基于ZigBee的校園共享智能儲(chǔ)物柜設(shè)計(jì)

孫荷娟　馬薈杰　馬運(yùn)鑫　王綺夢(mèng)　董浩成

摘要：基于ZigBee技術(shù)并結(jié)合RFID技術(shù)，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(gòu)成儲(chǔ)物柜的硬件系統(tǒng)。ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、無線采集終端節(jié)點(diǎn)、無線控制終端節(jié)點(diǎn)、上位機(jī)設(shè)計(jì)為軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)存取物品功能，顯示功能，狀態(tài)檢測(cè)和維護(hù)調(diào)控功能，視頻監(jiān)控功能，存儲(chǔ)、處理、監(jiān)測(cè)、查詢功能，APP提示功能。

關(guān)鍵詞：ZigBee技術(shù);RFID技術(shù);儲(chǔ)物柜;共享

中圖分類號(hào)：TP391? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）01-0024-03

高校圖書館、食堂、教學(xué)樓、操場(chǎng)等都是人群密集之地，由此更加需要儲(chǔ)物柜為人們解決物品存放的問題。市場(chǎng)上的儲(chǔ)物柜大多為機(jī)械式、電子式儲(chǔ)物柜[1]，而這樣儲(chǔ)物柜安全性與便捷性卻略有欠缺。當(dāng)丟失鑰匙或密碼條時(shí)，儲(chǔ)物柜的安全性就難以保障。要想取出儲(chǔ)物柜中的物品，便需要管理員認(rèn)證身份，消耗時(shí)間且增加管理與維護(hù)難度。這就體現(xiàn)了傳統(tǒng)儲(chǔ)物柜難以管理、安全性低、便捷性低等的缺點(diǎn)。而使用物聯(lián)網(wǎng)[2]的射頻識(shí)別技術(shù)與ZigBee技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)物與物、物與人的泛在連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)物品和過程的智能化感知、識(shí)別和管理，將兩種技術(shù)聯(lián)合在一起，能極大提升儲(chǔ)物柜的性能，減少商家成本，滿足高校學(xué)生的儲(chǔ)物需求。射頻識(shí)別技術(shù)即RFID技術(shù)的快速發(fā)展體現(xiàn)在：高校校園一卡通[4]。擁有一張卡，即可實(shí)現(xiàn)自由出入圖書館、食堂消費(fèi)、生活繳費(fèi)等功能。物聯(lián)網(wǎng)中的ZigBee[5]技術(shù)是基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議，是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低成本的雙向無線通信技術(shù)。

1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)、無線通信子系統(tǒng)、上位機(jī)管理子系統(tǒng)組成。共享智能儲(chǔ)物柜系統(tǒng)是基于ZigBee技術(shù)，結(jié)合RFID技術(shù)構(gòu)建而成的。儲(chǔ)物柜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

儲(chǔ)物柜控制子系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)完成對(duì)儲(chǔ)物柜系統(tǒng)的一系列操作命令。包括完成機(jī)柜前端用戶對(duì)儲(chǔ)物柜的指令、實(shí)現(xiàn)用戶信息以及儲(chǔ)物柜實(shí)時(shí)狀態(tài)信息的采集、完成柜門的控制業(yè)務(wù)等。儲(chǔ)物柜控制子系統(tǒng)收集的數(shù)據(jù)會(huì)實(shí)時(shí)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(tǒng)傳遞給上位機(jī)管理子系統(tǒng)，并完成上位機(jī)的指示命令。

無線通信子系統(tǒng)是整個(gè)儲(chǔ)物柜系統(tǒng)的中介，通過ZigBee終端節(jié)點(diǎn)與若干個(gè)ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)連接形成一個(gè)ZigBee自組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)物柜控制子系統(tǒng)與上位機(jī)管理子系統(tǒng)的連接通信，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)儲(chǔ)物柜系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)通信。

上位機(jī)管理子系統(tǒng)通過對(duì)儲(chǔ)物柜控制子系統(tǒng)傳達(dá)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并進(jìn)行反饋指導(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)的功能包括存取物品功能，顯示功能，狀態(tài)檢測(cè)和維護(hù)調(diào)控功能，視頻監(jiān)控功能，存儲(chǔ)、處理、監(jiān)測(cè)、查詢功能，App提示功能。

2硬件系統(tǒng)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)，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(chǔ)物柜系統(tǒng)中的主要功能。

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，主要用于對(duì)事件進(jìn)行請(qǐng)求、觸發(fā)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(yīng)校園卡，讀取卡片中的個(gè)人數(shù)據(jù)信息。通過讀卡器讀取數(shù)據(jù)是整個(gè)系統(tǒng)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(chǔ)物柜時(shí)提供必要的文字圖形提示幫助。

鍵盤模塊用于在操作時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的錄入，實(shí)現(xiàn)用戶直接與儲(chǔ)物柜“對(duì)話”的方式，采用電容觸摸按鍵，使用AT42QT2160 作為內(nèi)核，使用簡(jiǎn)單，方便用戶對(duì)儲(chǔ)物柜的使用。

通信芯片模塊用于無線網(wǎng)絡(luò)的信息數(shù)據(jù)傳輸。節(jié)點(diǎn)的ZigBee無線傳輸模塊均使用CC2530芯片，它用于將收集到的儲(chǔ)物柜信息或用戶的數(shù)據(jù)信息傳給ZigBee 協(xié)調(diào)器，并由協(xié)調(diào)器傳給上位機(jī);同時(shí)，上位機(jī)下達(dá)的信息通過ZigBee自組網(wǎng)傳達(dá)到CC2530通訊芯片，實(shí)現(xiàn)管理員對(duì)儲(chǔ)物柜的遠(yuǎn)程控制。

小柜模塊組裝各種感應(yīng)器，用于檢測(cè)儲(chǔ)物柜的各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息。

3軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能儲(chǔ)物柜系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要由無線采集終端節(jié)點(diǎn)、ZigBee 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、無線控制終端節(jié)點(diǎn)、上位機(jī)設(shè)計(jì)這四個(gè)部分組成。

儲(chǔ)物柜相關(guān)信息的獲取是由無線采集終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)完成的。無線采集終端節(jié)點(diǎn)能夠通過讀卡芯片讀取到用戶的數(shù)據(jù)信息，通過儲(chǔ)物柜上的各種感應(yīng)器獲取儲(chǔ)物柜的狀態(tài)信息和柜門信息，通過讀取監(jiān)控內(nèi)存得到視頻錄像等數(shù)據(jù)。無線采集終端節(jié)點(diǎn)通過若干個(gè)ZigBee路由器和ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)組成的ZigBee自組網(wǎng)和無線控制終端節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的無線通信子系統(tǒng)將收集到的信息傳遞給上位機(jī)管理子系統(tǒng)。

儲(chǔ)物柜控制子系統(tǒng)通過無線通信網(wǎng)絡(luò)與上位機(jī)進(jìn)行連接通信，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換;上位機(jī)也通過無線通信網(wǎng)絡(luò)與儲(chǔ)物柜控制子系統(tǒng)相連，實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)物柜的控制與反饋。

上位機(jī)管理子系統(tǒng)通過ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與儲(chǔ)物柜控制子系統(tǒng)進(jìn)行有效的信息交換，指導(dǎo)儲(chǔ)物柜控制子系統(tǒng)完成一系列業(yè)務(wù)工作。上位機(jī)設(shè)計(jì)是基于C#技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，程序主要包括系統(tǒng)登錄模塊、刷卡管理模塊、數(shù)據(jù)模塊、儲(chǔ)物柜狀態(tài)監(jiān)控及調(diào)控維護(hù)模塊、通信模塊、視頻監(jiān)控模塊、應(yīng)用軟件管理模塊這七個(gè)模塊。

系統(tǒng)登錄模塊。管理者進(jìn)入系統(tǒng)要進(jìn)行登錄，驗(yàn)證個(gè)人身份信息，保證系統(tǒng)的安全性。登錄模塊是儲(chǔ)物柜系統(tǒng)重要的安全屏障，對(duì)用戶和系統(tǒng)的信息保護(hù)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(shù)結(jié)合C#語言實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的門禁管理系統(tǒng)。刷卡管理模塊為用戶提供一種使用儲(chǔ)物柜的便捷方法，對(duì)儲(chǔ)物柜柜門進(jìn)行管理控制。