基于STM32單片機(jī)的智能槍柜系統(tǒng)設(shè)計(jì)

方 浩，李艾華，王 濤，阮 泉

（第二炮兵工程大學(xué) 五系，陜西 西安 710025）

實(shí)現(xiàn)槍支智能化管理是當(dāng)前部隊(duì)信息化建設(shè)的重要方面。但部隊(duì)槍支管理現(xiàn)階段仍處于“機(jī)械式槍柜+人工手動操作”的模式，不僅操作過程繁瑣、效率低下，而且不能實(shí)現(xiàn)對槍支的有效監(jiān)管。目前，許多新技術(shù)被引入到槍支管理中，如參考文獻(xiàn)[1]中采用RFID技術(shù)，通過在槍體上附著電子標(biāo)簽來識別槍支；參考文獻(xiàn)[2]中采用ZigBee技術(shù)，通過在槍支上安裝無線傳感器來實(shí)現(xiàn)槍支定位等。但是由于部隊(duì)有不得對槍體進(jìn)行改變的使用規(guī)定，因而限制了這些方法的使用。

針對上述方法的不足，本文基于功能強(qiáng)大的STM32-F107VCT6[3]單片機(jī)設(shè)計(jì)了槍柜系統(tǒng)。系統(tǒng)充分利用單片機(jī)片上資源，結(jié)合指紋識別技術(shù)、視頻監(jiān)控技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等多種技術(shù)實(shí)現(xiàn)了智能化槍柜管理，不僅提高了槍支存取的效率，而且保證了對槍支的有效監(jiān)管。同時(shí)軟件部分嵌入高性能的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-III，用于不同任務(wù)之間的調(diào)度，極大地提高了系統(tǒng)的可靠性與實(shí)時(shí)性。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

智能槍柜系統(tǒng)由嵌入式槍柜控制器和3路攝像頭(1路針孔攝像頭用于監(jiān)控指紋錄入過程、2路半球攝像機(jī)用于監(jiān)控取/還槍過程)、硬盤錄像機(jī)、電動槍/門鎖、震動探測器、壓力開關(guān)、門磁、聲光報(bào)警器、狀態(tài)燈、指紋儀、UPS、以太網(wǎng)接口等外圍設(shè)備組成，如圖1所示。

圖1 智能槍柜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

嵌入式槍柜控制器作為下位機(jī)系統(tǒng)核心，獨(dú)立工作時(shí)可實(shí)現(xiàn)槍支存取過程的安全、可靠、自主的管理，包括通過指紋權(quán)限自動控制槍支存取，生成和存儲開槍鎖、開柜門和報(bào)警3種記錄，自主完成防盜防爆檢測和視頻監(jiān)控取/還槍過程等功能。同時(shí)系統(tǒng)配備UPS電源，可保證在斷電情況下工作2 h。當(dāng)與上位機(jī)連接后，控制器可以通過以太網(wǎng)上傳實(shí)時(shí)生成的記錄。上位機(jī)智能槍柜管理系統(tǒng)也可實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控取槍過程、檢索硬盤錄像機(jī)中保存的歷史視頻記錄、抓拍指紋錄入人員圖像、查看槍支實(shí)時(shí)在位情況和柜門狀態(tài)、遠(yuǎn)程開啟柜門和指定槍鎖、進(jìn)行槍支使用和槍柜管理授權(quán)、下載控制器保存的歷史記錄、生成報(bào)表、命名槍柜和槍支、設(shè)置槍柜IP地址等。

2 槍柜控制器硬件設(shè)計(jì)

2.1 總體硬件設(shè)計(jì)

槍柜控制器分為信號檢測板、核心控制板和信號輸出板三部分，如圖2所示。信號檢測部分主要用于信號輸入，來源包括震動探測器、壓力開關(guān)、門磁、硬盤錄像機(jī)和指紋儀。由于輸入信號均為5 V電平，而單片機(jī)管腳支持CMOS電平，因此輸入信號經(jīng)光耦隔離后，需要使用74LS245進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換才能送入單片機(jī)。輸出控制板主要是用于驅(qū)動繼電器，單片機(jī)輸出信號經(jīng)74HC640隔離后，通過ULN2803芯片驅(qū)動12 V繼電器。通過將繼電器串聯(lián)在電路中實(shí)現(xiàn)對電動槍/門鎖、聲光報(bào)警器和狀態(tài)指示燈的控制。

圖2 系統(tǒng)硬件構(gòu)成圖

核心控制板主要功能是與上位機(jī)通信、根據(jù)輸入信號進(jìn)行相應(yīng)動作等。為充分利用單片機(jī)內(nèi)部資源，系統(tǒng)采用芯片內(nèi)部RTC模塊進(jìn)行計(jì)時(shí)，主要外圍電路包括以太網(wǎng)通信和Flash存儲兩部分。

2.2 以太網(wǎng)通信電路設(shè)計(jì)[4]

STM32F107芯片內(nèi)部集成了高性能以太網(wǎng)模塊，通過外接PHY芯片可以實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)收發(fā)功能。該模塊靈活可調(diào)，符合 IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)，支持 MII和 RMII 2種模式，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)10/100 Mb/s，能夠滿足不同設(shè)計(jì)需求。該部分電路采用高性價(jià)比的DM9161A作為以太網(wǎng)PHY芯片，采用RMII接口進(jìn)行連接，極大地節(jié)約管腳資源。同時(shí)為簡化電路設(shè)計(jì)，利用單片機(jī)的PA8管腳代替外部晶振來提供時(shí)鐘輸入，用于驅(qū)動PHY芯片。電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 網(wǎng)絡(luò)通信電路

2.3 Flash存儲電路

當(dāng)槍柜獨(dú)立工作時(shí)，控制器需要保存開門、開鎖、報(bào)警3種記錄和部分設(shè)置參數(shù)。而單片機(jī)內(nèi)部雖然具有256 KB Flash，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足存儲需要，因此需要外掛存儲芯片。本設(shè)計(jì)中采用W25X16芯片，該芯片工作電壓為2.7～3.6 V，具有2 MB的存儲容量；支持標(biāo)準(zhǔn)的SPI和雙輸出的 SPI，最大時(shí)鐘可以達(dá)到 75 MHz；芯片擦寫周期為10 000次，具有20年的數(shù)據(jù)保存周期。STM32-F107VCT6單片機(jī)SPI接口允許半/全雙工同步串行通信，可按8或16位幀格式傳輸，支持主從模式選擇，可進(jìn)行CRC校驗(yàn)和DMA數(shù)據(jù)收發(fā)。本設(shè)計(jì)采用SPI總線管腳PA5、PA6、PA7、PB9 設(shè)計(jì)電路，如圖 4 所示。

圖4 Flash電路

3 軟件設(shè)計(jì)

由于系統(tǒng)要完成與上位機(jī)的數(shù)據(jù)交換、解析指紋、檢測報(bào)警信號、修改下位機(jī)參數(shù)、讀寫3類記錄等多項(xiàng)任務(wù)，因此為提高可靠性，系統(tǒng)軟件部分基于嵌入式多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-III[5]進(jìn)行開發(fā)。如圖5所示。系統(tǒng)共調(diào)度8個(gè)任務(wù)，主要完成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)交互、取/還槍流程管理、報(bào)警監(jiān)測三大功能。

圖5 嵌入式系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)

3.1 以太網(wǎng)數(shù)據(jù)交互

本模塊主要是解析上位機(jī)操作指令來完成不同任務(wù)，并在網(wǎng)絡(luò)連接情況下上傳實(shí)時(shí)記錄。

網(wǎng)絡(luò)通信通過移植輕量級的TCP/IP協(xié)議棧LwIP來實(shí)現(xiàn)。LwIP[6]特點(diǎn)是有利于減少內(nèi)存使用率和代碼尺寸，因而適于在嵌入式系統(tǒng)中應(yīng)用。系統(tǒng)在LwIP協(xié)議棧下通過構(gòu)建基于UDP協(xié)議的穩(wěn)定通信機(jī)制實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的可靠傳輸。

同時(shí)，為了提高網(wǎng)絡(luò)通信的實(shí)時(shí)性，減少系統(tǒng)開銷，下位機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信部分采用中斷方式實(shí)現(xiàn)。當(dāng)接收到數(shù)據(jù)后，下位機(jī)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)通信中斷子程序，根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)中操作碼的不同來執(zhí)行不同的操作，如人員權(quán)限設(shè)定、通信參數(shù)設(shè)置、查詢記錄、遠(yuǎn)程開槍/門鎖、時(shí)間同步、查詢槍支實(shí)時(shí)在位情況等，同時(shí)在網(wǎng)絡(luò)連接建立的情況下，下位機(jī)能將實(shí)時(shí)生成的開門、取槍、報(bào)警記錄上傳到上位機(jī)，否則保存在下位機(jī)Flash中。具體流程圖如圖6所示。

圖6 網(wǎng)絡(luò)通信流程圖

3.2 取/還槍流程管理

本模塊主要是識別指紋并進(jìn)行開門和取槍權(quán)限管理，同時(shí)自動生成相應(yīng)記錄。系統(tǒng)通過接收指紋儀產(chǎn)生的韋根信號來識別不同的指紋。由于韋根信號實(shí)時(shí)性要求較高，因而采用中斷方式接收。

根據(jù)部隊(duì)槍支管理使用規(guī)定，具備取/還槍過程操作權(quán)限的人員分為超級管理員、管理員和業(yè)務(wù)員三類。超級管理員和管理員中任意兩人組合并同時(shí)錄入指紋具備開柜門權(quán)限；柜門開啟后，業(yè)務(wù)員具備開啟一把槍鎖的權(quán)限，超級管理員具備開啟全部槍鎖的權(quán)限。取槍流程如下：依次錄入具有開門權(quán)限的人員指紋，如果兩次錄入間隔超時(shí)30 s則必須重新錄入，并根據(jù)下位機(jī)保存的指紋信息驗(yàn)證指紋，成功后開啟柜門，并生成開門記錄。然后錄入開槍鎖指紋并進(jìn)行驗(yàn)證，成功后區(qū)分是業(yè)務(wù)員指紋還是超級管理員指紋，并根據(jù)權(quán)限進(jìn)行相應(yīng)操作。在開啟柜門和槍鎖后啟動開門超時(shí)和取槍超時(shí)檢測，一旦操作過程超時(shí)立即報(bào)警信號。還槍過程與取槍過程類似，均需要開啟柜門和相應(yīng)槍鎖，具體取/還槍流程如圖7所示。

圖7 取/還槍流程圖

3.3 報(bào)警檢測模塊

本模塊主要是根據(jù)報(bào)警信號生成對應(yīng)報(bào)警記錄并啟動聲光報(bào)警器。系統(tǒng)的報(bào)警信號主要來自兩類：一類是外部報(bào)警信號，包括震動探測器產(chǎn)生的報(bào)警和硬盤錄像機(jī)產(chǎn)生的監(jiān)控畫面遮擋、硬盤滿兩類報(bào)警；另一類是內(nèi)部報(bào)警信號，包括開門超時(shí)報(bào)警和取槍超時(shí)報(bào)警。針對兩種信號的不同特點(diǎn)，系統(tǒng)采用不同方式進(jìn)行檢測。由于外部報(bào)警信號的產(chǎn)生時(shí)間具有不確定性，因而系統(tǒng)采用中斷方式進(jìn)行檢測，確保能及時(shí)檢測到信號。對于內(nèi)部超時(shí)報(bào)警信號，由于它是在程序執(zhí)行過程中由系統(tǒng)做出判斷后產(chǎn)生的，因而可以只在開門和取槍動作執(zhí)行后采取循環(huán)查詢方式進(jìn)行檢測，既能保證準(zhǔn)確檢測到報(bào)警信號，又可以省去不必要的系統(tǒng)開銷。

4 智能槍柜實(shí)現(xiàn)

經(jīng)設(shè)計(jì)、安裝后，反復(fù)對系統(tǒng)進(jìn)行指紋開門取槍、報(bào)警檢測和與上位機(jī)管理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互等多種調(diào)試。最終實(shí)現(xiàn)了智能槍柜系統(tǒng)，如圖8所示。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分上下兩層，可放置15把槍支。目前系統(tǒng)運(yùn)行良好，工作穩(wěn)定可靠。

本文利用STM32單片機(jī)資源豐富、功能強(qiáng)大的優(yōu)勢，結(jié)合部隊(duì)槍械管理現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了智能化的槍柜系統(tǒng)。系統(tǒng)綜合運(yùn)用指紋識別技術(shù)和視頻監(jiān)控技術(shù)保證槍械存取的安全性，同時(shí)采用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)將槍械存取和環(huán)境安全等相關(guān)信息及時(shí)上傳遠(yuǎn)端槍柜管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了槍械管理的自動化與智能化。目前系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，狀態(tài)良好，有效加強(qiáng)了部隊(duì)的槍支管控。

圖8 智能槍柜實(shí)物圖

[1]陳慧.基于RFID及組態(tài)軟件的智能槍支管理系統(tǒng)研發(fā)[J].制造業(yè)自動化，2013(35)：114-117.

[2]丁影，鄒濤，喻勇輝.ZigBee技術(shù)在槍支定位系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].傳感器技術(shù)，2010(12)：150-152.

[3]丁凡，周永明.基于 STM32和ZigBee的無線校園火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2012，31(6)：43-49.

[4]王濤，范寒柏，王磊，等.STM32F207和DM9161A的以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)方案[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2012(12)：42-44.

[5]LABROSSE J J.嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) μC/OS-III[M].邵貝貝，譯.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2012.

[6]韓德強(qiáng)，楊淇善，王宗俠，等.基于 μC/OS-III的LwIP協(xié)議棧的移植與實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2013，39(5)：18-21.