智慧校園中基于校園卡的智能儲物柜設(shè)計(jì)*

蘭州石化職業(yè)技術(shù)大學(xué) 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(hù)學(xué)生的財(cái)產(chǎn)及校園公共資產(chǎn)安全，儲物柜逐漸在各大高校的圖書館或是實(shí)驗(yàn)室大面積普及。針對傳統(tǒng)存儲設(shè)備存在的不足，本文將以STM32作為存儲設(shè)備的控制中心。在STM32系統(tǒng)的硬件和軟件上，對其進(jìn)行了可行性的驗(yàn)證，并對其實(shí)現(xiàn)的可能性進(jìn)行了詳細(xì)的探討。

通過對傳統(tǒng)儲物柜存在的不足進(jìn)行研究，本系統(tǒng)采用校園卡和上位機(jī)相結(jié)合的方式進(jìn)行智能儲物柜的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)操作簡單、安全性高、抗干擾性強(qiáng)，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(hù)師生的財(cái)產(chǎn)安全性。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

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(jī)管理子系統(tǒng)組成，可與PC機(jī)、PLC等控制器通訊，實(shí)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(jìn)行描述。

（1）儲物柜控制子系統(tǒng)主要承擔(dān)柜內(nèi)各類業(yè)務(wù)，如柜身人機(jī)交互業(yè)務(wù)、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(jī)對話功能，將所收集到的校園牌及各柜內(nèi)的數(shù)據(jù)，通過主機(jī)的數(shù)據(jù)，由主機(jī)進(jìn)行相應(yīng)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(shè)備的中間媒介，主要利用 ZigBee網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)端和存儲柜的系統(tǒng)連接進(jìn)行信息傳輸，并利用 ZigBee協(xié)同結(jié)點(diǎn)與主機(jī)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(shí)現(xiàn)了整個儲物柜系統(tǒng)的全面聯(lián)網(wǎng)。

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

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的硬件部分著重于對各部件進(jìn)行了詳細(xì)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了各部件之間的相應(yīng)編碼，便于用戶對各部件的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時顯示。整個產(chǎn)品可分為下列幾個層次，其中感知層為刷卡模塊，網(wǎng)絡(luò)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(nèi)存和64KB SRAM內(nèi)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(shí)現(xiàn)了對校園卡的自動識別。它是以ISO/IEC14443 A為基礎(chǔ)，用于無接觸通訊領(lǐng)域；通訊最遠(yuǎn)可達(dá)到5cm；產(chǎn)品適配ISO14443A標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)嵌16×16漢字8192和128×8×8 ASCII字符，可顯示8×4線16×16的點(diǎn)陣漢字或圖形，組成中文圖形界面。本產(chǎn)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(shù)與3×3的密碼驗(yàn)證功能，能夠適應(yīng)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(dá)，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(yùn)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(jié)合，可同時控制16個獨(dú)立的觸控鍵及2～8個觸控鍵通道。此產(chǎn)品可使設(shè)計(jì)者在按鍵設(shè)計(jì)上具有創(chuàng)意和靈活性。針對柜內(nèi)的操作使用需求，在鍵盤上設(shè)置了0～9號按鍵，并設(shè)置了“存、取、移、回退、確定”功能鍵，共計(jì)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(yīng)裝置。該門鎖采用HY-J10型電子鎖，通過閉鎖（關(guān)閉）、啟動（12V）瞬間（小于1s）啟動開鎖，并且設(shè)有鎖定狀態(tài)輸出檢測信號，用于檢測門開關(guān)。儲物感應(yīng)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(yīng)器的位置都是相對的，當(dāng)柜門關(guān)上時，它會自動感應(yīng)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(luò)傳輸中，使用無線組網(wǎng)比有線組網(wǎng)更靈活、更實(shí)用、更具擴(kuò)展性，避免了因布線過多造成資源浪費(fèi)。該方案是利用ZigBee的自組網(wǎng)，以無線通訊的形式進(jìn)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(shù)，把采集到的資料傳送給協(xié)調(diào)者，再由串行接口傳送給PC。

2.7 藍(lán)牙模塊

為了實(shí)現(xiàn)更快的解鎖，需要將HC-06藍(lán)牙模塊加入到系統(tǒng)中，該模塊采用了主流的CRS藍(lán)牙芯片，價格低廉，體積小，并能與手機(jī)實(shí)現(xiàn)無縫連接。在正常的運(yùn)行過程中，通訊距離在8m左右，手機(jī)App內(nèi)置藍(lán)牙功能，一旦系統(tǒng)的設(shè)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(dá)，操作更加快捷，操作更加流暢。每個校內(nèi)人士都有自己喜歡的開鎖方式，指紋、密碼、手環(huán)、手機(jī)App。

2.8 定位模塊

GPS模塊通過串口傳輸?shù)絀AP15F2K61S2單片機(jī)上，數(shù)據(jù)經(jīng)過字節(jié)流方式傳輸，必須經(jīng)過程序處理，轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)，然后根據(jù)幀結(jié)構(gòu)提取相應(yīng)信息。無論是NEO-6 MUBLOX衛(wèi)星GPS定位的實(shí)例，其中涵蓋了幀頭、幀尾、幀內(nèi)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(jīng)緯度、時間衛(wèi)星數(shù)、海拔、大地水準(zhǔn)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(yù)設(shè)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(yuǎn)程監(jiān)控、優(yōu)先調(diào)度信號。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的硬件實(shí)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(jī)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(jìn)行人機(jī)互動，并能夠?qū)Υ尜A器的存取步驟、操作錯誤和存貯器的狀況進(jìn)行提醒。它的訪問工作過程是這樣的：當(dāng)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(xué)校卡片的資料（在提取時需要另外提供學(xué)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(jī)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(shí)：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(jī)管理子系統(tǒng)，上位機(jī)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(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)三部分組成。協(xié)作結(jié)點(diǎn)采用ZigBee作為初始化，利用ZigBee與結(jié)點(diǎn)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通訊，并采用串行方式進(jìn)行主結(jié)點(diǎn)與主結(jié)點(diǎn)的通訊[4]。

首先，通過協(xié)作軟件初始化ZigBee網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)分配需要訪問的網(wǎng)絡(luò)，然后將網(wǎng)絡(luò)注冊到網(wǎng)絡(luò)中。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)連接結(jié)束之后，協(xié)調(diào)人員將會進(jìn)行一次活動的過程，利用主要的循環(huán)函數(shù)（添加一個結(jié)點(diǎn)，詢問和接受結(jié)點(diǎn)的集合，向每個結(jié)點(diǎn)發(fā)送指令），并調(diào)用對應(yīng)的工作過程。在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，各路由器和終端將產(chǎn)生16位的短存儲器，用于與協(xié)同程式進(jìn)行資料的交流，并將所接收的設(shè)備所采集的資料傳送至該協(xié)調(diào)員程式，之后，該指令將來自該協(xié)調(diào)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(kuò)展網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，并擔(dān)負(fù)起傳輸?shù)狡渌?jié)點(diǎn)的工作，尋找和維護(hù)資料的路徑，并與各節(jié)點(diǎn)之間的通信。

3.3 上位機(jī)管理子系統(tǒng)軟件

基于智能存貯器的基本運(yùn)行函數(shù)，計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)需要與存貯器的控制子系統(tǒng)進(jìn)行高效的數(shù)據(jù)交互，并對各個存貯器的數(shù)據(jù)進(jìn)行及時的處理[5]。本系統(tǒng)的主要任務(wù)是：與學(xué)校卡片管理員進(jìn)行即時通訊，對使用者的識別是否正確，并發(fā)送相關(guān)的指令，引導(dǎo)其工作；管理者能夠?qū)Ω鱾€小型柜的運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，對故障的設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測，對整體的控制與維修，并能直接利用PC機(jī)上的小型柜進(jìn)行開啟；柜內(nèi)的各種運(yùn)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(jì)算機(jī)中進(jìn)行實(shí)時的存儲和管理。當(dāng)前計(jì)算機(jī)的管理系統(tǒng)主要是用 C#為開發(fā)基礎(chǔ)，主要包括登錄、監(jiān)控、刷卡管理、小柜狀態(tài)監(jiān)控與維護(hù)、通訊、視頻監(jiān)控、小柜操作記錄數(shù)據(jù)、管理員設(shè)置等功能。系統(tǒng)具有完善的權(quán)限管理系統(tǒng)和緩存機(jī)制，保證了系統(tǒng)的安全、高效、穩(wěn)定地運(yùn)行，如圖1所示。

4 結(jié)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(jī)相結(jié)合，設(shè)計(jì)出智能儲物柜。在操作上系統(tǒng)的難易度較低，同時相對應(yīng)的安保系統(tǒng)的設(shè)置十分嚴(yán)格，能夠?qū)ν獠壳秩胗幸欢ǖ姆锤蓴_作用，滿足儲物柜的基本要求。該系統(tǒng)的應(yīng)用，將為各校內(nèi)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(wù)方面，已經(jīng)取得了顯著的突破。同時使實(shí)驗(yàn)室管理和圖書館動態(tài)訪問有了很大的進(jìn)展，使校園安全管理制度得以順利實(shí)施。