鄧學(xué)旭，李雪松

（山東華宇工學(xué)院，山東 德州 253034）

0 引 言

如今整個(gè)社會(huì)已經(jīng)進(jìn)入了智能發(fā)展的時(shí)代，隨著AI（Artificial Intelligence）的產(chǎn)生和興起，整個(gè)社會(huì)智能化的趨勢(shì)也日漸加劇。中國(guó)鐵路局在中國(guó)各大城市鋪設(shè)鐵路，高鐵事業(yè)遍布世界各地，火車(chē)站、高鐵站等公共場(chǎng)所不斷增加。但是隨著基礎(chǔ)公共設(shè)施的不斷建設(shè)興起不僅為人類(lèi)的生活提供了便利，也為火車(chē)站、高鐵站帶來(lái)了巨大的人流量，這就增加了一些安全隱患問(wèn)題，如：偷盜、搶劫等違法行為。況且，對(duì)于一些獨(dú)自旅行的人來(lái)說(shuō)總會(huì)經(jīng)歷想去上廁所行李沒(méi)人照看或進(jìn)出一些不方便攜帶行李箱的地方的窘境。目前市面上有些類(lèi)似的產(chǎn)品是超市的儲(chǔ)物柜，但是超市中的儲(chǔ)物柜只能放置一些較小的物品，并不能放置行李箱這類(lèi)較大的物品，并且如果儲(chǔ)物柜被盜竊，物主本人不能第一時(shí)間知曉，這也導(dǎo)致此類(lèi)商品并不能起代替作用。作者是對(duì)于大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目對(duì)基于C52 單片機(jī)的智能行李箱鎖存器進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并通過(guò)APP 程序進(jìn)行設(shè)置、修改密碼，同時(shí)智能行李箱鎖存器通過(guò)APP 程序向使用者的手機(jī)發(fā)送消息，可以及時(shí)了解到自己物品的安全。

1 產(chǎn)品總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)原理

火車(chē)站臨時(shí)鎖存行李箱由硬件設(shè)施和能進(jìn)行程序控制兩大部分構(gòu)成。

有單獨(dú)的硬件模塊和相應(yīng)的電路，可以在硬件設(shè)施上實(shí)現(xiàn)特定的功能。主要包括MCU 和APP 程序：它是主操作控制核心；CPU 會(huì)發(fā)出各個(gè)工作之間的前后順序并控制各個(gè)模塊和程序；二維碼顯示部分：掃描產(chǎn)品上方的二維碼進(jìn)入APP 程序來(lái)進(jìn)行密碼開(kāi)鎖的操作；電源輸入部分：給各個(gè)單元供電并調(diào)節(jié)電壓；無(wú)線(xiàn)通信模塊：通過(guò)此模塊和手機(jī)APP進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信；壓力傳感模塊：用來(lái)判斷是否有人惡意破壞機(jī)箱和鎖具；報(bào)警電路部分：當(dāng)用戶(hù)連續(xù)輸入三次錯(cuò)誤的密碼或者有人惡意地去破壞鎖具或機(jī)箱時(shí)會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

在軟件設(shè)施上包括主部程序、系統(tǒng)初始化程序、啟動(dòng)及關(guān)閉程序、壓力傳感程序、開(kāi)關(guān)鎖定程序、延時(shí)程序和無(wú)線(xiàn)傳輸程序。如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)以APP 程序?yàn)檩d體，通過(guò)簡(jiǎn)單便攜的設(shè)置、輸入密碼操縱進(jìn)行開(kāi)關(guān)所。圍繞著C52 單片機(jī)接入了各個(gè)模塊和程序，并且在系統(tǒng)會(huì)要求用戶(hù)設(shè)置6 位數(shù)的密碼用于驗(yàn)證使用者的身份，系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件電路

這種結(jié)構(gòu)以C52 微控制器為整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行核心，通過(guò)編程應(yīng)用程序存儲(chǔ)、判斷和協(xié)調(diào)密碼所有其他模塊和程序都直接連接到微控制器，并通過(guò)其他模塊和電路連接，以滿(mǎn)足不同的使用目的并發(fā)揮不同的作用。通過(guò)手機(jī)上特定的APP程序作為顯示信息的顯示屏，待用戶(hù)用APP 軟件掃描產(chǎn)品上方的二維碼時(shí)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)不同產(chǎn)品上的二維碼定位產(chǎn)品，用戶(hù)先設(shè)置開(kāi)啟鎖具的密碼，在成功設(shè)置密碼后系統(tǒng)會(huì)將用戶(hù)設(shè)置的密碼記錄到單片機(jī)的儲(chǔ)存系統(tǒng)中，等到下次用戶(hù)來(lái)取回行李箱時(shí)APP 便會(huì)要求取貨人輸入密碼，如果正確便會(huì)打開(kāi)鎖。如果三次輸入不正確或者有人惡意破會(huì)鎖具鎖存器便會(huì)發(fā)出警報(bào)并向物主的手機(jī)發(fā)送實(shí)時(shí)信息。繼電器模擬開(kāi)關(guān)鎖的操作。通過(guò)這種方式，單個(gè)模塊和電路返回到微控制器的工作方式，工作分工清晰，這就是不同模塊相互組合，相互協(xié)調(diào)的方式，可以更加高效、敏捷地達(dá)到所需要的目的。

2.2 硬件設(shè)計(jì)

最小微控制周期：C52 微控制器在芯片上有一個(gè)ROM EPROM 芯片，可以執(zhí)行最簡(jiǎn)單和有用的微控制器系統(tǒng)。因?yàn)槠鋬?yōu)越的性能和性?xún)r(jià)比，在學(xué)生學(xué)習(xí)和一些工廠(chǎng)控制系統(tǒng)中有著十分廣泛的應(yīng)用。STC89C52 具有三個(gè)16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器以及多種功能的I/O 線(xiàn)，使用的是MCS-51 的內(nèi)部核心。在實(shí)際使用過(guò)程中，只有時(shí)鐘電路和虛構(gòu)區(qū)域，直接連接到C52 微控制器上即是最小的微控制器系統(tǒng)。單片機(jī)內(nèi)最小的系統(tǒng)的電路圖如圖3所示。

圖3 單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖

繼電器模擬鎖存電路：在臨時(shí)鎖存行李箱器系統(tǒng)中，繼電器是模擬關(guān)鎖和開(kāi)鎖的操作。電磁繼電器主要由線(xiàn)圈、鐵芯、銜鐵等構(gòu)成。觸頭系統(tǒng)是因?yàn)樗挠|點(diǎn)都接在了控制電路中，而且其本身電流非常小，所以便沒(méi)有裝設(shè)滅弧裝置。它的觸點(diǎn)通常是橋式觸點(diǎn)，有動(dòng)合和動(dòng)斷兩種觸發(fā)的形式。通過(guò)電磁效應(yīng)，即在線(xiàn)圈兩端施加一定的電壓，就會(huì)產(chǎn)生一定的電流流過(guò)線(xiàn)圈并產(chǎn)生相應(yīng)的磁場(chǎng)。同時(shí)磁場(chǎng)就會(huì)將銜鐵吸向鐵芯的方向，銜鐵的動(dòng)觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)相互吸合后，便模擬了關(guān)鎖的效果。斷電后電磁力就會(huì)消失，銜鐵將會(huì)被彈簧拉回，使得動(dòng)觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)相互釋放，便模擬了開(kāi)鎖的效果。通過(guò)這樣的吸合和釋放就能實(shí)現(xiàn)電路的連通及斷開(kāi)的目的，實(shí)現(xiàn)放置、拿出鐵鎖的作用。本設(shè)計(jì)將外接的電磁鎖作為取鎖和開(kāi)鎖操作的模擬。繼電器控制的負(fù)載電路如圖4所示。

圖4 繼電器控制模擬負(fù)載電路圖

報(bào)警電路：當(dāng)用戶(hù)連續(xù)輸入錯(cuò)誤的密碼達(dá)到三次或者鎖內(nèi)配備的壓力感應(yīng)器感應(yīng)到較大的壓力時(shí)則會(huì)進(jìn)行警告。報(bào)警電路是給使用者或者偷盜者聲音警示的作用，原理是利用C52 單片機(jī)中特定的端口來(lái)控制蜂鳴器。三極管起著推動(dòng)作用。當(dāng)單片機(jī)的特定端口處于低電平時(shí)，三極管將接通。此時(shí)蜂鳴器通電發(fā)出聲音，實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。反之則不發(fā)生。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括主部程序、系統(tǒng)初始化程序、啟動(dòng)及關(guān)閉程序、壓力傳感程序、開(kāi)關(guān)鎖定程序、延時(shí)程序、無(wú)線(xiàn)傳輸模塊和存儲(chǔ)程序。

其中主程序起著整理，調(diào)用各個(gè)程序的相互配合、相互依賴(lài)的作用。初始化程序是用來(lái)初始化APP 程序和工作系統(tǒng)的，為了使系統(tǒng)和APP 程序能夠正常的進(jìn)行工作。啟動(dòng)和關(guān)閉程序是最最基本的軟件程序，有著打開(kāi)和關(guān)閉系統(tǒng)的作用。用主程序來(lái)控制開(kāi)關(guān)鎖程序、延時(shí)程序和儲(chǔ)存程序等，使其有條不紊地正常工作。

4 理論分析及計(jì)算

電阻應(yīng)變傳感器是由電阻應(yīng)變片和彈性傳感器組成的壓力傳感器。一根長(zhǎng)度為l，其橫截面為，電阻率為，則有：

其中金屬絲的徑向應(yīng)變和軸向應(yīng)變存在著以下關(guān)系式：

式中，為金屬材料的泊松比。

由勃底特茲明經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，金屬材料的電阻率的相對(duì)變化和其體積的相對(duì)變化之間存在著下式的聯(lián)系：

式中為特定的常數(shù)，將上述的式（2）（3）一同代入式（1）中得：

其中，式中被稱(chēng)為金屬的應(yīng)變靈敏度（或靈敏系數(shù)）。電阻應(yīng)變片將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)化成電阻的變化量后卻不便于直接測(cè)量結(jié)果。通常采用電橋電路來(lái)實(shí)現(xiàn)將電阻的變化量轉(zhuǎn)換為電壓的變化量。直流電橋電路中分為單臂電橋電路、半橋差動(dòng)電路和全橋差動(dòng)電路。其中全橋差動(dòng)電路的靈敏性較高，電路圖如圖5所示。

圖5 全橋差動(dòng)電路電路圖

電橋電路一開(kāi)始處于平衡，其中====，此刻的輸出電壓為零伏。若收到壓力的話(huà)，則輸出的總電壓為下式：

單片機(jī)收到壓力傳感器傳來(lái)的電壓值，經(jīng)過(guò)和預(yù)設(shè)的電壓值相比較。若比預(yù)設(shè)的電壓值大則進(jìn)行警報(bào)，反之則不警報(bào)。

5 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析

5.1 硬件測(cè)試

系統(tǒng)的總體調(diào)試包括以下幾個(gè)方面，首先用萬(wàn)用表來(lái)測(cè)量整個(gè)系統(tǒng)和各個(gè)模塊的電路焊接情況，看看是否有短路發(fā)生或者沒(méi)有用錫絲連接好的地方或引腳，然后加以仔細(xì)糾正，校對(duì)繼電器的能否正常工作等問(wèn)題。

在測(cè)試時(shí)，用戶(hù)通過(guò)手機(jī)APP 輸入密碼，系統(tǒng)判斷密碼基本正確，有時(shí)繼電器模擬的電子鎖可能會(huì)卡住，或者彈不出來(lái)。這個(gè)問(wèn)題的反饋后續(xù)會(huì)在APP上制作一個(gè)反饋界面，并配備單獨(dú)的人工客服用來(lái)解決這類(lèi)的售后問(wèn)題。在進(jìn)行壓力大小測(cè)試時(shí)，我們采用的是砝碼來(lái)測(cè)試，通過(guò)不斷地加入砝碼的數(shù)量來(lái)達(dá)到增加壓力的目的。通過(guò)將砝碼掛在鎖具上，觀(guān)察當(dāng)?shù)竭_(dá)的所設(shè)置的臨界值時(shí)，是否會(huì)發(fā)出警報(bào)。

5.2 軟件測(cè)試

APP 程序的登錄程序，調(diào)試掃描二維碼是否能夠正常進(jìn)行登錄以及主界面的開(kāi)鎖、關(guān)鎖、設(shè)置密碼和修改密碼能否進(jìn)行正常工作；編寫(xiě)報(bào)警程序，調(diào)試蜂鳴器能否順利進(jìn)行警報(bào)；編寫(xiě)核對(duì)密碼解鎖程序，調(diào)試成功輸入密碼能否順利進(jìn)行開(kāi)鎖；編寫(xiě)密碼設(shè)置，修改以及判斷程序，若用戶(hù)忘記密碼必須用設(shè)置密碼的賬號(hào)登錄小程序來(lái)進(jìn)行重置密碼。調(diào)試能否進(jìn)行對(duì)密碼的修改以及對(duì)不同的密碼能否進(jìn)行正確的判斷。

調(diào)試各個(gè)子程序看看能否成功單獨(dú)運(yùn)行以及各個(gè)子程序之間能否正確地傳遞所需要的參數(shù)，檢驗(yàn)子程序和總程序能否實(shí)現(xiàn)預(yù)先設(shè)定的目標(biāo)。

5.3 測(cè)試結(jié)果

測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 測(cè)試結(jié)果圖

5.4 結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)了十輪的測(cè)試結(jié)果，其中出現(xiàn)一組錯(cuò)誤。我們的猜測(cè)是可能是因?yàn)槔^電器失靈或者是單片機(jī)的工作判斷失誤所引起的。經(jīng)過(guò)我們組內(nèi)技術(shù)人員的檢查，發(fā)現(xiàn)是因?yàn)檫B接繼電器模擬模塊的電路出現(xiàn)了人為性的失誤，并不是硬件或軟件所引起的問(wèn)題。但是基于此問(wèn)題，我們開(kāi)始了一段新的展望，例如：在使用過(guò)程中，也出現(xiàn)了類(lèi)似的問(wèn)題該如何解決？

經(jīng)過(guò)我們組內(nèi)成員的探討，一致決定在所設(shè)計(jì)的APP 上加入一種新的反饋功能。如果使用的鎖具出現(xiàn)了打不開(kāi)或者程序崩潰等不可抗力的原因?qū)е虏荒苷５氖褂?，可以點(diǎn)擊反饋功能，和客服聯(lián)系溝通，通過(guò)遠(yuǎn)程操控來(lái)幫助用戶(hù)解決問(wèn)題。在壓力測(cè)試方面，經(jīng)過(guò)十輪的測(cè)試，結(jié)果均沒(méi)出現(xiàn)問(wèn)題，當(dāng)電壓值大于等于所設(shè)置的閾值電壓時(shí)蜂鳴器就會(huì)發(fā)出警報(bào)進(jìn)行警示。

6 結(jié) 論

此設(shè)計(jì)可以滿(mǎn)足一個(gè)人旅行或出差時(shí)，想去上廁所或者進(jìn)出一些不方便攜帶行李箱的地方。同時(shí)本項(xiàng)目立足于“互聯(lián)網(wǎng)+”計(jì)劃，使用二維碼當(dāng)作使用APP 的工具，還順應(yīng)于共享的觀(guān)念。同時(shí)用手機(jī)APP 掃二維碼，設(shè)置密碼便可以輕易開(kāi)鎖，操作簡(jiǎn)單簡(jiǎn)便，在車(chē)站，機(jī)場(chǎng)等人流量大的地方以及社恐人士有著非常強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。特別是對(duì)于一些獨(dú)自旅游，出差等等不得不一個(gè)人外出的情況。解決人們?cè)谕獬雎糜危ぷ鲿r(shí)在車(chē)站、機(jī)場(chǎng)等地想去衛(wèi)生間行李箱卻無(wú)人照看的緊急情況。