基于校园卡的智能储物柜系统设计

摘要： 高校图书馆、实验室、食堂、体育馆等场合中的储物柜是必不可少的。传统的储物柜系统存在不足，针对此不足，运用物联网相关技术，特开发基于校园卡的智能储物柜系统。本储物柜系统具有智能化、信息化管理、操作简单方便等特点。

【关键词】智能储物柜 校园卡 RFID 技术Zigbee技术

高校图书馆、实验室、食堂、体育馆均是学生聚集的场所，因此这些场所需配备一定数量的储物柜才能满足学生存物的需求。目前市面上比较常用的传统储物柜分为机械式、电子式。传统机械式储物柜采用传统机械锁的构造，用户通过钥匙开关箱门，在取物前，用户须随身携带此钥匙；传统电子式储物柜采用单片机控制储物箱的开关，在用户存物时提供开箱密码条，但在取物前，用户须随身携带此密码条。如果用户遗失钥匙或密码条，就会带来取物的麻烦。传统储物柜系统一般不联网，需由管理员定期来清柜及故障处理。如发生遗失钥匙或密码条的情况，管理员需到现场来判断用户的真实身份，势必增加管理与维护的难度，因此传统储物柜存在管理、安全和便利等方面的不足。

物联网是通过传感器技术、射频识别（ RFID）技术、无线传感网技术、全球定位系统等各种信息技术，实时采集物体（过程）的状态信息，并与互联网联成一个物物相连的网络，旨在实现物物、物人之间方便的网络连接，使实时网络识别、管理控制成为现实。随着RFID技术的发展，校园卡（校园一卡通）己在各大高校内广泛使用，身影遍布食堂、超市、宿舍门禁、图书馆等地，已成为学生除手机之外的生活必备品，实现了“一卡走校园”。ZigBee技术以低功耗、低成本、自组多跳网络、通讯距离无限扩展、超大网络容量等特点，成为无线传感网络的优选，己被广泛运用在自动监测与控制领域。本设计基于校园卡，结合ZigBee技术，构建智能储物柜系统，大大提升了储物柜系统的便利性、安全性及信息化管理。

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、无线通信子系统、上位机管理子系统组成。智能储物柜系统结构框图如图1。

（1）储物柜控制子系统负责完成智能储物柜系统前端的各项业务，包括机柜的人机交互业务、相关信息及机柜状态监测数据的采集业务、柜门的控制业务。储物柜前端的人机交互相关模块收集到的校园卡信息以及小柜实时状态的监测信息会实时传给子系统的主控制芯片，主控制芯片根据业务逻辑在无线通信子系统及上位机管理子系统的协助下完成一系列的处理工作。

（2）无线通信子系统是整个储物柜系统的中介，通过安装在储物柜控制子系统中的ZigBee路由节点或终端节点实现与储物柜控制子系统的通信连接，通过ZigBee协调器节点连接上位机实现与上位机管理子系统的通信。通过ZigBee自组网完成数据的上传下达，实现全面联网整个储物柜系统。

（3）上位机管理子系统是智能储物柜系统的应用层，提供储物柜系统主要的应用管理服务，指导储物柜控制子系统完成一系列业务工作。

整个智能储物柜系统能实现以下功能：

（1）刷卡存取包功能：校园卡作为存取包的凭证，通过RFID读卡器读取校园卡信息再配合键盘按键实现存取包操作。存包时只要使用校园卡，而取包时除了校园卡还需键入校园卡帐户密码，从而提高了储物柜的安全性。

（2）提示功能：提示各储物小柜的当前占用状态；在存取包时，液晶显示屏能为用户提供操作流程中必要的文字提示。

（3）小柜状态检测及调控维护功能：储物小柜有箱门关闭检测，当发现用户逾期未关门，会发出报警声；检测小柜内存物情况；如发现异常箱格，将自动锁定，并将故障信息上传给上位机，待由管理员处理清障后方可解锁；特殊情况下，管理员能远程控制小柜门的打开。

（4）视频监控功能：储物柜配有监控摄像头，管理员可以通过上位机管理子系统实时监控储物柜周边情况。

（5）存储、处理、监测、查询数据功能：储物柜控制子系统采集到的存取信息通过ZigBee自组网传给上位机，上位机进行相关数据处理后再把操作指令发送给储物柜控制子系统；上位机还可进行实时监测并对各种数据及操作信息进行存储，以便管理员进行历史记录查询。

2 系统硬件设计

智能储物柜系统硬件设计主要集中在储物柜控制子系统的硬件设计，硬件结构图如图2所示，主要包括主控制模块、刷卡模块、显示模块、键盘模块、小柜模块、通信芯片模块。

主控制模块是储物柜控制子系統的控制中心，所用的芯片STM32F103ZET6，采用ECOPACK封装形式，内核为ARM32位Cortex-M3 CPU，最高工作频率72MHz，1.25DMIPS/MHz的执行效率，片上集成高达512KB的Flash存储器及64KB的SRAM存储器，多达11个定时器、13个通信接口，高达112个的快速I/O端口。

刷卡模块用于感应校园卡，采用基于13.56MHz的MFRC522非接触式读卡芯片。其适用基于ISO/IEC 14443A标准的非接触式通信应用场合；通信距离高达5cm；支持12C、SPI、UART接口。

显示模块可在用户操作储物柜时提供必要的文字图形提示帮助，采用低电压低功耗的12864 LCD液晶显示屏，其分辨率为128 x64，内置16416点汉字8192个与16*8点ASCII字符128个，可显示8x4行16416点阵的汉字或图形，构成全中文图形界面。

键盘模块用于在操作时提供数据信息录入通道，采用电容触摸按键，使用AT42QT2160作为内核，其在单个器件中结合了触摸按键和触摸滑动功能，能控制高达16个单独的触摸按键和由2-8个触摸按键通道构成的滑块。该产品能让设计人员灵活创造性地设计按键。根据储物柜操作使用要求，键盘面板共设计0-9共10个数字键以及“存、取、删除、回退、确定”功能键5个，合计15个键。

小柜模块用于存储物品，包括小柜箱（带提示灯）、门锁与存物感应器。门锁采用的是HY-J10电子锁，采用关门（断电）上锁、通电（12V）瞬间（小于1秒）触发开锁，设有锁状态输出检测信号，用于侦测门的开关。存物感应器采用两根红外测物条在小柜门及背门处的底部处放置，两根测物条上有多对红外对射感应器，当小柜门关闭后便进行存物检测，如有存物则箱门上的提示灯亮，反之灯灭。

通信芯片模块用于网络传输，对比有线组网，采用无线组网更灵活实用、更有扩展性，避免大量布线导致的麻烦与资源浪费。系统采用无线通信模式，使用ZigBee自组网实现数据的上传下达。ZigBee自组网系统由一个ZigBee协调器节点与若干个ZigBee路由或终端节点组成。节点的ZigBee无线传输模块均使用TI公司的002530芯片，CC2530 -般工作于2.4G ISM频段，由完全集成的、高性能的RF收发器、8051微处理器，8 kB的RAM、32/64/128/256 KB闪存以及其他强大的支持外设结合而成。ZigBee路由节点或终端节点就放置在储物柜控制子系统内，用于将储物柜信息传给ZigBee协调器，并由协调器传给上位机。

3 系统软件设计

智能储物柜系统的软件设计主要包括以下三个部分：储物柜控制子系统软件、无线通信子系统软件、上位机管理子系统软件。

3.1 储物柜控制子系统软件

储物柜控制子系统主要完成储物柜前端的人机交互并其能实现对储物柜存取步骤、操作错误和小柜状态进行提示等。其存取工作流程如下：用户使用储物柜时，通过键盘点击“存”或“取”按键，然后通过RFID读卡器读取用户的校园卡信息（取物时另需输入校园卡密码）并传给STM32F103ZET6，STM32F103ZET6再将信息通过网络传给上位机管理子系统；由上位机管理子系统依此判断用户的身份是否有效，当信息均符合对应“存/取”的操作要求时，下达开柜信号，通过网络传至STM32F103ZET6上后，小柜被打开。储物柜控制子系统存取操作流程如图3所示，软件设计使用C语言来实现编程。

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无线通信子系统软件的开发以IAR作为开发环境，基于TI公司的ZStack2007协议栈，由协调器节点和路由节点、终端节点三部分的设计组成。

协调器节点负责初始化整个Zigbee网络，与各节点之间通过Zigbee协议实现组网与通信，并通过串口实现各节点与上位机管理子系统的数据传递。协调器先初始化一个Zigbee网络，等待节点的入网申请，并给申请入网的节点分配一个对应的网址，同时记录该节点，ZigBee完成组网。组网之后，协调器进入事件处理循环中，调用主循环函数，轮询所有触发事件（节点加入、查询接收各节点传来的采集信息、向各节点发送控制指令），并调用相关的任务处理函数。

申请进入Zigbee网络的路由节点及终端节点会获得一个16位短地址，可以与协调器进行信息互传，它们均要将其所绑定设备采集来的信息及时传给协调器，并接收由协调器送来的控制设备相关指令。但路由器节点还需具备路由功能，作为终端节点和协调器的中继，以多跳方式扩展网络覆盖面积，负责转发其他节点的数据资料包，寻找及维护数据的路由路径，接力终端节点和协调器节点之间的通信。

3.3 上位机管理子系统软件

基于智能储物柜的基础操作功能，上位机管理子系统必须完成与储物柜控制子系统有效的信息交换，实时处理各储物小柜传来的信息。该子系统软件需实现以下功能：通过实时与校园卡管理数据库沟通，判断用户身份的有效性并下达相关信号指导储物柜控制子系统的工作；管理员能实时监控各小柜状态，监察问题设备的报警，调控维护整个储物柜系统，并能在特殊情况下，通过上位机直接打开小柜；儲物柜控制子系统的所有操作相关信息（用户信息、小柜状态信息、使用时间与情况等信息）均会实时存储到上位机管理数据库，以便管理员进行历史查询与管理。

上位机管理子系统软件使用C#作为程序开发语言，程序主要包括以下几个功能模块：登录模块、系统监控主模块、刷卡管理模块、小柜状态监控及调控维护模块、通信模块、视频监控模块、小柜操作记录数据模块、管理员设置模块。

4 测试与结论

最后实施系统测试。

4.1 测试ZigBee组网

首先先将上位机通过串口连接ZigBee协调器，然后依次给它们通电启动，再逐一给储物柜通电启动。观察到每一个安装在储物柜内的ZigBee节点能陆续成功入网完成组网任务，登录上位机管理子系统的通信模块也可查到ZigBee组网成功、每个节点的入网路径与状态。

4.2 测试存取物

存物时，当使用非校园卡接近读卡器，屏幕显示无效卡，再使用校园卡便可打开空柜门；存物关门后，小柜门前灯亮起。取物时，用非本机柜用户的校园卡接近读卡器，显示“非本柜用户，请去N号储物柜取物”；用本机柜用户校园卡取物时，若密码有误，会要求重输密码；若信息均符合后，则打开对应柜门，取物关门后，小柜门前灯灭。

4.3 测试上位机监测情况

上位机管理子系统中可查询以上存取物的记录，也可实时查询各小柜的实时状态及视频情况；管理员可远程打开小柜门。

经整体测试，系统运行正常。

本系统主要面向高校人员聚集场所，高校人员相对固定，无论师生均有各自如同校园身份证一样的校园卡，采用校园卡做为开柜的唯一凭证，不仅合理利用了校园管理资源，更提高了操作安全性与实用简便性；通过无线自组网实现网络信息传送，使储物柜遍布高校各处又免去布线的麻烦，实时上传下达信息及指令；上位机联合校园卡数据库准确定位储物柜用户的身份，并能保存用户的所有操作记录，实时监控各个储物柜的存取情况及状态，实现了储物框的智能管理与调控维护。本智能储物柜系统运用物联网相关技术解决了传统储物柜的不足，具有智能化、信息化管理、方便操作等特点。

参考文献

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