基于STM32 的智能槍械存儲柜

李志文，李 璐

（1.武警工程大學，陜西 西安 710078；2.銅川職業技術學院，陜西 銅川 727031）

隨著傳感器技術和物聯網技術的發展，智能化裝置和智能化管理系統已被拓展到各行各業，極大地提高了管理和工作效率[1]。但是部隊和公安系統的槍械管理未能及時更新智能化管理，取還槍大多采用表格申請和人工記錄的形式，對槍柜內借出支槍支數量、借出時間，柜內存放種類及數量不能做到實時動態地展示[2]。沈一州，王文杰等多采用RFID技術對槍械進行位置跟蹤和監測[3-4]，但是對于槍柜結構及存儲環境無設計，大多采用機械鎖的形式，安全性能上存在隱患。槍柜的設計大多只是簡單的存放功能，對槍械存放所需的環境并無改善的作用。近些年，單片機等微處理器技術和智能電路技術被廣泛應用于儲存安全和存儲環境監測及改善等方面[5-6]，基于單片機技術，設計一款能夠實現槍械管理存儲和安全取放，同時能夠保持存儲環境適宜的智能存儲柜，對當前用槍安全和延長槍械使用壽命，具有重要意義。

針對上述槍械存儲柜存在的不足，基于STM32F103系列單片機設計了智能槍械存儲柜，可根據距離選用以太網或RS485 的通信方式連接至后臺上位機，實現對槍械借還以及存放環境的遠程實時在線監控[7-8]。采用指紋識別技術和動態密碼技術以及視頻監測技術相結合的方式，保證了取還槍的安全性能[9]。借助光纖壓力傳感器技術，控制取還槍操作同時實現槍柜內存放槍械的實時顯示，通過以太網技術，將槍械借還時的視頻信息發送至數據后臺記錄。通過柜內設計的溫濕度傳感器以及在柜體上設計的加熱器和排風扇，實現柜內環境信息的在線監測以及惡劣存儲環境的改善[10]。

1 系統總體設計

所設計系統總體結構框圖如圖1 所示，系統以STM32F103 單片機為主控芯片實現對整個智能槍械柜的控制，用觸摸屏顯示方式，可以實現槍柜內槍支存放種類、數量及柜內溫濕度等環境信息。多路溫濕度傳感器布置于槍柜的隔層之間，通過智能槍械存儲柜系統分析柜內溫濕度是否符合槍械存放環境要求，在溫度過高或者濕度過大時，啟動高溫排風裝置和高濕加熱除濕裝置。通過指紋識別模塊和液晶屏輸入動態密碼實現雙重身份驗證，確保在授權以及密碼正確的情況下打開槍械柜，動態密碼由數據后臺產生和下發，雙重密碼核驗無誤后控制芯片控制電子鎖模塊開柜，電子鎖具有掉電閉鎖功能。柜頂安裝有視頻采集模塊，用于實時采集槍械取還時的視頻資料[11-12]，并通過以太網連接的方式發送至數據后臺，數據后臺負責存儲數據，下發動態口令等功能。同時通過在槍械卡托下放置壓力傳感器的方式，實時槍械在位情況監測，控制取還槍的數量[13]。

圖1 系統總體設計框圖

2 系統部分硬件設計

2.1 環境改善電路設計

智能槍械存儲柜控制系統所采用的加熱器控制和排風扇控制電路如圖2 所示。該電路主要采用光耦加繼電器實現高低壓隔離，利用控制器IO 的高低電平驅動控制光耦，在光耦后端設計有三極管，增大光耦的驅動能力，使光耦能夠驅動繼電器工作，實現后端加熱器和排風扇的開關控制。光耦、繼電器和控制器采用3.3 V 低壓電源供電，加熱器和排風扇則是采用220 V 交流市電提供電源。

圖2 加熱器和排風扇控制電路

2.2 故障檢測電路

加熱器、排風扇在運行過程中易出現問題，不利于維持環境的穩定性，并可能會引發其他危害，因此在系統中設計了加熱器和排風扇故障的檢測電路，如圖3 所示。利用電流互感器測量加熱器、排風扇運行回路電流，加熱器斷線時電流較小；排風扇斷線時，排風扇堵轉時電機所消耗的電能會全部轉化為熱能，此時電機回路阻值較小，會產生較大的運行電流，故障時電流值會低于或高于運放電路設置的基準值，經過運放比較器，運放電路會輸出一個低電平信號，CPU 控制器通過IO 口將監測到此低電平信號的產生，進而判斷加熱器還是排風扇故障，控制器對加熱器故障和排風扇故障進行語音報警，并進行記錄，提醒用戶及時處理，避免更大故障的發生。

圖3 排風扇故障判斷電路

2.3 壓力采集模塊

槍械底部壓力采集模塊主要由光纖光柵應變片和彈性基體組成[14-15]，考慮到該傳感器在槍柜的槍械底部安裝的需求，其結構設計如圖4 所示。在壓力傳感器兩端均安裝有安裝孔，方便現場傳感器的安裝；在基體的中心位置開有細槽，光纖光柵平行粘附在細槽中。當基體發生彈性形變時，光纖光柵隨之發生形變。

光纖光柵傳感器受溫度和應力變化影響較大，因此在進行應力測量時不能忽略溫度對光纖光柵測量應力的影響，設計中將FBG 傳感器分為兩部分，使用對比分析的方法降低溫度漂移引起的應變誤差。將其中一部分FPG 傳感器安裝在槍械底座位置承受應力的方向，主要用于測量槍械對底座產生的應力變化；另一部分則是安裝在不受應力只能測量溫度的方位，一般安裝在無應力位置，通過不受應力的光纖光柵傳感器部分，測量環境溫度對光纖光柵的影響，作為參考對象。在這一部分，光纖光柵傳感器測量結果受溫度和應力雙重影響后，對比量結果分析中剔除了溫度對應力測量的影響，得到不受環境溫度信息影響的光纖光柵的應力測量結果。

3 系統軟件設計

3.1 軟件框架設計

智能槍械存儲柜的軟件流程圖如圖5 所示，在系統上電初始化后液晶屏持續顯示主界面，主界面主要顯示內容為柜內溫濕度以及柜內槍械的存放情況，在操作人員申請取還槍操作后，后臺上位機通過以太網通信模塊，將動態口令、口令有效時間、取還槍數量、操作人等信息發送至智能槍械存儲柜。智能槍械存儲柜接收到上位機發出的數據信息之后，對數據進行讀取分析，獲取其中的動態口令、口令有效期、取還槍人信息并存儲，不能在有效期內取還槍操作時，動態口令失效，將不能進行取還槍操作，如需繼續操作，必須重新提交申請，數據后臺再次下發取還槍命令。取還槍操作人員必須是在槍械柜注冊過信息的人員，其指紋信息已經提前存儲在槍械柜內，申請取還槍人員到達智能槍械存儲柜后，通過液晶屏選擇申請取還槍，此時槍械柜頭頂攝像頭打開，確保整個取還槍操作都在攝像頭下進行，視頻同時通過以太網回傳至數據后臺存儲備用。操作人員通過液晶觸摸顯示屏選擇進入取還槍操作，采集指紋信息驗證身份，并驗證取還槍許可是否在有效期內，若超過有效期，語音提醒未在規定時間完成取還槍操作，請在有效期內申請操作。指紋信息驗證通過后，液晶顯示屏顯示進入下一步輸入動態口令等信息，槍械柜驗證動態口令，若口令信息正確，則槍械柜解鎖，申請人可以打開槍械柜進行取還槍操作；通過后臺上位機和液晶觸摸屏，可以進行溫濕度閾值的設定，即當環境信息達到閾值后開啟相應的處理措施。柜內溫濕度傳感器定期進行環境信息的采集，當采集到溫濕度信息超過閾值設定時，高濕情況下打開加熱器進行加熱除濕，高溫狀態下打開排風扇進行高溫排風操作，以改善柜內的環境信息。同時繼續監測柜內溫濕度，當溫濕度值低于閾值時，關閉排風扇或加熱器；在排風扇或加熱器工作過程中會對排風扇和加熱器的運行狀態進行監測。

圖5 智能槍械存儲柜軟件流程

3.2 取還槍程序設計

如圖6所示，在完成身份核對后取還槍時，首先槍械柜會檢查是否完成申請數量的取還槍操作，如果數量達到申請數目，則槍械的機械卡扣不再打開，語音提示取還槍完成；若取還槍數量未達到申請數量，則槍械柜控制住機械卡扣打開，借槍操作時打開有槍位置的機械卡扣，還槍時打開空位的機械卡扣，并在液晶顯示屏上顯示打開卡扣位置，提醒人員取槍或還槍。完成取還槍操作后機械卡扣再次鎖死，同時如果操作1 min未完成取還槍操作，也會鎖死機械卡扣，如需繼續完成取還槍，則需要點擊申請繼續操作后實現。

圖6 取還槍操作流程

3.3 數據后臺設計

智能槍械存儲管理中心主要針對各槍械存儲柜的槍械在位情況和槍械的借還進行監測與控制，并實現槍械存儲柜的動態密碼下發和視頻數據的存儲功能，直接在系統內顯示槍械的在位情況，為實現槍械的智能化和可視化管理提供條件。系統采用Visual C++實現其客戶端設計，其中，算法統一采用VC++進行功能封裝，保證調用的實效性。最后通過ActiveX 數據對象（ActiveX Data Object，ADO）技術訪問數據庫[16]。

智能槍械存儲管理中心主要由參數設置模塊、設備管理模塊、運行監測模塊組成。參數設置模塊主要分為四部分：第一部分是設置連接設備編號、串口和波特率；第二部分是設定槍械柜的種類和數量；第三部分是下發取還槍數量；第四部分是下發動態密碼。設備管理模塊主要功能是添加、保存、刪除槍械柜的名稱和地址，以及對槍械柜內槍械的數量進行管理。運行監測模塊主要功能是查詢設備列表、查詢歷史數據、查詢在線實時數據。

4 實驗分析

4.1 柜內環境監測及測試

為了驗證槍械存儲柜的實際性能，搭建了智能槍械存儲柜溫濕度精度和加熱排風功能測試的實驗平臺，通過溫濕度測量對比和修改溫濕度閾值的方式，驗證裝置溫度測量的精度及加熱排風功能的可行性，數據測量如表1 所示，溫度誤差在1%以內，濕度誤差在5%以內。

表1 實驗數據分析

由測量結果可知，監測裝置具有較高精度，可以滿足系統對溫濕度的測量要求。

柜內溫度采用加熱器加熱，使得柜內溫度升高，濕度的模擬則是采用向柜內噴灑水霧的形式使得環境濕度增加，加熱器的斷線故障模擬采用開關斷開的方式，風扇故障則是采用將風扇堵轉的方式進行模擬，測試數據如表2 所示，實驗結果表明，加熱器和排風裝置能夠及時工作，同時故障檢測電路也能較好地完成工作。

表2 風扇和加熱故障分析

4.2 取還槍測試

取還槍測試主要測試實現取還槍后數據后臺能否實時顯示槍械的在位情況，后臺上位機實時展示界面如圖7、8 所示。

圖7 上位機監測界面

圖8 借槍操作之后軟件界面

通過取還槍的測試可以看出，智能槍械存儲系統可以實現槍械存儲的在線監測和控制功能。

5 結論

槍械存儲安全高效和智能化對公安和部隊系統的用槍安全具有重要意義，槍械存儲環境的監測和極端環境的處理對槍械的安全存放、延長槍械的使用時長和保持槍械的使用性能具有重要意義。系統采用溫濕度監測的方式對柜內槍械存儲環境進行實時在線監測，發生極端環境時實現高溫排風和高濕加熱處理，在一定范圍內實現對柜內環境的應急處理。同時采用槍械智能取還設置和槍械在位實時顯示，并在取還槍的時候采用雙重密碼驗證和視頻監測的方式保證用槍的安全。實驗結果表明，設計的系統能實時在線地完成溫濕度采集和極端環境的處理，同時能夠實現智能借還和在位顯示，且具有較高測量精度，對槍械存儲的智能化發展和用槍安全具有重要意義。