基于校園卡的智能儲(chǔ)物柜系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要： 高校圖書(shū)館、實(shí)驗(yàn)室、食堂、體育館等場(chǎng)合中的儲(chǔ)物柜是必不可少的。傳統(tǒng)的儲(chǔ)物柜系統(tǒng)存在不足，針對(duì)此不足，運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)，特開(kāi)發(fā)基于校園卡的智能儲(chǔ)物柜系統(tǒng)。本儲(chǔ)物柜系統(tǒng)具有智能化、信息化管理、操作簡(jiǎn)單方便等特點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】智能儲(chǔ)物柜 校園卡 RFID 技術(shù)Zigbee技術(shù)

高校圖書(shū)館、實(shí)驗(yàn)室、食堂、體育館均是學(xué)生聚集的場(chǎng)所，因此這些場(chǎng)所需配備一定數(shù)量的儲(chǔ)物柜才能滿足學(xué)生存物的需求。目前市面上比較常用的傳統(tǒng)儲(chǔ)物柜分為機(jī)械式、電子式。傳統(tǒng)機(jī)械式儲(chǔ)物柜采用傳統(tǒng)機(jī)械鎖的構(gòu)造，用戶通過(guò)鑰匙開(kāi)關(guān)箱門(mén)，在取物前，用戶須隨身攜帶此鑰匙；傳統(tǒng)電子式儲(chǔ)物柜采用單片機(jī)控制儲(chǔ)物箱的開(kāi)關(guān)，在用戶存物時(shí)提供開(kāi)箱密碼條，但在取物前，用戶須隨身攜帶此密碼條。如果用戶遺失鑰匙或密碼條，就會(huì)帶來(lái)取物的麻煩。傳統(tǒng)儲(chǔ)物柜系統(tǒng)一般不聯(lián)網(wǎng)，需由管理員定期來(lái)清柜及故障處理。如發(fā)生遺失鑰匙或密碼條的情況，管理員需到現(xiàn)場(chǎng)來(lái)判斷用戶的真實(shí)身份，勢(shì)必增加管理與維護(hù)的難度，因此傳統(tǒng)儲(chǔ)物柜存在管理、安全和便利等方面的不足。

物聯(lián)網(wǎng)是通過(guò)傳感器技術(shù)、射頻識(shí)別（ RFID）技術(shù)、無(wú)線傳感網(wǎng)技術(shù)、全球定位系統(tǒng)等各種信息技術(shù)，實(shí)時(shí)采集物體（過(guò)程）的狀態(tài)信息，并與互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)成一個(gè)物物相連的網(wǎng)絡(luò)，旨在實(shí)現(xiàn)物物、物人之間方便的網(wǎng)絡(luò)連接，使實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別、管理控制成為現(xiàn)實(shí)。隨著RFID技術(shù)的發(fā)展，校園卡（校園一卡通）己在各大高校內(nèi)廣泛使用，身影遍布食堂、超市、宿舍門(mén)禁、圖書(shū)館等地，已成為學(xué)生除手機(jī)之外的生活必備品，實(shí)現(xiàn)了“一卡走校園”。ZigBee技術(shù)以低功耗、低成本、自組多跳網(wǎng)絡(luò)、通訊距離無(wú)限擴(kuò)展、超大網(wǎng)絡(luò)容量等特點(diǎn)，成為無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)選，己被廣泛運(yùn)用在自動(dòng)監(jiān)測(cè)與控制領(lǐng)域。本設(shè)計(jì)基于校園卡，結(jié)合ZigBee技術(shù)，構(gòu)建智能儲(chǔ)物柜系統(tǒng)，大大提升了儲(chǔ)物柜系統(tǒng)的便利性、安全性及信息化管理。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

智能儲(chǔ)物柜系統(tǒng)主要由儲(chǔ)物柜控制子系統(tǒng)、無(wú)線通信子系統(tǒng)、上位機(jī)管理子系統(tǒng)組成。智能儲(chǔ)物柜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1。

（1）儲(chǔ)物柜控制子系統(tǒng)負(fù)責(zé)完成智能儲(chǔ)物柜系統(tǒng)前端的各項(xiàng)業(yè)務(wù)，包括機(jī)柜的人機(jī)交互業(yè)務(wù)、相關(guān)信息及機(jī)柜狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集業(yè)務(wù)、柜門(mén)的控制業(yè)務(wù)。儲(chǔ)物柜前端的人機(jī)交互相關(guān)模塊收集到的校園卡信息以及小柜實(shí)時(shí)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)信息會(huì)實(shí)時(shí)傳給子系統(tǒng)的主控制芯片，主控制芯片根據(jù)業(yè)務(wù)邏輯在無(wú)線通信子系統(tǒng)及上位機(jī)管理子系統(tǒng)的協(xié)助下完成一系列的處理工作。

（2）無(wú)線通信子系統(tǒng)是整個(gè)儲(chǔ)物柜系統(tǒng)的中介，通過(guò)安裝在儲(chǔ)物柜控制子系統(tǒng)中的ZigBee路由節(jié)點(diǎn)或終端節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)與儲(chǔ)物柜控制子系統(tǒng)的通信連接，通過(guò)ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)連接上位機(jī)實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)管理子系統(tǒng)的通信。通過(guò)ZigBee自組網(wǎng)完成數(shù)據(jù)的上傳下達(dá)，實(shí)現(xiàn)全面聯(lián)網(wǎng)整個(gè)儲(chǔ)物柜系統(tǒng)。

（3）上位機(jī)管理子系統(tǒng)是智能儲(chǔ)物柜系統(tǒng)的應(yīng)用層，提供儲(chǔ)物柜系統(tǒng)主要的應(yīng)用管理服務(wù)，指導(dǎo)儲(chǔ)物柜控制子系統(tǒng)完成一系列業(yè)務(wù)工作。

整個(gè)智能儲(chǔ)物柜系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1）刷卡存取包功能：校園卡作為存取包的憑證，通過(guò)RFID讀卡器讀取校園卡信息再配合鍵盤(pán)按鍵實(shí)現(xiàn)存取包操作。存包時(shí)只要使用校園卡，而取包時(shí)除了校園卡還需鍵入校園卡帳戶密碼，從而提高了儲(chǔ)物柜的安全性。

（2）提示功能：提示各儲(chǔ)物小柜的當(dāng)前占用狀態(tài)；在存取包時(shí)，液晶顯示屏能為用戶提供操作流程中必要的文字提示。

（3）小柜狀態(tài)檢測(cè)及調(diào)控維護(hù)功能：儲(chǔ)物小柜有箱門(mén)關(guān)閉檢測(cè)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)用戶逾期未關(guān)門(mén)，會(huì)發(fā)出報(bào)警聲；檢測(cè)小柜內(nèi)存物情況；如發(fā)現(xiàn)異常箱格，將自動(dòng)鎖定，并將故障信息上傳給上位機(jī)，待由管理員處理清障后方可解鎖；特殊情況下，管理員能遠(yuǎn)程控制小柜門(mén)的打開(kāi)。

（4）視頻監(jiān)控功能：儲(chǔ)物柜配有監(jiān)控?cái)z像頭，管理員可以通過(guò)上位機(jī)管理子系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控儲(chǔ)物柜周邊情況。

（5）存儲(chǔ)、處理、監(jiān)測(cè)、查詢數(shù)據(jù)功能：儲(chǔ)物柜控制子系統(tǒng)采集到的存取信息通過(guò)ZigBee自組網(wǎng)傳給上位機(jī)，上位機(jī)進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)處理后再把操作指令發(fā)送給儲(chǔ)物柜控制子系統(tǒng)；上位機(jī)還可進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并對(duì)各種數(shù)據(jù)及操作信息進(jìn)行存儲(chǔ)，以便管理員進(jìn)行歷史記錄查詢。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

智能儲(chǔ)物柜系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要集中在儲(chǔ)物柜控制子系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，主要包括主控制模塊、刷卡模塊、顯示模塊、鍵盤(pán)模塊、小柜模塊、通信芯片模塊。

主控制模塊是儲(chǔ)物柜控制子系統(tǒng)的控制中心，所用的芯片STM32F103ZET6，采用ECOPACK封裝形式，內(nèi)核為ARM32位Cortex-M3 CPU，最高工作頻率72MHz，1.25DMIPS/MHz的執(zhí)行效率，片上集成高達(dá)512KB的Flash存儲(chǔ)器及64KB的SRAM存儲(chǔ)器，多達(dá)11個(gè)定時(shí)器、13個(gè)通信接口，高達(dá)112個(gè)的快速I(mǎi)/O端口。

刷卡模塊用于感應(yīng)校園卡，采用基于13.56MHz的MFRC522非接觸式讀卡芯片。其適用基于ISO/IEC 14443A標(biāo)準(zhǔn)的非接觸式通信應(yīng)用場(chǎng)合；通信距離高達(dá)5cm；支持12C、SPI、UART接口。

顯示模塊可在用戶操作儲(chǔ)物柜時(shí)提供必要的文字圖形提示幫助，采用低電壓低功耗的12864 LCD液晶顯示屏，其分辨率為128 x64，內(nèi)置16416點(diǎn)漢字8192個(gè)與16*8點(diǎn)ASCII字符128個(gè)，可顯示8x4行16416點(diǎn)陣的漢字或圖形，構(gòu)成全中文圖形界面。

鍵盤(pán)模塊用于在操作時(shí)提供數(shù)據(jù)信息錄入通道，采用電容觸摸按鍵，使用AT42QT2160作為內(nèi)核，其在單個(gè)器件中結(jié)合了觸摸按鍵和觸摸滑動(dòng)功能，能控制高達(dá)16個(gè)單獨(dú)的觸摸按鍵和由2-8個(gè)觸摸按鍵通道構(gòu)成的滑塊。該產(chǎn)品能讓設(shè)計(jì)人員靈活創(chuàng)造性地設(shè)計(jì)按鍵。根據(jù)儲(chǔ)物柜操作使用要求，鍵盤(pán)面板共設(shè)計(jì)0-9共10個(gè)數(shù)字鍵以及“存、取、刪除、回退、確定”功能鍵5個(gè)，合計(jì)15個(gè)鍵。

小柜模塊用于存儲(chǔ)物品，包括小柜箱（帶提示燈）、門(mén)鎖與存物感應(yīng)器。門(mén)鎖采用的是HY-J10電子鎖，采用關(guān)門(mén)（斷電）上鎖、通電（12V）瞬間（小于1秒）觸發(fā)開(kāi)鎖，設(shè)有鎖狀態(tài)輸出檢測(cè)信號(hào)，用于偵測(cè)門(mén)的開(kāi)關(guān)。存物感應(yīng)器采用兩根紅外測(cè)物條在小柜門(mén)及背門(mén)處的底部處放置，兩根測(cè)物條上有多對(duì)紅外對(duì)射感應(yīng)器，當(dāng)小柜門(mén)關(guān)閉后便進(jìn)行存物檢測(cè)，如有存物則箱門(mén)上的提示燈亮，反之燈滅。

通信芯片模塊用于網(wǎng)絡(luò)傳輸，對(duì)比有線組網(wǎng)，采用無(wú)線組網(wǎng)更靈活實(shí)用、更有擴(kuò)展性，避免大量布線導(dǎo)致的麻煩與資源浪費(fèi)。系統(tǒng)采用無(wú)線通信模式，使用ZigBee自組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳下達(dá)。ZigBee自組網(wǎng)系統(tǒng)由一個(gè)ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與若干個(gè)ZigBee路由或終端節(jié)點(diǎn)組成。節(jié)點(diǎn)的ZigBee無(wú)線傳輸模塊均使用TI公司的002530芯片，CC2530 -般工作于2.4G ISM頻段，由完全集成的、高性能的RF收發(fā)器、8051微處理器，8 kB的RAM、32/64/128/256 KB閃存以及其他強(qiáng)大的支持外設(shè)結(jié)合而成。ZigBee路由節(jié)點(diǎn)或終端節(jié)點(diǎn)就放置在儲(chǔ)物柜控制子系統(tǒng)內(nèi)，用于將儲(chǔ)物柜信息傳給ZigBee協(xié)調(diào)器，并由協(xié)調(diào)器傳給上位機(jī)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

智能儲(chǔ)物柜系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括以下三個(gè)部分：儲(chǔ)物柜控制子系統(tǒng)軟件、無(wú)線通信子系統(tǒng)軟件、上位機(jī)管理子系統(tǒng)軟件。

3.1 儲(chǔ)物柜控制子系統(tǒng)軟件

儲(chǔ)物柜控制子系統(tǒng)主要完成儲(chǔ)物柜前端的人機(jī)交互并其能實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)物柜存取步驟、操作錯(cuò)誤和小柜狀態(tài)進(jìn)行提示等。其存取工作流程如下：用戶使用儲(chǔ)物柜時(shí)，通過(guò)鍵盤(pán)點(diǎn)擊“存”或“取”按鍵，然后通過(guò)RFID讀卡器讀取用戶的校園卡信息（取物時(shí)另需輸入校園卡密碼）并傳給STM32F103ZET6，STM32F103ZET6再將信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳給上位機(jī)管理子系統(tǒng)；由上位機(jī)管理子系統(tǒng)依此判斷用戶的身份是否有效，當(dāng)信息均符合對(duì)應(yīng)“存/取”的操作要求時(shí)，下達(dá)開(kāi)柜信號(hào)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳至STM32F103ZET6上后，小柜被打開(kāi)。儲(chǔ)物柜控制子系統(tǒng)存取操作流程如圖3所示，軟件設(shè)計(jì)使用C語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)編程。

3.2 無(wú)線通信子系統(tǒng)軟件

ZigBee自組網(wǎng)使整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的自由傳送成為現(xiàn)實(shí)：從儲(chǔ)物柜控制子系統(tǒng)得到的用戶信息或狀態(tài)監(jiān)測(cè)信息能及時(shí)傳給上位機(jī)管理子系統(tǒng)，上位機(jī)管理子系統(tǒng)解析數(shù)據(jù)并得出的控制信號(hào)能及時(shí)傳給儲(chǔ)物柜控制子系統(tǒng)。ZigBee無(wú)線通信子系統(tǒng)軟件的開(kāi)發(fā)以IAR作為開(kāi)發(fā)環(huán)境，基于TI公司的ZStack2007協(xié)議棧，由協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)、終端節(jié)點(diǎn)三部分的設(shè)計(jì)組成。

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)初始化整個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)，與各節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)Zigbee協(xié)議實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)與通信，并通過(guò)串口實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)管理子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳遞。協(xié)調(diào)器先初始化一個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)，等待節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)申請(qǐng)，并給申請(qǐng)入網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)對(duì)應(yīng)的網(wǎng)址，同時(shí)記錄該節(jié)點(diǎn)，ZigBee完成組網(wǎng)。組網(wǎng)之后，協(xié)調(diào)器進(jìn)入事件處理循環(huán)中，調(diào)用主循環(huán)函數(shù)，輪詢所有觸發(fā)事件（節(jié)點(diǎn)加入、查詢接收各節(jié)點(diǎn)傳來(lái)的采集信息、向各節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制指令），并調(diào)用相關(guān)的任務(wù)處理函數(shù)。

申請(qǐng)進(jìn)入Zigbee網(wǎng)絡(luò)的路由節(jié)點(diǎn)及終端節(jié)點(diǎn)會(huì)獲得一個(gè)16位短地址，可以與協(xié)調(diào)器進(jìn)行信息互傳，它們均要將其所綁定設(shè)備采集來(lái)的信息及時(shí)傳給協(xié)調(diào)器，并接收由協(xié)調(diào)器送來(lái)的控制設(shè)備相關(guān)指令。但路由器節(jié)點(diǎn)還需具備路由功能，作為終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器的中繼，以多跳方式擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積，負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)資料包，尋找及維護(hù)數(shù)據(jù)的路由路徑，接力終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)之間的通信。

3.3 上位機(jī)管理子系統(tǒng)軟件

基于智能儲(chǔ)物柜的基礎(chǔ)操作功能，上位機(jī)管理子系統(tǒng)必須完成與儲(chǔ)物柜控制子系統(tǒng)有效的信息交換，實(shí)時(shí)處理各儲(chǔ)物小柜傳來(lái)的信息。該子系統(tǒng)軟件需實(shí)現(xiàn)以下功能：通過(guò)實(shí)時(shí)與校園卡管理數(shù)據(jù)庫(kù)溝通，判斷用戶身份的有效性并下達(dá)相關(guān)信號(hào)指導(dǎo)儲(chǔ)物柜控制子系統(tǒng)的工作；管理員能實(shí)時(shí)監(jiān)控各小柜狀態(tài)，監(jiān)察問(wèn)題設(shè)備的報(bào)警，調(diào)控維護(hù)整個(gè)儲(chǔ)物柜系統(tǒng)，并能在特殊情況下，通過(guò)上位機(jī)直接打開(kāi)小柜；儲(chǔ)物柜控制子系統(tǒng)的所有操作相關(guān)信息（用戶信息、小柜狀態(tài)信息、使用時(shí)間與情況等信息）均會(huì)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)到上位機(jī)管理數(shù)據(jù)庫(kù)，以便管理員進(jìn)行歷史查詢與管理。

上位機(jī)管理子系統(tǒng)軟件使用C#作為程序開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，程序主要包括以下幾個(gè)功能模塊：登錄模塊、系統(tǒng)監(jiān)控主模塊、刷卡管理模塊、小柜狀態(tài)監(jiān)控及調(diào)控維護(hù)模塊、通信模塊、視頻監(jiān)控模塊、小柜操作記錄數(shù)據(jù)模塊、管理員設(shè)置模塊。

4 測(cè)試與結(jié)論

最后實(shí)施系統(tǒng)測(cè)試。

4.1 測(cè)試ZigBee組網(wǎng)

首先先將上位機(jī)通過(guò)串口連接ZigBee協(xié)調(diào)器，然后依次給它們通電啟動(dòng)，再逐一給儲(chǔ)物柜通電啟動(dòng)。觀察到每一個(gè)安裝在儲(chǔ)物柜內(nèi)的ZigBee節(jié)點(diǎn)能陸續(xù)成功入網(wǎng)完成組網(wǎng)任務(wù)，登錄上位機(jī)管理子系統(tǒng)的通信模塊也可查到ZigBee組網(wǎng)成功、每個(gè)節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)路徑與狀態(tài)。

4.2 測(cè)試存取物

存物時(shí)，當(dāng)使用非校園卡接近讀卡器，屏幕顯示無(wú)效卡，再使用校園卡便可打開(kāi)空柜門(mén)；存物關(guān)門(mén)后，小柜門(mén)前燈亮起。取物時(shí)，用非本機(jī)柜用戶的校園卡接近讀卡器，顯示“非本柜用戶，請(qǐng)去N號(hào)儲(chǔ)物柜取物”；用本機(jī)柜用戶校園卡取物時(shí)，若密碼有誤，會(huì)要求重輸密碼；若信息均符合后，則打開(kāi)對(duì)應(yīng)柜門(mén)，取物關(guān)門(mén)后，小柜門(mén)前燈滅。

4.3 測(cè)試上位機(jī)監(jiān)測(cè)情況

上位機(jī)管理子系統(tǒng)中可查詢以上存取物的記錄，也可實(shí)時(shí)查詢各小柜的實(shí)時(shí)狀態(tài)及視頻情況；管理員可遠(yuǎn)程打開(kāi)小柜門(mén)。

經(jīng)整體測(cè)試，系統(tǒng)運(yùn)行正常。

本系統(tǒng)主要面向高校人員聚集場(chǎng)所，高校人員相對(duì)固定，無(wú)論師生均有各自如同校園身份證一樣的校園卡，采用校園卡做為開(kāi)柜的唯一憑證，不僅合理利用了校園管理資源，更提高了操作安全性與實(shí)用簡(jiǎn)便性；通過(guò)無(wú)線自組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信息傳送，使儲(chǔ)物柜遍布高校各處又免去布線的麻煩，實(shí)時(shí)上傳下達(dá)信息及指令；上位機(jī)聯(lián)合校園卡數(shù)據(jù)庫(kù)準(zhǔn)確定位儲(chǔ)物柜用戶的身份，并能保存用戶的所有操作記錄，實(shí)時(shí)監(jiān)控各個(gè)儲(chǔ)物柜的存取情況及狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)物框的智能管理與調(diào)控維護(hù)。本智能儲(chǔ)物柜系統(tǒng)運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)解決了傳統(tǒng)儲(chǔ)物柜的不足，具有智能化、信息化管理、方便操作等特點(diǎn)。

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