基于STM32单片机-Node-RED智能学习桌设计与实现

摘 要：近年来，我国青少年群体中存在的不良习惯对他们的视力健康和身体发育造成了严重的危害，这些危害不仅会给他们的学习和生活带来不便，还会影响他们对世界的认知。因此，设计了一款能够根据使用者身高调节高度的智能学习书桌。系统的硬件开发板由STM32F103RCT6单片机、电容触摸按键、LCD液晶显示屏、环境监测模块、PWM调光灯照明模块、高度调节电机模块、语音助手模块以及ESP8266通信模组等组成，采用Node-RED程序对硬件开发板进行开发，采用C/S通信模式实现双向通信。系统根据周围环境数据，通过软件调节灯光的亮度；当学生坐姿不正确时，提醒坐姿错误；同时，加装液晶显示屏，可以显示时间、日期，并提供语音助手，实现对书桌照明和高度的智能控制。总体来说，设计的智能学习桌可以满足青少年的个性化、精准化使用需求，为他们提供更好的学习环境。

关键词：STM32F103RCT6；LCD液晶显示屏；PWM调光灯；ESP8266通信模组；Node-RED；C/S通信模式

中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2025）04-00-03

0 引 言

近年来，我国青少年群体中存在的不良习惯对他们的视力健康和身体发育造成了严重的危害。例如，不正确的读写姿势、不合适的光照条件成为导致学生视力下降的主要因素[1-2]；不正确的读写姿势使学生脊柱和颈椎发生形变。这些危害不仅会给他们的学习和生活带来不便，还会影响他们对世界的认知[3]。

目前，传统的学习桌已无法满足青少年的个性化、精准化使用需求，本文将智能科技与学习桌相结合，设计了一款能够根据使用者身高调节高度的智能学习书桌[4-5]，以领先的智能硬件和软件为青少年提供更好的学习环境。

1 系统设计

在分析青少年实际需求后，对系统进行设计，如图1所示。该系统分为软件程序与硬件设施。软件程序即智能学习桌控制中心，包括电脑端网页控制及手机端软件控制。硬件设施即无线智能学习桌，包括主控芯片、语音助手模块、坐姿报警模块、照明模块、液晶显示模块、风扇模块、学习桌高度调节模块以及环境监测模块。

2 系统硬件设计

主控芯片在整体设计中占据重要地位，起到了对其余各模块的控制作用。它控制各模块的运行，并且将各模块的功能集成后，实现系统各模块间的协同工作[6]。主控芯片采用STM32F103RCT6单片机，配套外部高速晶振、BOOT电路与复位电路。系统带有虚拟串口ST-LINK下载器，能够实现一键供电、下载、串口通信[7]。

通信模组型号为ESP-12F，即WiFi模块。该模块在较小尺寸封装中集成了业界领先的TensilicaL106超低功耗32位微型MCU，型号为ESP8266。其硬件接口电路如图2所示。

语音助手模块是针对低成本离线语音应用方案开发的一款通用、便携、低功耗、高性能的语音识别芯片，采用了第3代语音识别技术，支持DNN/TDNN/RNN等神经网络及卷积运算，具备语音识别、声纹识别、语音增强、语音检测等功能。该语音助手在ASRPRO基础开发板上集成了下载芯片，利用一根Type-C线便可下载程序，并且开发板上有自动断电电路，可以实现一键下载。该语音助手使用串口自动发送十六进制数据，实现了串口输出十六进制数据的功能[8]。语音助手模块硬件接口电路如图3所示。

音乐音响模块的主要构件为蜂鸣器喇叭，通过召唤语音助手或者电脑端/手机端智能开启音响播放音乐。

坐姿报警模块由电容触摸按键组成。将此模块放置于智能书桌的合适位置，当坐姿不良时将触碰到该按键，即发出不良坐姿警报，提醒使用者更换正确坐姿。

照明模块的功能借助PWM调光灯实现。其根据室内光线的强弱，通过语音助手选择是否开灯，并当使用电脑/手机访问时，可以查看环境监测模块数据，调节灯光的亮度，使灯光保持最佳亮度[9]。

液晶显示模块选用LCD1602，其可显示该智能书桌的当前日期、时间及语音助手提示。

高度调节模块由步进电机、伺服电机等组成。通过电力驱动装置对系统进行高度调节，还可通过召唤语音助手，调整书桌桌面高度，让使用者可以以一个舒适的坐姿使用书桌，减少了因坐姿不规范导致的眼部、颈部、腰部等健康问题。调节桌面角度，可以满足青少年书写、阅读、绘画等需求。

环境监测模块由各类传感器构成，包括感湿式探测器（电位器）、感温式探测器（AHT21）、感光式探测器（GL5528）、可燃气体火灾探测器（MQ-2），其中传感器数据会在电脑端/手机端界面显示。

风扇模块使用继电器控制。根据环境监测模块的数据，决定是否通过召唤语音助手打开风扇。

3 系统网络设计

3.1 通信协议

硬件模块双向通信协议见表1，传感器双向通信协议见表2。

3.2 C/S通信模式

通信流程如下所示：

（1）服务器端首先启动监听程序，监听指定的端口，等待接收客户端的连接请求[10]。

（2）启动客户端程序，请求连接服务器的指定端口。

（3）服务器收到客户端的连接请求后与客户端建立套接字（Socket）连接[11]。

（4）连接成功后，客户端的输入流连接到服务器端的输出流，服务器的输入流连接到客户端的输出流，由此进行双向通信。

（5）通信完毕后，客户端与服务器端两边各自断开连接。

（6）客户端为连接的请求方。在未建立连接之前，客户端必须知道服务器的地址才能发送请求，而服务器无需知道客户端的地址；建立连接后，服务器能够得到客户端的地址。

4 Node-RED程序设计

系统软件程序采用Node-RED。作为一种编程工具，其可将硬件设备、API和在线服务聚合。它提供了一个基于浏览器的编辑器，可以轻松组合调色板中各式各样的节点连线，然后一键部署运行。Node-RED是一种基于流程的可视化编程开发工具，最初由IBM开发，用于将硬件设备、API和在线服务连接、聚合，是物联网的一部分[12]。

4.1 电脑端界面设计

电脑端界面如图4所示。在该界面可调节灯光亮度，打开风扇及音乐音响，并且可观察环境监测模块传感器采集的数据以便进行智能调节。

4.2 数据流设计

系统的数据流设计如图5所示。使用TCP in节点收到数据后，首先对数据进行分流。根据通信协议，数据帧头的0xA5代表命令的响应，0xB5代表周期性汇报的传感器数据。然后对数据进行判断，根据通信协议选出风扇与音乐设备，并设定风扇模块、音乐音响的执行状态，分别用仪表板的switch节点显示。最后拼接数据命令，通过拨动风扇模块、音乐音响的switch按钮，或者滑动照明灯的滑块，产生新的数据流。新产生的数据流只包含一种执行设备的动作，而一条控制语句需要包含三种执行设备的动作，因此要使用全局变量或者上下文记录另外两种执行设备的状态，并按照通信协议对控制命令进行拼接。

5 结 语

本文设计的智能学习桌基于物联网技术，使用语音助手对硬件设备进行智能控制，并且基于Node-RED对程序进行设计，实现了控制的线上智能化。该书桌的主要特点是可根据周围环境的明亮程度，通过软件调节灯光的亮度；当青少年坐姿不正确时，提醒其改正错误坐姿；同时，加装液晶显示屏，可以显示时间、日期，并提供语音助手提示，实现对书桌照明和高度的智能控制。智能学习桌发展前景广阔，为现代教育带来了许多创新和改进。随着技术的不断进步以及技术应用的深入推广，未来智能学习桌的功能和性能将不断提升，为青少年提供更好的学习帮助和体验。

参考文献

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