智慧校園中基于校園卡的智能儲物柜設計*

蘭州石化職業技術大學 敖淑楠 王敏 邵璽 尤春艷

近年來，由于科技發展的逐漸成熟化，為保護學生的財產及校園公共資產安全，儲物柜逐漸在各大高校的圖書館或是實驗室大面積普及。針對傳統存儲設備存在的不足，本文將以STM32作為存儲設備的控制中心。在STM32系統的硬件和軟件上，對其進行了可行性的驗證，并對其實現的可能性進行了詳細的探討。

通過對傳統儲物柜存在的不足進行研究，本系統采用校園卡和上位機相結合的方式進行智能儲物柜的設計。該系統操作簡單、安全性高、抗干擾性強，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，以來維護師生的財產安全性。

1 系統總體設計

智能儲物柜系統主要由儲物柜控制子系統、無線通訊子系統、上位機管理子系統組成，可與PC機、PLC等控制器通訊，實現智能樓宇控制系統的統一監控[1]。下面主要詳盡地對系統的組成部分與功能措施進行描述。

（1）儲物柜控制子系統主要承擔柜內各類業務，如柜身人機交互業務、柜位狀態監測數據采集、柜門控制等。在存貯器的前端，通過人機對話功能，將所收集到的校園牌及各柜內的數據，通過主機的數據，由主機進行相應的數據處理。此單元在接受到指定命令后會開始執行持續性的動作。

（2）無線通信子系統作為存儲設備的中間媒介，主要利用 ZigBee網絡網端和存儲柜的系統連接進行信息傳輸，并利用 ZigBee協同結點與主機搭建起通訊橋梁。通過 ZigBee自組網完成數據的傳輸效果，實現了整個儲物柜系統的全面聯網。

（3）上位機管理子系統是智能儲物柜系統的應用層，它可以存儲、顯示、分析、節點管理和歷史數據查詢。通過多個存儲器，可以記錄當前運行狀態和歷史運行狀態，使員工對系統運行狀態有一個全面的了解。同時，采用上述設備信息管理系統，可對各類設備的數量、質量進行控制[2]。

2 系統硬件設計

該系統的硬件部分著重于對各部件進行了詳細的硬件結構設計，實現了各部件之間的相應編碼，便于用戶對各部件的狀態進行實時顯示。整個產品可分為下列幾個層次，其中感知層為刷卡模塊，網絡層為通信芯片模塊。

2.1 主控制模塊系統

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內存和64KB SRAM內存，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

利用MFRC522MFRC522為核心，以13.56MHz為核心的無接觸讀卡芯片，實現了對校園卡的自動識別。它是以ISO/IEC14443 A為基礎，用于無接觸通訊領域；通訊最遠可達到5cm；產品適配ISO14443A標準協議，支持SPI、I2C、UART接口。

2.3 顯示模塊系統

使用12864 LCD液晶顯示屏，分辨率128×64，內嵌16×16漢字8192和128×8×8 ASCII字符，可顯示8×4線16×16的點陣漢字或圖形，組成中文圖形界面。本產品具有顯示按鍵，圖像清晰，易于識別功能。除此之外，本系統還具有一般的識別技術與3×3的密碼驗證功能，能夠適應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，本系統還支持鍵盤快捷鍵操作，常用功能一鍵直達，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、綠色環保。

2.4 鍵盤模塊系統

可在運行時提供數據記錄，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合，可同時控制16個獨立的觸控鍵及2～8個觸控鍵通道。此產品可使設計者在按鍵設計上具有創意和靈活性。針對柜內的操作使用需求，在鍵盤上設置了0～9號按鍵，并設置了“存、取、移、回退、確定”功能鍵，共計15個按鍵。

2.5 柜模塊系統

用于存放物品的小柜子（帶有警示燈），門鎖與存物感應裝置。該門鎖采用HY-J10型電子鎖，通過閉鎖（關閉）、啟動（12V）瞬間（小于1s）啟動開鎖，并且設有鎖定狀態輸出檢測信號，用于檢測門開關。儲物感應器采用了2個紅外探測器，分別裝在柜門和后門底部，每個紅外感應器的位置都是相對的，當柜門關上時，它會自動感應到里面有什么東西，如果有東西，它就會打開。

2.6 通信芯片模塊系統

用于在網絡傳輸中，使用無線組網比有線組網更靈活、更實用、更具擴展性，避免了因布線過多造成資源浪費。該方案是利用ZigBee的自組網，以無線通訊的形式進行數據傳送[3]。本系統中的ZigBee無線通信系統全部由TI公司CC2530芯片組成，CC2530在2.4G ISM頻帶上工作。采用Z-Stack技術，把采集到的資料傳送給協調者，再由串行接口傳送給PC。

2.7 藍牙模塊

為了實現更快的解鎖，需要將HC-06藍牙模塊加入到系統中，該模塊采用了主流的CRS藍牙芯片，價格低廉，體積小，并能與手機實現無縫連接。在正常的運行過程中，通訊距離在8m左右，手機App內置藍牙功能，一旦系統的設置連接成功，那么發送指定的密碼即可完成解鎖。另外，本系統支持鍵盤快捷鍵操作，常用功能一鍵直達，操作更加快捷，操作更加流暢。每個校內人士都有自己喜歡的開鎖方式，指紋、密碼、手環、手機App。

2.8 定位模塊

GPS模塊通過串口傳輸到IAP15F2K61S2單片機上，數據經過字節流方式傳輸，必須經過程序處理，轉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構，然后根據幀結構提取相應信息。無論是NEO-6 MUBLOX衛星GPS定位的實例，其中涵蓋了幀頭、幀尾、幀內數據等數據的處理。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字符和換行字符。定位數據（如經緯度、時間衛星數、海拔、大地水準面高度、差分時間等）均以“$GPGGA”作為幀頭。NEO-6MUBLOX衛星GPS定位模塊的預設波特率是960，供電電壓是3.3～5V。其主要功能是將接收信號與發送信號分開，避免接收信號混淆。它能夠處理信息、思考、遠程監控、優先調度信號。

3 系統軟件設計

該系統的硬件實現分為三大模塊：存儲柜控制子系統模塊、無線通信子系統管理模塊、上位機子系統管理模塊。

3.1 儲物柜控制子系統軟件

存貯箱的控制子系統，其功能是對存貯器的前端進行人機互動，并能夠對存貯器的存取步驟、操作錯誤和存貯器的狀況進行提醒。它的訪問工作過程是這樣的：當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讀卡器中讀出學校卡片的資料（在提取時需要另外提供學校卡片的口令），發送到STM32F103ZET6,STM32F103ZET6又把該數據發送到PC系統；主機管理子系統根據該數據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 無線通信子系統軟件

ZigBee自組網使整個系統數據的自由傳送成為現實：從儲物柜控制子系統得到的用戶信息或狀態監測信息能及時傳給上位機管理子系統，上位機管理子系統解析數據并得出的控制信號能及時傳給儲物柜控制子系統。ZigBee的WAN通信系統是基于TI公司ZStack2007的IAR平臺，由協同節點、路由節點和終端節點三部分組成。協作結點采用ZigBee作為初始化，利用ZigBee與結點進行網絡通訊，并采用串行方式進行主結點與主結點的通訊[4]。

首先，通過協作軟件初始化ZigBee網絡，根據網絡分配需要訪問的網絡，然后將網絡注冊到網絡中。當網絡連接結束之后，協調人員將會進行一次活動的過程，利用主要的循環函數（添加一個結點，詢問和接受結點的集合，向每個結點發送指令），并調用對應的工作過程。在ZigBee網絡中，各路由器和終端將產生16位的短存儲器，用于與協同程式進行資料的交流，并將所接收的設備所采集的資料傳送至該協調員程式，之后，該指令將來自該協調員之指令。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展網絡的覆蓋范圍，并擔負起傳輸到其他節點的工作，尋找和維護資料的路徑，并與各節點之間的通信。

3.3 上位機管理子系統軟件

基于智能存貯器的基本運行函數，計算機管理系統需要與存貯器的控制子系統進行高效的數據交互，并對各個存貯器的數據進行及時的處理[5]。本系統的主要任務是：與學校卡片管理員進行即時通訊，對使用者的識別是否正確，并發送相關的指令，引導其工作；管理者能夠對各個小型柜的運行狀況進行實時監測，對故障的設備進行監測，對整體的控制與維修，并能直接利用PC機上的小型柜進行開啟；柜內的各種運行信息，如用戶信息、柜體狀態信息、使用時間、狀態信息等，都可以在計算機中進行實時的存儲和管理。當前計算機的管理系統主要是用 C#為開發基礎，主要包括登錄、監控、刷卡管理、小柜狀態監控與維護、通訊、視頻監控、小柜操作記錄數據、管理員設置等功能。系統具有完善的權限管理系統和緩存機制，保證了系統的安全、高效、穩定地運行，如圖1所示。

4 結語

綜上所述，本系統通過對傳統儲物柜的研究，將校園卡與上位機相結合，設計出智能儲物柜。在操作上系統的難易度較低，同時相對應的安保系統的設置十分嚴格，能夠對外部侵入有一定的反干擾作用，滿足儲物柜的基本要求。該系統的應用，將為各校內部門、社區人員提供一個快捷、高效、智能化的管理平臺，在面向師生和用戶的服務方面，已經取得了顯著的突破。同時使實驗室管理和圖書館動態訪問有了很大的進展，使校園安全管理制度得以順利實施。