù)責(zé)接地連接，TXD與RXD對應(yīng)STM32的PA10和PA9針腳，用于UART通信，通信速率為9600bps，EN控制使能，高電平激活通信模式，低電平進(jìn)入休眠狀態(tài)，STA表征狀態(tài)，配對后輸出跳轉(zhuǎn)為高電平，工作狀態(tài)下維持透傳機制，類似無線串口連接，能夠持續(xù)雙向傳輸數(shù)據(jù)，減少了開發(fā)者的復(fù)雜操作需求。ECB02模塊的初始化通過AT指令完成，像AT+NAME用于設(shè)定設(shè)備名稱，AT+MODE用來選擇工作模式，AT+BAUD可配置通信波特率，而AT+POWE則是調(diào)整發(fā)射功率的指令，這些構(gòu)成了核心的配置要素，系統(tǒng)采取中斷接收處理藍(lán)牙數(shù)據(jù)的方式，當(dāng)UART接收到數(shù)據(jù)觸發(fā)中斷時，數(shù)據(jù)會被存進(jìn)緩沖區(qū)，在中斷服務(wù)函數(shù)里進(jìn)行這一操作，之后，主程序以固定時間間隔檢查緩沖區(qū)以便進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。為了提高通信穩(wěn)定性，特別設(shè)置了數(shù)據(jù)校驗機制搭配重傳協(xié)議，并非完全依賴某單一措施來保障數(shù)據(jù)傳輸正確無誤，在確?？煽拷换サ倪^程中實現(xiàn)準(zhǔn)確傳輸目標(biāo)。模塊依托藍(lán)牙與手機應(yīng)用聯(lián)動，用于參數(shù)配置和狀態(tài)監(jiān)測，功耗方面經(jīng)過專門優(yōu)化，使得藍(lán)牙模塊能耗管理可根據(jù)需求靈活調(diào)整，通信空閑狀態(tài)下自動進(jìn)入休眠模式，并通過EN引腳適時喚醒，從而實現(xiàn)整體能耗的抑制；從PCB設(shè)計角度看，將藍(lán)牙模塊安置在板邊位置，既能降低金屬屏蔽導(dǎo)致的信號干擾，又避免布設(shè)銅皮影響天線性能，改善了無線輻射效果。圖3.2ECB02藍(lán)牙模塊3.3ESP8266無線模塊ESP8266無線模塊中的ESP-12F型號在遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸方面扮演著重要角色，其整合了2.4GHzWi-Fi功能，32位處理單元及TCP/IP協(xié)議內(nèi)核，外形精巧同時還帶有11個GPIO接口，兼容UART，SPI和I2C等主流通信方式。這套設(shè)備里ESP8266通過UART通道與STM32相連，VCC端接上3.3V電壓源且GND實現(xiàn)電氣連接，并以RXD和TXD兩端映射到STM32的PA2和PA3端口，波特率固定設(shè)定為115200bps。該模塊利用AT指令集進(jìn)行初始化配置，具體環(huán)節(jié)包括選擇STA模式（對應(yīng)命令：AT+CWMODE=1），執(zhí)行Wi-Fi關(guān)聯(lián)操作(AT+CWJAP)并填入MQTT服務(wù)器相關(guān)信息(AT+MQTTCONN)，各項功能設(shè)置有序且邏輯明確，展現(xiàn)了高集成度設(shè)計下的高效性特點。ESP8266在數(shù)據(jù)上傳與指令接收中發(fā)揮著雙重作用，就數(shù)據(jù)上傳而言，系統(tǒng)會將水電消耗和設(shè)備運行狀態(tài)等數(shù)值轉(zhuǎn)換為JSON格式，并依托MQTT協(xié)議向云端推送，基于參數(shù)波動超限或者固定時間觸發(fā)的方式有效降低對網(wǎng)絡(luò)流量的需求，在指令接收環(huán)節(jié)該模塊以追蹤特定MQTT主題為基礎(chǔ)獲取源自平臺的操作命令，其中包括更改警戒閥值或進(jìn)行開關(guān)機管理等功能實現(xiàn)也就不足為奇。通信安全領(lǐng)域，TLS加密負(fù)責(zé)守護(hù)數(shù)據(jù)傳輸，心跳包機制則盯緊與服務(wù)器的連接狀態(tài)，斷線重連的設(shè)計確保網(wǎng)絡(luò)異常狀況下自動重新連上，ESP8266因功耗偏高被系統(tǒng)揉入了功耗調(diào)控策略，像動態(tài)調(diào)整發(fā)送頻率，借助Modem-sleep模式在空閑時段削減能耗，借此把平均功耗摁在一個較合適的區(qū)間，既考量了設(shè)備穩(wěn)定性也兼顧了能源消耗的底限需求。圖3.3ESP8266無線模塊3.4OLED顯示模塊OLED顯示模塊作為人機對話的核心窗口，承擔(dān)著展現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)和配置參數(shù)的任務(wù)，此系統(tǒng)配以一款0.96英寸單色OLED屏，分辨率設(shè)為128×64像素基于SSD1306驅(qū)動芯片運行，經(jīng)由I2C接口實現(xiàn)通信功能，這需要接通的引腳共四個：電源引腳VCC得牽上3.3V，搭地端GND與接地相結(jié)，數(shù)據(jù)通信端SCL接到STM32的PB15端點上，另一個則是連接PB14的信號線SDA，與之匹配的設(shè)備位址保持為0x78，協(xié)議速度大致處在400kHz區(qū)域附近；憑借自發(fā)光這一特性頻繁躍身便攜型器材的最佳選手行列，它不帶背光源，并且由于高畫面對比度，廣目睹態(tài)勢和低耗電表現(xiàn)顯得頗為突出。程序設(shè)計采用分層架構(gòu)思路，底層交由函數(shù)負(fù)責(zé)處理一些基礎(chǔ)任務(wù)，好比初始化過程，清屏操作或者設(shè)定坐標(biāo)之類的內(nèi)容，處于中間層級的函數(shù)集中承擔(dān)基本圖形繪制工作，比如說點線矩形等圖形的操作，而高層函數(shù)則將精力偏向文字與數(shù)字顯示方面，整個系統(tǒng)會把不同類型顯示功能的函數(shù)封裝起來，囊括Oled_Init()進(jìn)行初始化工作，OLED_Clear()清空屏幕內(nèi)容，Oled_ShowString()展現(xiàn)字符串信息，OLED_ShowNum()承載數(shù)值顯示，還包括Oled_ShowCHinese()針對中文字符展示等，最終顯示效果通過多頁面結(jié)構(gòu)進(jìn)行呈現(xiàn)，憑借按鍵就可以在不同頁面間進(jìn)行切換。主界面（flag_display=0）展示用電量，水流量及報警信息等動態(tài)參數(shù)，電量設(shè)置界面（flag_display=1）用以調(diào)整電量閾值，而在水量設(shè)置界面（flag_display=2）里可校準(zhǔn)水量界限，優(yōu)化視覺呈現(xiàn)時程序選用數(shù)據(jù)刷新機制，避免頻繁全屏更新而是依據(jù)數(shù)值變化觸發(fā)刷新動作，這樣既減少閃爍又能保護(hù)OLED屏幕的壽命，同時設(shè)置了屏幕休眠策略，如果較長時間未檢測到操作則調(diào)暗亮度或關(guān)閉顯示以此延緩硬件損耗與視覺疲勞。圖3.4OLED顯示模塊3.5YF-S401型水量檢測模塊YF-S401水量檢測模塊是水資源監(jiān)測系統(tǒng)的核心傳感器，承擔(dān)著測量水流量的任務(wù)并為資源管理提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)支持，其原理基于霍爾效應(yīng)，內(nèi)部由水輪，磁鐵和霍爾元件等基本組件構(gòu)成，水流通過時推動水輪旋轉(zhuǎn)，帶動固定在水輪上的磁鐵同步轉(zhuǎn)動，霍爾元件對磁場變化響應(yīng)后輸出脈沖信號，且脈沖頻率與水速之間存在直接正比例關(guān)系，其引腳連接明確分明，VCC端接入5V供電，GND端接地線接口，而作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)狞S色信號線將脈沖信息直接對接給STM32控制器中的PA6管腳位置。YF-S401的工作壓力介于0.02MPa與0.8MPa之間，流量測量范圍覆蓋1L/min至30L/min，而工作溫度可在-25℃到80℃內(nèi)變化，其測量精度大約達(dá)±2%，脈沖特性接近450脈沖/升，信號采集憑借外部中斷方式完成，PA6設(shè)定為上升沿觸發(fā)形式，每捕捉到一個脈沖中斷服務(wù)函數(shù)便令脈沖計數(shù)器（pulse_num）增加1，Manage_function()這一函數(shù)負(fù)責(zé)水流量的運算，每間隔500ms讀取一回脈沖計數(shù)量，運用公式water_value=pulse_num/100得到流量的實際數(shù)值，并在之后將計數(shù)器清零以籌備下輪計數(shù)。該系統(tǒng)借由水流量數(shù)據(jù)實現(xiàn)了若干功能，其中包括實時呈現(xiàn)當(dāng)前水流量狀況，統(tǒng)計累計用水量，進(jìn)行水量閾值管理以及管道破裂監(jiān)測等，在水量閾值方面，通過比較當(dāng)前水量（water_value）和預(yù)設(shè)閾值（water_yu），當(dāng)water_value達(dá)到或超過water_yu時，系統(tǒng)會將water_flag調(diào)整為0并停止水泵運行，至于管道破裂監(jiān)測，則是透過對水流量變化特征的分析實現(xiàn)的，一旦識別出異常水流模式，便會把water_warn標(biāo)記設(shè)為1，從而出發(fā)聲音燈光之類的警報提示信號。為提升測量精度，系統(tǒng)引入數(shù)字濾波算法以削減脈沖信號噪聲，并配置自動校準(zhǔn)功能用以定時修正流量計算參數(shù)；模塊安裝時要求水平安放且流向需與箭頭指引相同，上游管道還得保留一段長度足夠的直管區(qū)域來保障水流的平穩(wěn)性；通過周期性的維護(hù)和校準(zhǔn)才能維系長期精準(zhǔn)的測量效果。圖3.5YF-S401型水量檢測模塊3.6土壤濕度檢測模塊土壤濕度檢測模塊的核心任務(wù)是盯緊校園綠地的土壤水分情況，為智能灌溉系統(tǒng)的決策打基礎(chǔ)，它借助電容式土壤濕度傳感器運作，這種傳感器由探針和信號轉(zhuǎn)換電路兩塊構(gòu)成，遵循電容式的機理，土壤內(nèi)的水分含量發(fā)生變化會引發(fā)介電常數(shù)值變動，這樣便導(dǎo)致傳感器內(nèi)部電容值產(chǎn)生波動，以此達(dá)成土壤濕度的數(shù)據(jù)采集工作，相比傳統(tǒng)的電阻類傳感器，此設(shè)計不僅壽命更優(yōu)也更能抵抗腐蝕，在性能上也表現(xiàn)出更多的穩(wěn)定性，整個模塊帶有一個三引腳接口，分別對應(yīng)5V電源的VCC端，接地的GND端及與STM32上的PA4腳位相接的I/O端，構(gòu)建了可迅速讀取模擬信號的一種通路。傳感器輸出電壓與土壤濕度的關(guān)系不呈線性，從約0.5V干燥到2.8V飽和狀態(tài)間波動，系統(tǒng)依靠ADC采樣提取數(shù)據(jù)，分辨率可達(dá)到10位，采用3.3V為參考電壓。圖3.6土壤濕度檢測模塊3.7攝像頭模塊攝像頭模塊在安防監(jiān)控系統(tǒng)中扮演著核心角色，承擔(dān)著校園實時監(jiān)測與異常狀況捕捉的任務(wù)，選用了OV7670攝像頭模塊，其基礎(chǔ)是OmniVision公司的OV7670圖像傳感器，分辨率達(dá)到640×480像素，幀率最高能支持30fps，感光區(qū)域大小為3.6mm×2.7mm，該模塊與STM32之間采用了DCMI接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，數(shù)據(jù)引腳D0至D7分別映射到STM32特定的IO口上，像素時鐘PCLK以及垂直同步信號VSYNC和水平參考信號HREF接入了外部中斷引腳，此外借助SCCB接口完成參數(shù)配置任務(wù)，其中SCL與SDA兩個信號線則綁定到了STM32部分預(yù)留的GPIO端口中。系統(tǒng)設(shè)計上采用DMA來傳遞圖像數(shù)據(jù)，目的是卸載CPU壓力并提升系統(tǒng)的即時反應(yīng)能力，圖像處理分為兩步走，其中STM32專攻圖像初步階段處理工作，例如執(zhí)行基本濾波任務(wù)，檢測運動和邊緣等等，而將深挖圖像復(fù)雜性的工作交給云計算資源更為強大的云端平臺完成，運用本地圖像差分來追蹤移動物體，并用Sobel算子實現(xiàn)邊緣檢測以掌握學(xué)校環(huán)境內(nèi)的動靜之別，當(dāng)探測到可疑狀態(tài)時，該裝置會攝取相應(yīng)場景的圖像并通過ESP8266把縮小版直接送到云進(jìn)行分析存查，同時會激活現(xiàn)場的告警通知功能。嵌入式系統(tǒng)因其資源受限的特性，圖像存儲常選用JPEG壓縮格式，這種選擇既緩解了空間緊張又減輕了帶寬負(fù)擔(dān)，而圖像分析中運用降采樣和ROI策略則直接提升了處理性能，攝像頭的工作模式設(shè)計靈活多樣，如連續(xù)監(jiān)控，定時抓拍以及觸發(fā)捕獲都能從容應(yīng)對各場景的需要，智能功耗管理進(jìn)一步增強其適應(yīng)性，在條件不利如弱光或無人狀況下自主降低幀率，而在關(guān)鍵點則通過提升采樣頻率達(dá)到效率和續(xù)航的平衡，鏡頭布置經(jīng)精心權(quán)衡與優(yōu)化以全面涵蓋重點區(qū)域，同時搭載防塵防水設(shè)計，無需考慮環(huán)境約束室內(nèi)外皆可應(yīng)用。圖3.7攝像頭模塊3.8電量檢測模塊電量檢測模塊專盯系統(tǒng)用電狀況，給能源管理提供數(shù)據(jù)支撐，這系統(tǒng)采用間接檢測方式，利用定時器計時并結(jié)合用電設(shè)備功率來核算用電量，系統(tǒng)里的用電設(shè)備例如水泵，照明系統(tǒng)等，經(jīng)由繼電器掌控，而繼電器狀態(tài)由STM32的PA12引腳控制，電量檢測的本質(zhì)是記錄每個設(shè)備開啟時長，再與預(yù)先設(shè)定的功率相乘得到累計用電量，定時器TIM2每1ms觸發(fā)一次中斷，在中斷服務(wù)程序里刷新時間計數(shù)器即可，設(shè)備啟用即ele_flag為1時，ele_ms計數(shù)器持續(xù)累加，當(dāng)累至1000ms時ele_sec增加一個數(shù)值，意味著設(shè)備運行了一秒，每間隔十秒鐘（ele_sec>=10）電量計數(shù)ele_value便上跳一個點位，至此電量就實現(xiàn)累積統(tǒng)計。系統(tǒng)設(shè)置了電量閾值（ele_yu），累計用電量一旦超標(biāo)，相關(guān)設(shè)備便會自動斷電，從而避免過量耗電的風(fēng)險，而OLED屏則實時顯示電量狀態(tài)，管理人員只需按下按鍵便能調(diào)整這個閾值，為了確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，系統(tǒng)加入了電量校準(zhǔn)功能，利用實際測量結(jié)果修正計算參數(shù)，電量數(shù)據(jù)按計劃傳輸?shù)皆破脚_，為能耗分析和優(yōu)化提供依據(jù)。系統(tǒng)具備電路故障檢測能力，通過監(jiān)測設(shè)備運行電流甄別異常狀況，電流檢測采用了霍爾電流傳感器，其輸出信號經(jīng)調(diào)理電路后接入STM32的ADC通道，電流波動異?；虺踩禃r，ele_warn標(biāo)志便置1觸發(fā)報警，以提醒維修人員排查問題；為提升設(shè)備安全性，系統(tǒng)還額外設(shè)計過流保護(hù)電路，當(dāng)電流觸碰危險臨界值時硬件會迅速切斷供電路徑，進(jìn)而避免設(shè)備損傷與安全事故；在數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)借助滑動窗口濾波手段消減電流傳導(dǎo)噪聲，優(yōu)化檢測效能；電量統(tǒng)計模塊具備分段計數(shù)功能，能生成每日，每周及每月用電量明細(xì)報告，便于管理人員探析用電行為規(guī)律繼而完善能效管理實施策略。圖3.8電量檢測模塊4系統(tǒng)的軟件設(shè)計4系統(tǒng)的軟件設(shè)計4系統(tǒng)的軟件設(shè)計4.1軟件介紹Keil5是ARM公司推出的集成開發(fā)環(huán)境（IDE），專為ARM架構(gòu)微控制器量身定制，堪稱嵌入式開發(fā)領(lǐng)域的主力工具之一，這款軟件集成了一整套開發(fā)工具鏈，涵蓋編輯器，編譯器，鏈接器，調(diào)試器及仿真器等多項功能模塊，免去了頻繁切換的麻煩，與許多同類產(chǎn)品相比，其強大的綜合能力和便捷操作形成了差異化亮點，尤其受到一線開發(fā)者認(rèn)可，在多平臺適配性方面，Keil5不僅表現(xiàn)出色，更支持STM32，HC32和NXP等常用ARM芯片，讓不同架構(gòu)間無縫遷移成為可能，從而勸勉嵌入式領(lǐng)域從業(yè)者們爭相投入這一生態(tài)。該軟件準(zhǔn)備了三種編譯方式：單個模塊，部分模塊和整體編譯，為開發(fā)者提供了不少彈性選擇空間，編譯產(chǎn)生的信息實時呈現(xiàn)在界面下方區(qū)域，有助于迅速抓住潛在問題線索，如果利用Keil5生成HEX文件后便能通過燒錄器直接寫進(jìn)單片機內(nèi)，這一系列步驟簡潔且高效性一目了然，系統(tǒng)軟件的基礎(chǔ)則是建立在5.28版本的Keil5MDK搭配STM32F1系標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)庫基礎(chǔ)上完成編程工作，以此完成了預(yù)定功能模塊的支持。圖4.1Keil_5軟件界面4.1.1WIFI的實現(xiàn)WIFI模塊作為系統(tǒng)遠(yuǎn)程通信的核心組件，其實現(xiàn)涵蓋硬件連接與軟件配置兩個層面。在硬件連接方面，ESP8266通過UART接口與STM32建立串行通信，RXD和TXD引腳分別連接STM32的PA2和PA3端口，波特率設(shè)置為115200bps。軟件實現(xiàn)部分主要包括模塊初始化、數(shù)據(jù)打包與發(fā)送、指令接收與解析三個環(huán)節(jié)。系統(tǒng)采用AT指令集對ESP8266進(jìn)行初始化配置，主要代碼如下：delay_ms(1000);//上電延時ESP8266_SendCmd("AT+RST","ready");//復(fù)位模塊delay_ms(1000);ESP8266_SendCmd("AT+CWMODE=1","OK");//設(shè)置STA模式delay_ms(500);ESP8266_SendCmd("AT+CWJAP=\"WIFI_SSID\",\"WIFI_PASSWORD\"","WIFIGOTIP");//連接WIFIdelay_ms(1000);ESP8266_SendCmd("AT+CIPMUX=0","OK");//單連接模式ESP8266_SendCmd("AT+MQTTUSERCFG=0,1,\"CLIENT_ID\",\"USERNAME\",\"PASSWORD\",0,0,\"\"","OK");//配置MQTT用戶ESP8266_SendCmd("AT+MQTTCONN=0,\"MQTT_SERVER\",1883,1","OK");//連接MQTT服務(wù)器ESP8266_SendCmd("AT+MQTTSUB=0,\"DEVICE/COMMAND\",1","OK");//訂閱命令主題}數(shù)據(jù)上傳采用JSON格式打包并通過MQTT協(xié)議發(fā)送，定時上傳系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)，同時接收平臺下發(fā)的控制指令：*@paramwater_value水流量值*@paramele_value用電量值*@paramwater_flag水泵狀態(tài)*@paramele_flag電器狀態(tài)*@retvalNone*/voidUploadData(floatwater_value,uint32_tele_value,uint8_twater_flag,uint8_tele_flag){charjsonBuffer[128];//構(gòu)建JSON數(shù)據(jù)包sprintf(jsonBuffer,"{\"water\":%.2f,\"electricity\":%d,\"pump\":%d,\"device\":%d}",water_value,ele_value,water_flag,ele_flag);//通過MQTT發(fā)布數(shù)據(jù)charmqttCmd[200];sprintf(mqttCmd,"AT+MQTTPUB=0,\"DEVICE/DATA\",\"%s\",1,0",jsonBuffer);ESP8266_SendCmd(mqttCmd,"OK");}接收指令部分實現(xiàn)了基于中斷的數(shù)據(jù)接收機制，通過狀態(tài)機解析MQTT消息：/***@brief處理接收到的MQTT消息*@paramNone*@retvalNone*/voidAli_MQTT_Receive(void){if(USART_RX_FLAG){USART_RX_FLAG=0;if(strstr((char*)USART_RX_BUF,"+MQTTSUBRECV:")!=NULL){//解析命令if(strstr((char*)USART_RX_BUF,"\"pump\":0")!=NULL){water_flag=0;//關(guān)閉水泵PUMP_OFF();}elseif(strstr((char*)USART_RX_BUF,"\"pump\":1")!=NULL){water_flag=1;//打開水泵PUMP_ON();}if(strstr((char*)USART_RX_BUF,"\"device\":0")!=NULL){ele_flag=0;//關(guān)閉電器DEVICE_OFF();}elseif(strstr((char*)USART_RX_BUF,"\"device\":1")!=NULL){ele_flag=1;//打開電器DEVICE_ON();}//解析閾值設(shè)置char*pWaterYu=strstr((char*)USART_RX_BUF,"\"waterYu\":");if(pWaterYu!=NULL){water_yu=atoi(pWaterYu+10);}char*pEleYu=strstr((char*)USART_RX_BUF,"\"eleYu\":");if(pEleYu!=NULL){ele_yu=atoi(pEleYu+8);}}memset(USART_RX_BUF,0,USART_REC_LEN);//清空接收緩沖區(qū)}}系統(tǒng)實現(xiàn)了斷線重連機制，通過心跳包確保長期穩(wěn)定運行。為優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)傳輸效率，采用了變頻上傳策略，即在參數(shù)穩(wěn)定時降低上傳頻率，參數(shù)波動較大時提高上傳頻率，有效降低了網(wǎng)絡(luò)帶寬占用。WIFI模塊的實現(xiàn)整合了網(wǎng)絡(luò)連接、數(shù)據(jù)傳輸與指令解析功能，構(gòu)建了系統(tǒng)與云平臺高效互聯(lián)的橋梁。4.1.2土壤濕度的采集土壤濕度采集模塊通過電容式傳感器獲取土壤水分含量，該模塊的實現(xiàn)包括硬件接口配置、ADC采樣設(shè)置與數(shù)據(jù)處理算法三個部分。硬件接口方面，傳感器輸出端接入STM32的PA4引腳，該引腳配置為ADC輸入通道。軟件實現(xiàn)采用ADC連續(xù)轉(zhuǎn)換模式，通過DMA傳輸采樣結(jié)果，減輕CPU負(fù)擔(dān)。ADC配置的核心代碼如下：*@briefADC初始化函數(shù)*@paramNone*@retvalNone*/voidADC_Config(void){GPIO_InitTypeDefGPIO_InitStructure;ADC_InitTypeDefADC_InitStructure;DMA_InitTypeDefDMA_InitStructure;//使能GPIO時鐘和ADC時鐘RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA|RCC_APB2Periph_ADC1,ENABLE);RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_DMA1,ENABLE);//配置IO口為模擬輸入GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_4;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AIN;GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);//配置DMADMA_DeInit(DMA1_Channel1);DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr=(uint32_t)&ADC1->DR;DMA_InitStructure.DMA_MemoryBaseAddr=(uint32_t)&ADC_Value;DMA_InitStructure.DMA_DIR=DMA_DIR_PeripheralSRC;DMA_InitStructure.DMA_BufferSize=1;DMA_InitStructure.DMA_PeripheralInc=DMA_PeripheralInc_Disable;DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc=DMA_MemoryInc_Disable;DMA_InitStructure.DMA_PeripheralDataSize=DMA_PeripheralDataSize_HalfWord;DMA_InitStructure.DMA_MemoryDataSize=DMA_MemoryDataSize_HalfWord;DMA_InitStructure.DMA_Mode=DMA_Mode_Circular;DMA_InitStructure.DMA_Priority=DMA_Priority_High;DMA_InitStructure.DMA_M2M=DMA_M2M_Disable;DMA_Init(DMA1_Channel1,&DMA_InitStructure);DMA_Cmd(DMA1_Channel1,ENABLE);//配置ADCADC_InitStructure.ADC_Mode=ADC_Mode_Independent;ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode=DISABLE;ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode=ENABLE;ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv=ADC_ExternalTrigConv_None;ADC_InitStructure.ADC_DataAlign=ADC_DataAlign_Right;ADC_InitStructure.ADC_NbrOfChannel=1;ADC_Init(ADC1,&ADC_InitStructure);//配置ADC通道、采樣時間ADC_RegularChannelConfig(ADC1,ADC_Channel_4,1,ADC_SampleTime_239Cycles5);//使能ADC的DMAADC_DMACmd(ADC1,ENABLE);//使能ADCADC_Cmd(ADC1,ENABLE);//ADC校準(zhǔn)ADC_ResetCalibration(ADC1);while(ADC_GetResetCalibrationStatus(ADC1));ADC_StartCalibration(ADC1);while(ADC_GetCalibrationStatus(ADC1));//啟動ADC轉(zhuǎn)換ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1,ENABLE);}土壤濕度數(shù)據(jù)采集函數(shù)實現(xiàn)了原始ADC值的轉(zhuǎn)換與濾波處理：*@brief獲取土壤濕度*@paramNone*@retval濕度百分比(0-100)*/uint8_tGet_Soil_Moisture(void){staticuint16_tsoilFilter[10]={0};//濾波數(shù)組staticuint8_tfilterIndex=0;//濾波索引uint32_tsum=0;uint8_ti;uint16_tadcValue;uint8_tmoisture;//獲取當(dāng)前ADC值adcValue=ADC_Value;//滑動窗口濾波soilFilter[filterIndex]=adcValue;filterIndex=(filterIndex+1)%10;for(i=0;i<10;i++){sum+=soilFilter[i];}adcValue=sum/10;//轉(zhuǎn)換為濕度百分比//根據(jù)傳感器特性，ADC值范圍約為：干燥時約600，濕潤時約2800if(adcValue<600)moisture=0;elseif(adcValue>2800)moisture=100;elsemoisture=(uint8_t)((adcValue-600)*100/2200);returnmoisture;}系統(tǒng)基于土壤濕度值實現(xiàn)智能灌溉控制功能，當(dāng)濕度低于設(shè)定閾值時自動啟動灌溉系統(tǒng)：*@brief智能灌溉控制函數(shù)*@paramNone*@retvalNone*/voidIrrigation_Control(void){uint8_tsoilMoisture;//獲取當(dāng)前土壤濕度soilMoisture=Get_Soil_Moisture();//顯示當(dāng)前濕度值if(flag_display==3)//土壤濕度顯示頁面{OLED_ShowNum(40,2,soilMoisture,3,16);OLED_ShowString(70,2,"%",16);}//智能灌溉控制if(soilMoisture<soil_threshold)//低于閾值，啟動灌溉{if(irrigation_flag==0){irrigation_flag=1;IRRIGATION_ON();//記錄灌溉啟動時間irrigation_start_time=ele_sec;}}elseif(soilMoisture>soil_threshold+10)//高于閾值+10%，停止灌溉{if(irrigation_flag==1){irrigation_flag=0;IRRIGATION_OFF();}}//防止長時間灌溉（超過10分鐘自動停止）if(irrigation_flag==1&&(ele_sec-irrigation_start_time>600)){irrigation_flag=0;IRRIGATION_OFF();}}土壤濕度采集系統(tǒng)采用了分層設(shè)計結(jié)構(gòu)，底層實現(xiàn)硬件初始化與數(shù)據(jù)采集，中層完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與處理，上層實現(xiàn)控制邏輯與顯示功能。為提高系統(tǒng)可靠性，采用了多重濾波算法消除傳感器噪聲，并設(shè)計了開機自校準(zhǔn)功能，自動適應(yīng)不同土壤類型。此外，系統(tǒng)還實現(xiàn)了防卡死保護(hù)機制，避免灌溉系統(tǒng)長時間運行造成資源浪費。在實際部署中，土壤濕度閾值可根據(jù)不同植物需求進(jìn)行調(diào)整，也可基于季節(jié)變化自動調(diào)節(jié)，為校園綠化管理提供了科學(xué)依據(jù)和智能支持，有效提升了水資源利用效率。4.2軟件程序的設(shè)計4.2.1主程序流程圖圖4.2系統(tǒng)邏輯流程圖系統(tǒng)的主流程圖如圖4.2所示，系統(tǒng)主程序采用順序結(jié)構(gòu)搭建，分為初始化和主循環(huán)兩大部分，初始化專注各模塊的設(shè)置工作，例如GPIO，定時器，UART，OLED還有WiFi模塊等環(huán)節(jié)的配置，轉(zhuǎn)入主循環(huán)后便依次觸發(fā)四大核心功能函數(shù)：按鍵函數(shù)Key_function針對用戶輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，依據(jù)按鍵數(shù)值完成界面切換或參數(shù)調(diào)整等功能；顯示函數(shù)Display_function根據(jù)當(dāng)前界面標(biāo)識情況呈現(xiàn)對應(yīng)內(nèi)容，包括用電量，水流量以及報警信息之類的各項數(shù)據(jù)；處理函數(shù)Manage_function定時每500ms采集水流量一次，行使用電管理職責(zé)操控水泵與電路開關(guān)的情形；WIFI接收函數(shù)Ali_MQTT_Recevie負(fù)責(zé)捕獲來自云平臺的操作指令，并同步上傳系統(tǒng)的運行狀態(tài)。系統(tǒng)利用定時器中斷進(jìn)行時間控制，通過外部中斷處理水流量脈沖計數(shù)，并借助串口中斷實現(xiàn)通信數(shù)據(jù)接收。4.2.2主機處理子程序流程介紹圖4.3主機處理子程序流程圖每500ms獲取一次水溫和電力值并根據(jù)這兩者的標(biāo)志位狀態(tài)來決定是否開啟和關(guān)閉水泵和電器的繼電器以及通過WIFI模塊將數(shù)據(jù)上傳云平臺進(jìn)行遠(yuǎn)程操控。4.2.3從機處理子程序流程介紹圖4.4從機處理子程序流程圖在該函數(shù)中，當(dāng)水位小于水位閾值時繼電器打開，當(dāng)水位大于水位閾值時，繼電器關(guān)閉。5系統(tǒng)的測試5系統(tǒng)的測試5系統(tǒng)的測試5.1軟硬件調(diào)試智慧高校后勤系統(tǒng)調(diào)試流程大致可歸結(jié)為三大環(huán)節(jié)：硬件，軟件及系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，硬件部分少不了萬用表與示波器，它們登場時用來細(xì)究電源電路輸出電壓的穩(wěn)定性，同時核驗芯片供電電壓是否達(dá)標(biāo)，測量晶振頻率與波形以確認(rèn)時鐘信號質(zhì)量，檢查通信接口信號時序以便筑牢模塊間通信基礎(chǔ)。至于單元測試，則要求對諸多模塊逐一過篩子般地檢視，例如OLED顯示模塊要通過投射特定圖案文字測試顯示表現(xiàn)，水流量檢測需采用標(biāo)準(zhǔn)流量源校準(zhǔn)脈沖與流量的關(guān)系，電量檢測借助已知功率負(fù)載驗證計算結(jié)果的可靠度，無線通信模塊聚焦在評判網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)態(tài)與數(shù)據(jù)傳遞成效方面邁進(jìn)，藍(lán)牙模塊還需檢驗其與移動設(shè)備的對接以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ苁欠駮惩o阻。軟件調(diào)試階段運用模塊化測試方式，逐項檢查功能正常與否，按鍵處理函數(shù)鎖定在按鍵反饋與執(zhí)行結(jié)果方面，顯示函數(shù)則傾向界面轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)刷新效率的測試，而處理函數(shù)側(cè)重閾值調(diào)整和報警邏輯校驗，通信函數(shù)拿捏數(shù)據(jù)交互與協(xié)議解釋的能力，調(diào)試時發(fā)現(xiàn)并修復(fù)了一類重要的小問題，像定時器中斷偶爾丟失后來修改了優(yōu)先級也就捋順了路徑，并把MQTT消息錯誤修正