兰州石化职业技术大学 敖淑楠 王敏 邵玺 尤春艳

近年来，由于科技发展的逐渐成熟化，为保护学生的财产及校园公共资产安全，储物柜逐渐在各大高校的图书馆或是实验室大面积普及。针对传统存储设备存在的不足，本文将以STM32作为存储设备的控制中心。在STM32系统的硬件和软件上，对其进行了可行性的验证，并对其实现的可能性进行了详细的探讨。

通过对传统储物柜存在的不足进行研究，本系统采用校园卡和上位机相结合的方式进行智能储物柜的设计。该系统操作简单、安全性高、抗干扰性强，能够满足高校对智能储物柜的需求。针对储物柜的使用，适合各高校投放使用，以来维护师生的财产安全性。

1 系统总体设计

智能储物柜系统主要由储物柜控制子系统、无线通讯子系统、上位机管理子系统组成，可与PC机、PLC等控制器通讯，实现智能楼宇控制系统的统一监控[1]。下面主要详尽地对系统的组成部分与功能措施进行描述。

（1）储物柜控制子系统主要承担柜内各类业务，如柜身人机交互业务、柜位状态监测数据采集、柜门控制等。在存贮器的前端，通过人机对话功能，将所收集到的校园牌及各柜内的数据，通过主机的数据，由主机进行相应的数据处理。此单元在接受到指定命令后会开始执行持续性的动作。

（2）无线通信子系统作为存储设备的中间媒介，主要利用 ZigBee网络网端和存储柜的系统连接进行信息传输，并利用 ZigBee协同结点与主机搭建起通讯桥梁。通过 ZigBee自组网完成数据的传输效果，实现了整个储物柜系统的全面联网。

（3）上位机管理子系统是智能储物柜系统的应用层，它可以存储、显示、分析、节点管理和历史数据查询。通过多个存储器，可以记录当前运行状态和历史运行状态，使员工对系统运行状态有一个全面的了解。同时，采用上述设备信息管理系统，可对各类设备的数量、质量进行控制[2]。

2 系统硬件设计

该系统的硬件部分着重于对各部件进行了详细的硬件结构设计，实现了各部件之间的相应编码，便于用户对各部件的状态进行实时显示。整个产品可分为下列几个层次，其中感知层为刷卡模块，网络层为通信芯片模块。

2.1 主控制模块系统

采用STM32F103ZET6芯片，采用ECOPACK封装，核心是ARM32位Cortex-M3 CPU，工作频率72MHz，1.25 DMIPS/MHz，片上集成了512KB Flash内存和64KB SRAM内存，11个定时器，13个通讯接口，112个输入/输出端口。

2.2 刷卡模块系统

利用MFRC522MFRC522为核心，以13.56MHz为核心的无接触读卡芯片，实现了对校园卡的自动识别。它是以ISO/IEC14443 A为基础，用于无接触通讯领域；通讯最远可达到5cm；产品适配ISO14443A标准协议，支持SPI、I2C、UART接口。

2.3 显示模块系统

使用12864 LCD液晶显示屏，分辨率128×64，内嵌16×16汉字8192和128×8×8 ASCII字符，可显示8×4线16×16的点阵汉字或图形，组成中文图形界面。本产品具有显示按键，图像清晰，易于识别功能。除此之外，本系统还具有一般的识别技术与3×3的密码验证功能，能够适应各个校园对智能柜的配置诉求。支持多种接口，支持多种电视模式，支持4K视频输出，满足各种校园卡的识别存取需求。此外，本系统还支持键盘快捷键操作，常用功能一键直达，方便快捷，使操作更加流畅。屏幕尺寸大、高清分辨率高、成本低、功耗低、无辐射、绿色环保。

2.4 键盘模块系统

可在运行时提供数据记录，采用电容式触摸式按键，以AT42QT2160为核心，它可将触控键与触控滑行功能相结合，可同时控制16个独立的触控键及2～8个触控键通道。此产品可使设计者在按键设计上具有创意和灵活性。针对柜内的操作使用需求，在键盘上设置了0～9号按键，并设置了“存、取、移、回退、确定”功能键，共计15个按键。

2.5 柜模块系统

用于存放物品的小柜子（带有警示灯），门锁与存物感应装置。该门锁采用HY-J10型电子锁，通过闭锁（关闭）、启动（12V）瞬间（小于1s）启动开锁，并且设有锁定状态输出检测信号，用于检测门开关。储物感应器采用了2个红外探测器，分别装在柜门和后门底部，每个红外感应器的位置都是相对的，当柜门关上时，它会自动感应到里面有什么东西，如果有东西，它就会打开。

2.6 通信芯片模块系统

用于在网络传输中，使用无线组网比有线组网更灵活、更实用、更具扩展性，避免了因布线过多造成资源浪费。该方案是利用ZigBee的自组网，以无线通讯的形式进行数据传送[3]。本系统中的ZigBee无线通信系统全部由TI公司CC2530芯片组成，CC2530在2.4G ISM频带上工作。采用Z-Stack技术，把采集到的资料传送给协调者，再由串行接口传送给PC。

2.7 蓝牙模块

为了实现更快的解锁，需要将HC-06蓝牙模块加入到系统中，该模块采用了主流的CRS蓝牙芯片，价格低廉，体积小，并能与手机实现无缝连接。在正常的运行过程中，通讯距离在8m左右，手机App内置蓝牙功能，一旦系统的设置连接成功，那么发送指定的密码即可完成解锁。另外，本系统支持键盘快捷键操作，常用功能一键直达，操作更加快捷，操作更加流畅。每个校内人士都有自己喜欢的开锁方式，指纹、密码、手环、手机App。

2.8 定位模块

GPS模块通过串口传输到IAP15F2K61S2单片机上，数据经过字节流方式传输，必须经过程序处理，转换成易于理解的信息。在提取GPS模块接收到的信息时，需要知道其传输帧结构，然后根据帧结构提取相应信息。无论是NEO-6 MUBLOX卫星GPS定位的实例，其中涵盖了帧头、帧尾、帧内数据等数据的处理。帧首随帧间的变化而变化，帧首识别帧中的资料，在每个帧中使用循环字符和换行字符。定位数据（如经纬度、时间卫星数、海拔、大地水准面高度、差分时间等）均以“$GPGGA”作为帧头。NEO-6MUBLOX卫星GPS定位模块的预设波特率是960，供电电压是3.3～5V。其主要功能是将接收信号与发送信号分开，避免接收信号混淆。它能够处理信息、思考、远程监控、优先调度信号。

3 系统软件设计

该系统的硬件实现分为三大模块：存储柜控制子系统模块、无线通信子系统管理模块、上位机子系统管理模块。

3.1 储物柜控制子系统软件

存贮箱的控制子系统，其功能是对存贮器的前端进行人机互动，并能够对存贮器的存取步骤、操作错误和存贮器的状况进行提醒。它的访问工作过程是这样的：当使用者在使用存储柜时，只要在“存”或者“取”键上按一下，就可以从RFID读卡器中读出学校卡片的资料（在提取时需要另外提供学校卡片的口令），发送到STM32F103ZET6,STM32F103ZET6又把该数据发送到PC系统；主机管理子系统根据该数据判定用户的身份是不是合法的，在满足“存/取”功能需求的情况下，小柜就会被开启。

3.2 无线通信子系统软件

ZigBee自组网使整个系统数据的自由传送成为现实：从储物柜控制子系统得到的用户信息或状态监测信息能及时传给上位机管理子系统，上位机管理子系统解析数据并得出的控制信号能及时传给储物柜控制子系统。ZigBee的WAN通信系统是基于TI公司ZStack2007的IAR平台，由协同节点、路由节点和终端节点三部分组成。协作结点采用ZigBee作为初始化，利用ZigBee与结点进行网络通讯，并采用串行方式进行主结点与主结点的通讯[4]。

首先，通过协作软件初始化ZigBee网络，根据网络分配需要访问的网络，然后将网络注册到网络中。当网络连接结束之后，协调人员将会进行一次活动的过程，利用主要的循环函数（添加一个结点，询问和接受结点的集合，向每个结点发送指令），并调用对应的工作过程。在ZigBee网络中，各路由器和终端将产生16位的短存储器，用于与协同程式进行资料的交流，并将所接收的设备所采集的资料传送至该协调员程式，之后，该指令将来自该协调员之指令。但与此同时，路由器也必须具备路由功能，它可以利用多跳的方式扩展网络的覆盖范围，并担负起传输到其他节点的工作，寻找和维护资料的路径，并与各节点之间的通信。

3.3 上位机管理子系统软件

基于智能存贮器的基本运行函数，计算机管理系统需要与存贮器的控制子系统进行高效的数据交互，并对各个存贮器的数据进行及时的处理[5]。本系统的主要任务是：与学校卡片管理员进行即时通讯，对使用者的识别是否正确，并发送相关的指令，引导其工作；管理者能够对各个小型柜的运行状况进行实时监测，对故障的设备进行监测，对整体的控制与维修，并能直接利用PC机上的小型柜进行开启；柜内的各种运行信息，如用户信息、柜体状态信息、使用时间、状态信息等，都可以在计算机中进行实时的存储和管理。当前计算机的管理系统主要是用 C#为开发基础，主要包括登录、监控、刷卡管理、小柜状态监控与维护、通讯、视频监控、小柜操作记录数据、管理员设置等功能。系统具有完善的权限管理系统和缓存机制，保证了系统的安全、高效、稳定地运行，如图1所示。

4 结语

综上所述，本系统通过对传统储物柜的研究，将校园卡与上位机相结合，设计出智能储物柜。在操作上系统的难易度较低，同时相对应的安保系统的设置十分严格，能够对外部侵入有一定的反干扰作用，满足储物柜的基本要求。该系统的应用，将为各校内部门、社区人员提供一个快捷、高效、智能化的管理平台，在面向师生和用户的服务方面，已经取得了显著的突破。同时使实验室管理和图书馆动态访问有了很大的进展，使校园安全管理制度得以顺利实施。