蘭州石化職業(yè)技術大學 敖淑楠 王敏 邵璽 尤春艷

近年來，由于科技發(fā)展的逐漸成熟化，為保護學生的財產及校園公共資產安全，儲物柜逐漸在各大高校的圖書館或是實驗室大面積普及。針對傳統(tǒng)存儲設備存在的不足，本文將以STM32作為存儲設備的控制中心。在STM32系統(tǒng)的硬件和軟件上，對其進行了可行性的驗證，并對其實現(xiàn)的可能性進行了詳細的探討。

通過對傳統(tǒng)儲物柜存在的不足進行研究，本系統(tǒng)采用校園卡和上位機相結合的方式進行智能儲物柜的設計。該系統(tǒng)操作簡單、安全性高、抗干擾性強，能夠滿足高校對智能儲物柜的需求。針對儲物柜的使用，適合各高校投放使用，以來維護師生的財產安全性。

1 系統(tǒng)總體設計

智能儲物柜系統(tǒng)主要由儲物柜控制子系統(tǒng)、無線通訊子系統(tǒng)、上位機管理子系統(tǒng)組成，可與PC機、PLC等控制器通訊，實現(xiàn)智能樓宇控制系統(tǒng)的統(tǒng)一監(jiān)控[1]。下面主要詳盡地對系統(tǒng)的組成部分與功能措施進行描述。

（1）儲物柜控制子系統(tǒng)主要承擔柜內各類業(yè)務，如柜身人機交互業(yè)務、柜位狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集、柜門控制等。在存貯器的前端，通過人機對話功能，將所收集到的校園牌及各柜內的數(shù)據(jù)，通過主機的數(shù)據(jù)，由主機進行相應的數(shù)據(jù)處理。此單元在接受到指定命令后會開始執(zhí)行持續(xù)性的動作。

（2）無線通信子系統(tǒng)作為存儲設備的中間媒介，主要利用 ZigBee網(wǎng)絡網(wǎng)端和存儲柜的系統(tǒng)連接進行信息傳輸，并利用 ZigBee協(xié)同結點與主機搭建起通訊橋梁。通過 ZigBee自組網(wǎng)完成數(shù)據(jù)的傳輸效果，實現(xiàn)了整個儲物柜系統(tǒng)的全面聯(lián)網(wǎng)。

（3）上位機管理子系統(tǒng)是智能儲物柜系統(tǒng)的應用層，它可以存儲、顯示、分析、節(jié)點管理和歷史數(shù)據(jù)查詢。通過多個存儲器，可以記錄當前運行狀態(tài)和歷史運行狀態(tài)，使員工對系統(tǒng)運行狀態(tài)有一個全面的了解。同時，采用上述設備信息管理系統(tǒng)，可對各類設備的數(shù)量、質量進行控制[2]。

2 系統(tǒng)硬件設計

該系統(tǒng)的硬件部分著重于對各部件進行了詳細的硬件結構設計，實現(xiàn)了各部件之間的相應編碼，便于用戶對各部件的狀態(tài)進行實時顯示。整個產品可分為下列幾個層次，其中感知層為刷卡模塊，網(wǎng)絡層為通信芯片模塊。

2.1 主控制模塊系統(tǒng)

采用STM32F103ZET6芯片，采用ECOPACK封裝，核心是ARM32位Cortex-M3 CPU，工作頻率72MHz，1.25 DMIPS/MHz，片上集成了512KB Flash內存和64KB SRAM內存，11個定時器，13個通訊接口，112個輸入/輸出端口。

2.2 刷卡模塊系統(tǒng)

利用MFRC522MFRC522為核心，以13.56MHz為核心的無接觸讀卡芯片，實現(xiàn)了對校園卡的自動識別。它是以ISO/IEC14443 A為基礎，用于無接觸通訊領域；通訊最遠可達到5cm；產品適配ISO14443A標準協(xié)議，支持SPI、I2C、UART接口。

2.3 顯示模塊系統(tǒng)

使用12864 LCD液晶顯示屏，分辨率128×64，內嵌16×16漢字8192和128×8×8 ASCII字符，可顯示8×4線16×16的點陣漢字或圖形，組成中文圖形界面。本產品具有顯示按鍵，圖像清晰，易于識別功能。除此之外，本系統(tǒng)還具有一般的識別技術與3×3的密碼驗證功能，能夠適應各個校園對智能柜的配置訴求。支持多種接口，支持多種電視模式，支持4K視頻輸出，滿足各種校園卡的識別存取需求。此外，本系統(tǒng)還支持鍵盤快捷鍵操作，常用功能一鍵直達，方便快捷，使操作更加流暢。屏幕尺寸大、高清分辨率高、成本低、功耗低、無輻射、綠色環(huán)保。

2.4 鍵盤模塊系統(tǒng)

可在運行時提供數(shù)據(jù)記錄，采用電容式觸摸式按鍵，以AT42QT2160為核心，它可將觸控鍵與觸控滑行功能相結合，可同時控制16個獨立的觸控鍵及2～8個觸控鍵通道。此產品可使設計者在按鍵設計上具有創(chuàng)意和靈活性。針對柜內的操作使用需求，在鍵盤上設置了0～9號按鍵，并設置了“存、取、移、回退、確定”功能鍵，共計15個按鍵。

2.5 柜模塊系統(tǒng)

用于存放物品的小柜子（帶有警示燈），門鎖與存物感應裝置。該門鎖采用HY-J10型電子鎖，通過閉鎖（關閉）、啟動（12V）瞬間（小于1s）啟動開鎖，并且設有鎖定狀態(tài)輸出檢測信號，用于檢測門開關。儲物感應器采用了2個紅外探測器，分別裝在柜門和后門底部，每個紅外感應器的位置都是相對的，當柜門關上時，它會自動感應到里面有什么東西，如果有東西，它就會打開。

2.6 通信芯片模塊系統(tǒng)

用于在網(wǎng)絡傳輸中，使用無線組網(wǎng)比有線組網(wǎng)更靈活、更實用、更具擴展性，避免了因布線過多造成資源浪費。該方案是利用ZigBee的自組網(wǎng)，以無線通訊的形式進行數(shù)據(jù)傳送[3]。本系統(tǒng)中的ZigBee無線通信系統(tǒng)全部由TI公司CC2530芯片組成，CC2530在2.4G ISM頻帶上工作。采用Z-Stack技術，把采集到的資料傳送給協(xié)調者，再由串行接口傳送給PC。

2.7 藍牙模塊

為了實現(xiàn)更快的解鎖，需要將HC-06藍牙模塊加入到系統(tǒng)中，該模塊采用了主流的CRS藍牙芯片，價格低廉，體積小，并能與手機實現(xiàn)無縫連接。在正常的運行過程中，通訊距離在8m左右，手機App內置藍牙功能，一旦系統(tǒng)的設置連接成功，那么發(fā)送指定的密碼即可完成解鎖。另外，本系統(tǒng)支持鍵盤快捷鍵操作，常用功能一鍵直達，操作更加快捷，操作更加流暢。每個校內人士都有自己喜歡的開鎖方式，指紋、密碼、手環(huán)、手機App。

2.8 定位模塊

GPS模塊通過串口傳輸?shù)絀AP15F2K61S2單片機上，數(shù)據(jù)經過字節(jié)流方式傳輸，必須經過程序處理，轉換成易于理解的信息。在提取GPS模塊接收到的信息時，需要知道其傳輸幀結構，然后根據(jù)幀結構提取相應信息。無論是NEO-6 MUBLOX衛(wèi)星GPS定位的實例，其中涵蓋了幀頭、幀尾、幀內數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)的處理。幀首隨幀間的變化而變化，幀首識別幀中的資料，在每個幀中使用循環(huán)字符和換行字符。定位數(shù)據(jù)（如經緯度、時間衛(wèi)星數(shù)、海拔、大地水準面高度、差分時間等）均以“$GPGGA”作為幀頭。NEO-6MUBLOX衛(wèi)星GPS定位模塊的預設波特率是960，供電電壓是3.3～5V。其主要功能是將接收信號與發(fā)送信號分開，避免接收信號混淆。它能夠處理信息、思考、遠程監(jiān)控、優(yōu)先調度信號。

3 系統(tǒng)軟件設計

該系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)分為三大模塊：存儲柜控制子系統(tǒng)模塊、無線通信子系統(tǒng)管理模塊、上位機子系統(tǒng)管理模塊。

3.1 儲物柜控制子系統(tǒng)軟件

存貯箱的控制子系統(tǒng)，其功能是對存貯器的前端進行人機互動，并能夠對存貯器的存取步驟、操作錯誤和存貯器的狀況進行提醒。它的訪問工作過程是這樣的：當使用者在使用存儲柜時，只要在“存”或者“取”鍵上按一下，就可以從RFID讀卡器中讀出學?？ㄆ馁Y料（在提取時需要另外提供學校卡片的口令），發(fā)送到STM32F103ZET6,STM32F103ZET6又把該數(shù)據(jù)發(fā)送到PC系統(tǒng)；主機管理子系統(tǒng)根據(jù)該數(shù)據(jù)判定用戶的身份是不是合法的，在滿足“存/取”功能需求的情況下，小柜就會被開啟。

3.2 無線通信子系統(tǒng)軟件

ZigBee自組網(wǎng)使整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)的自由傳送成為現(xiàn)實：從儲物柜控制子系統(tǒng)得到的用戶信息或狀態(tài)監(jiān)測信息能及時傳給上位機管理子系統(tǒng)，上位機管理子系統(tǒng)解析數(shù)據(jù)并得出的控制信號能及時傳給儲物柜控制子系統(tǒng)。ZigBee的WAN通信系統(tǒng)是基于TI公司ZStack2007的IAR平臺，由協(xié)同節(jié)點、路由節(jié)點和終端節(jié)點三部分組成。協(xié)作結點采用ZigBee作為初始化，利用ZigBee與結點進行網(wǎng)絡通訊，并采用串行方式進行主結點與主結點的通訊[4]。

首先，通過協(xié)作軟件初始化ZigBee網(wǎng)絡，根據(jù)網(wǎng)絡分配需要訪問的網(wǎng)絡，然后將網(wǎng)絡注冊到網(wǎng)絡中。當網(wǎng)絡連接結束之后，協(xié)調人員將會進行一次活動的過程，利用主要的循環(huán)函數(shù)（添加一個結點，詢問和接受結點的集合，向每個結點發(fā)送指令），并調用對應的工作過程。在ZigBee網(wǎng)絡中，各路由器和終端將產生16位的短存儲器，用于與協(xié)同程式進行資料的交流，并將所接收的設備所采集的資料傳送至該協(xié)調員程式，之后，該指令將來自該協(xié)調員之指令。但與此同時，路由器也必須具備路由功能，它可以利用多跳的方式擴展網(wǎng)絡的覆蓋范圍，并擔負起傳輸?shù)狡渌?jié)點的工作，尋找和維護資料的路徑，并與各節(jié)點之間的通信。

3.3 上位機管理子系統(tǒng)軟件

基于智能存貯器的基本運行函數(shù)，計算機管理系統(tǒng)需要與存貯器的控制子系統(tǒng)進行高效的數(shù)據(jù)交互，并對各個存貯器的數(shù)據(jù)進行及時的處理[5]。本系統(tǒng)的主要任務是：與學?？ㄆ芾韱T進行即時通訊，對使用者的識別是否正確，并發(fā)送相關的指令，引導其工作；管理者能夠對各個小型柜的運行狀況進行實時監(jiān)測，對故障的設備進行監(jiān)測，對整體的控制與維修，并能直接利用PC機上的小型柜進行開啟；柜內的各種運行信息，如用戶信息、柜體狀態(tài)信息、使用時間、狀態(tài)信息等，都可以在計算機中進行實時的存儲和管理。當前計算機的管理系統(tǒng)主要是用 C#為開發(fā)基礎，主要包括登錄、監(jiān)控、刷卡管理、小柜狀態(tài)監(jiān)控與維護、通訊、視頻監(jiān)控、小柜操作記錄數(shù)據(jù)、管理員設置等功能。系統(tǒng)具有完善的權限管理系統(tǒng)和緩存機制，保證了系統(tǒng)的安全、高效、穩(wěn)定地運行，如圖1所示。

4 結語

綜上所述，本系統(tǒng)通過對傳統(tǒng)儲物柜的研究，將校園卡與上位機相結合，設計出智能儲物柜。在操作上系統(tǒng)的難易度較低，同時相對應的安保系統(tǒng)的設置十分嚴格，能夠對外部侵入有一定的反干擾作用，滿足儲物柜的基本要求。該系統(tǒng)的應用，將為各校內部門、社區(qū)人員提供一個快捷、高效、智能化的管理平臺，在面向師生和用戶的服務方面，已經取得了顯著的突破。同時使實驗室管理和圖書館動態(tài)訪問有了很大的進展，使校園安全管理制度得以順利實施。