基于ZigBee的校園共享智能儲物柜設計

孫荷娟　馬薈杰　馬運鑫　王綺夢　董浩成

摘要：基于ZigBee技術并結合RFID技術，采用CC2530通訊芯片、STM32F103ZET6主控制芯片、MFRC522讀卡芯片、LCD12864液晶屏、AT42QT2160觸摸按鍵，各小柜模塊構成儲物柜的硬件系統。ZigBee協調器節點、無線采集終端節點、無線控制終端節點、上位機設計為軟件系統，實現存取物品功能，顯示功能，狀態檢測和維護調控功能，視頻監控功能，存儲、處理、監測、查詢功能，APP提示功能。

關鍵詞：ZigBee技術;RFID技術;儲物柜;共享

中圖分類號：TP391? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）01-0024-03

高校圖書館、食堂、教學樓、操場等都是人群密集之地，由此更加需要儲物柜為人們解決物品存放的問題。市場上的儲物柜大多為機械式、電子式儲物柜[1]，而這樣儲物柜安全性與便捷性卻略有欠缺。當丟失鑰匙或密碼條時，儲物柜的安全性就難以保障。要想取出儲物柜中的物品，便需要管理員認證身份，消耗時間且增加管理與維護難度。這就體現了傳統儲物柜難以管理、安全性低、便捷性低等的缺點。而使用物聯網[2]的射頻識別技術與ZigBee技術可以實現物與物、物與人的泛在連接，實現對物品和過程的智能化感知、識別和管理，將兩種技術聯合在一起，能極大提升儲物柜的性能，減少商家成本，滿足高校學生的儲物需求。射頻識別技術即RFID技術的快速發展體現在：高校校園一卡通[4]。擁有一張卡，即可實現自由出入圖書館、食堂消費、生活繳費等功能。物聯網中的ZigBee[5]技術是基于IEEE 802.15.4標準的低功耗局域網協議，是一種近距離、低復雜度、低功耗、低成本的雙向無線通信技術。

1總體設計

智能儲物柜系統主要由儲物柜控制子系統、無線通信子系統、上位機管理子系統組成。共享智能儲物柜系統是基于ZigBee技術，結合RFID技術構建而成的。儲物柜系統結構圖如圖1所示。

儲物柜控制子系統主要負責完成對儲物柜系統的一系列操作命令。包括完成機柜前端用戶對儲物柜的指令、實現用戶信息以及儲物柜實時狀態信息的采集、完成柜門的控制業務等。儲物柜控制子系統收集的數據會實時傳給主控制芯片，主控制芯片通過通訊芯片由無線通信子系統傳遞給上位機管理子系統，并完成上位機的指示命令。

無線通信子系統是整個儲物柜系統的中介，通過ZigBee終端節點與若干個ZigBee協調器節點連接形成一個ZigBee自組網，實現儲物柜控制子系統與上位機管理子系統的連接通信，從而實現整個儲物柜系統的聯網通信。

上位機管理子系統通過對儲物柜控制子系統傳達的數據進行處理，并進行反饋指導儲物柜控制子系統完成一系列業務工作。

整個智能儲物柜系統能實現的功能包括存取物品功能，顯示功能，狀態檢測和維護調控功能，視頻監控功能，存儲、處理、監測、查詢功能，App提示功能。

2硬件系統設計

智能儲物柜系統硬件設計主要集中在儲物柜控制子系統的硬件設計，主要包括主控制模塊、刷卡模塊、顯示模塊、鍵盤模塊、通信芯片模塊、小柜模塊。

由圖2可知各硬件在儲物柜系統中的主要功能。

主控制模塊是儲物柜控制子系統的控制中心，所用的芯片STM32F103ZET6，主要用于對事件進行請求、觸發和中斷等控制操作。

刷卡模塊使用的是MFRC522讀卡芯片，主要用于感應校園卡，讀取卡片中的個人數據信息。通過讀卡器讀取數據是整個系統中用戶信息獲取的主要方式。

顯示模塊使用LCD12864液晶屏可在用戶操作儲物柜時提供必要的文字圖形提示幫助。

鍵盤模塊用于在操作時實現數據信息的錄入，實現用戶直接與儲物柜“對話”的方式，采用電容觸摸按鍵，使用AT42QT2160 作為內核，使用簡單，方便用戶對儲物柜的使用。

通信芯片模塊用于無線網絡的信息數據傳輸。節點的ZigBee無線傳輸模塊均使用CC2530芯片，它用于將收集到的儲物柜信息或用戶的數據信息傳給ZigBee 協調器，并由協調器傳給上位機;同時，上位機下達的信息通過ZigBee自組網傳達到CC2530通訊芯片，實現管理員對儲物柜的遠程控制。

小柜模塊組裝各種感應器，用于檢測儲物柜的各項數據信息。

3軟件系統設計

智能儲物柜系統的軟件設計主要由無線采集終端節點、ZigBee 協調器節點、無線控制終端節點、上位機設計這四個部分組成。

儲物柜相關信息的獲取是由無線采集終端節點負責完成的。無線采集終端節點能夠通過讀卡芯片讀取到用戶的數據信息，通過儲物柜上的各種感應器獲取儲物柜的狀態信息和柜門信息，通過讀取監控內存得到視頻錄像等數據。無線采集終端節點通過若干個ZigBee路由器和ZigBee協調器節點組成的ZigBee自組網和無線控制終端節點構成的無線通信子系統將收集到的信息傳遞給上位機管理子系統。

儲物柜控制子系統通過無線通信網絡與上位機進行連接通信，從而實現數據交換;上位機也通過無線通信網絡與儲物柜控制子系統相連，實現對儲物柜的控制與反饋。

上位機管理子系統通過ZigBee協調器節點與儲物柜控制子系統進行有效的信息交換，指導儲物柜控制子系統完成一系列業務工作。上位機設計是基于C#技術實現的，程序主要包括系統登錄模塊、刷卡管理模塊、數據模塊、儲物柜狀態監控及調控維護模塊、通信模塊、視頻監控模塊、應用軟件管理模塊這七個模塊。

系統登錄模塊。管理者進入系統要進行登錄，驗證個人身份信息，保證系統的安全性。登錄模塊是儲物柜系統重要的安全屏障，對用戶和系統的信息保護起到十分重要的作用。

刷卡管理模塊。該模塊主要是基于RFID技術結合C#語言實現一個簡單的門禁管理系統。刷卡管理模塊為用戶提供一種使用儲物柜的便捷方法，對儲物柜柜門進行管理控制。