基于STM32F103C8T6的雨傘智能管理系統設計

龔雅慶，張林成

（湖南城市學院 信息與電子工程學院，湖南益陽， 413000）

0 前言

智能雨傘管理系統是一種新型的高新技術綜合體，他的出現彌補了當前服務行業特別是物品管理方向的一大空缺。目前國內外對于雨傘管理的研究較少，但是在國家創新創業的號召下與相關科研單位的支持下，近幾年該方向還是得到了一定的發展。文獻[1]提出了一種雨傘脫水機，是通過把濕的雨傘倒在輻條型的內桶里， 再使用電機帶動內桶做高速旋轉運動， 使雨傘產生離心力， 從而實現雨傘的脫水。文獻[2]中提出了在甩干的基礎上增加烘干的功能，進一步增強了雨傘烘干的效率。文獻[3]提出了一種新型的雨傘烘干裝置，該裝置能夠讓雨傘在不打開的情況下得到有效的烘干，極大地提高了雨傘烘干機的實用性。文獻[4]提出了一種基于STM32與FPGA的智能儲物柜，該系統具有架構簡潔、響應快速、智能高效等特點，具有較高的實用價值。但對于人流密集場所，密碼存取的儲物柜容易造成擁堵、存取憑證不夠可靠、存取憑證難以保存與記憶、操作復雜的情況文獻[5]采用人臉識別技術代替了普通的密碼存取，極大地提高了存取效率與安全性。文獻[6]、文獻[7]使用STM32單片機來實現人臉識別的操作，該單片機處理方式高效、性能穩定、在一定程度上降低了部分的成本。

本文設計了一種基于STM32F103C8T6單片機的雨傘智能管理系統，無需人為的管理就能實現密碼存取，智能風干，溫濕度檢測等功能；此外，人臉識別成了當下智能設備的一大發展趨勢，通過人臉識別來控制開鎖，不但給日常生活帶來更大的便利，還能有效地避免用戶因為忘記密碼而導致取傘失敗的情況發生。因此，研究帶人臉識別功能的雨傘管理系統具有廣闊的市場價值，更適合當下快節奏的生活方式。

1 整體設計方案

本設計采用32位微控制器STM32F103C8T6作為整個設計系統的主控芯片，它是整個設計系統的執行控制單元，并負責全程的數據處理、分析。本設計的總體框架由STM32單片機為核心，以4×4按鍵矩陣為輸入鍵盤，實現“存”“取”按鍵與密碼輸入的功能。溫濕度檢測模塊負責來檢查雨傘表面的溫濕度并將溫濕度的信息傳輸到STM32單片機，由單片機來決定是否需要采取烘干操作，液晶顯示模塊用來顯示當前雨傘表面的溫度與濕度并且在存傘的操作時顯示存取密碼，紅外報警模塊負責檢測在“取”傘操作完成前，雨傘是否被強行取走，如果檢測到傘被強行取走，則會觸發蜂鳴器報警，人臉識別模塊負責實現人臉開鎖的功能。

2 硬件設計

如圖1所示系統硬件部分由核心控制模塊、報警模塊、溫濕度檢測模塊、按鍵模塊、存取模塊、風機模塊、液晶顯示模塊、人臉識別模塊等模塊組成。其中人臉識別模塊由K210芯片和外圍電路組成。部分模塊相關說明如下。

圖1 硬件系統設計圖

(1)核心控制模塊

單片機是整個設計系統的核心，本設計采用的是STM32F103C8T6微控制器，它控制著整個系統的運行，核心控制模塊除主控芯片外，還包括電源電路等外圍電路，其中STM32F103C8T6核心板，負責接收按鍵模塊、溫濕度檢測模塊、人臉識別模塊與存取模塊的信號輸入，并同時輸出信號給OLED液晶屏，讓OLED液晶屏實時顯示溫濕度檢測模塊測量到的溫濕度信息，并判斷是否需要啟用風機模塊，是否要啟動報警模塊以及是否要開鎖。

(2)溫濕度檢測模塊

本設計采用一個DHT11作為溫濕度檢測設備。在實際操作中將該傳感器的VDD端接至STM32芯片的18號（5V）引腳，用于給DHT11供電。DHT11的DAT端與STM32核心板上的38號（3V3）端口相連，使得傳感器能夠將采集到的溫濕度的數據傳送到STM32F103C8T6核心板中，并由核心板來決定是否需要打開熱源或者打開風機。

(3)人臉識別模塊

人臉識別模塊主要采用K210芯片來設計與實現，通過STM32F103C8T6來協調舵機與K210開發板的輸入輸出，在存傘的操作完成前，用戶可以選擇使用人臉識別模塊來錄入自己的人臉信息，系統在接收到“需要錄入人臉信息”的信號之后，會由攝像頭模塊開始學習人臉特征，并保存在K210芯片當中，在進行的取傘操作時通過攝像頭再次掃描自己的人臉信息，隨后與系統內保存的人臉信息進行比較，當人臉信息的數據擬合度達到70%時則判定為本人，此時單片機將會控制舵機偏轉開鎖。

(4)顯示模塊

本設計采用OLED12864液晶顯示屏行溫度、濕度數據與密碼的顯示，OLED12864是一款128×64行點陣的OLED顯示模塊，該OLED12864液晶顯示屏采用單+5V電源供電，顯示屏上的CE端與單片機的14號引腳（B6端），CSN端與15號引腳（B7端）連接。在實際操作中將顯示屏的顯示內容分為上下兩部分，顯示器上方顯示當前雨傘表面的溫濕度與設定的風機模塊工作的閾值，而顯示器下方則用來顯示用戶在取雨傘操作時需要輸入的密碼以及在進行輸入密碼操作時顯示當前輸入的密碼。

3 軟件設計

系統上電后首先進行各個模塊的初始化設定，包括端口的初始化配置和寄存器的初始化配置。此時OLED顯示屏上實時顯示當前的溫濕度，當按下“存”的按鍵之后，舵機偏轉，此時紅外傳感器開始工作在雨傘放入之后，溫濕度傳感器開始檢測雨傘表面的溫度與濕度，當溫度低于28℃時熱源開始，當濕度高于60%時風機開始工作。在按下“取”的按鍵之后，如果人臉識別系統對比的人臉數據吻合度高于70%或者單片機核心塊校驗密碼正確則會控制舵機偏轉實現開鎖的功能，此時紅外檢測系統關閉。主程序流程圖如圖2所示。

圖2 主程序流程圖

4 測試結果與分析

基于STM32的雨傘管理系統的實驗樣機如圖3所示。如圖可見STM32單片機、溫濕度檢測模塊、風機模塊、紅外報警模塊、按鍵存取模塊等硬件部分。測試主要針對存取功能、溫濕度檢測與智能烘干功能、人臉識別功能。

圖3 雨傘管理系統樣機圖

■4.1 存取功能測試

在按下“存”的按鈕之后舵機開始偏轉，顯示屏上顯示取傘密碼，在使用按下“取”的按鍵之后，顯示屏會提示輸入密碼，為了更全面的測試存儲模塊性能，與管理員模塊的可靠度，筆者將進行三次存取傘模擬，分別校驗密碼錯誤、密碼正確，以及輸入管理員密碼時的存取模塊的工作狀態，并記錄數據如表1所示。

表1 按鍵存取測試記錄

■4.2 溫濕度檢測與智能烘干功能測試

對樣機進行溫濕度檢測模塊與智能風干模塊進行檢測前，為了檢驗溫濕度傳感器的檢測誤差，首先對溫濕度檢測模塊的溫濕度檢測效果進行檢測，溫濕度檢測模塊測試記錄如表2所示，溫濕度模塊測試圖如圖4所示。隨后測試智能烘干功能能否實現，通過人工模擬的方法來改變溫濕度傳感器周圍的溫濕度來模擬雨傘表面的各種狀態。雨傘放入后開始執行溫濕度檢測子程序，溫度與濕度達到閾值繼電器沒有反應認為失敗，順利根據溫濕度的數據變化改變繼電器工作狀態則認定為成功，記錄的數據如表3所示，智能風干測試圖如圖5所示。

圖5 風機模塊測試圖

表2 溫濕度檢測模塊測試記錄

表3 風機模塊測試記錄

圖4 溫濕度模塊測試圖

■4.3 人臉識別功能測試

對人臉識別模塊的測試，筆者選擇使用人臉照片對人臉識別模塊進行測試。在測試開始時，首先對一張照片上的人臉信息進行拍照采集，隨后分別用不同的照片對人臉識別模塊進行測試，并記錄數據如表4所示，（在本次測試中，圖片1為錄入的人臉圖片，圖片2、3為其他的人臉圖片）人臉識別模塊測試圖如圖6所示。

表4 人臉識別模塊測試記錄

5 結論

本次畢業設計完成得帶有人臉識別功能的雨傘智能管理系統基本實現了預期目標，可以為各大商城、圖書館、自習室等公共場所提供必要的雨傘管理措施，在本次設計中筆者采用STM32F103C8T6單片機作為系統的控制芯片和人臉識別模塊的控制核心，一定程度上提高了本次設計的穩定性，單片機能實時檢測溫濕度數據并通過OLED12864液晶顯示數據，在未接收到人臉識別信號時，舵機能夠按照基本流程來進行工作，在接收到人臉識別信號后，舵機能迅速做出響應，發生偏轉，基本實現了預期的功能，在市場上具有一定的應用前景與價值。