實現槍支智能化管理是當前部隊信息化建設的重要方面。但部隊槍支管理現階段仍處于“機械式槍柜+人工手動操作”的模式，不僅操作過程繁瑣、效率低下，而且不能實現對槍支的有效監(jiān)管。目前，許多新技術被引入到槍支管理中，如參考文獻[1]中采用RFID技術，通過在槍體上附著電子標簽來識別槍支；參考文獻[2]中采用ZigBee技術，通過在槍支上安裝無線傳感器來實現槍支定位等。但是由于部隊有不得對槍體進行改變的使用規(guī)定，因而限制了這些方法的使用。
    針對上述方法的不足，本文基于功能強大的STM32-F107VCT6[3]單片機設計了槍柜系統(tǒng)。系統(tǒng)充分利用單片機片上資源，結合指紋識別技術、視頻監(jiān)控技術和網絡通信技術等多種技術實現了智能化槍柜管理，不僅提高了槍支存取的效率，而且保證了對槍支的有效監(jiān)管。同時軟件部分嵌入高性能的實時操作系統(tǒng)μC/OS-III，用于不同任務之間的調度，極大地提高了系統(tǒng)的可靠性與實時性。
1 系統(tǒng)總體結構
    智能槍柜系統(tǒng)由嵌入式槍柜控制器和3路攝像頭(1路針孔攝像頭用于監(jiān)控指紋錄入過程、2路半球攝像機用于監(jiān)控取/還槍過程)、硬盤錄像機、電動槍/門鎖、震動探測器、壓力開關、門磁、聲光報警器、狀態(tài)燈、指紋儀、UPS、以太網接口等外圍設備組成，如圖1所示。

    嵌入式槍柜控制器作為下位機系統(tǒng)核心，獨立工作時可實現槍支存取過程的安全、可靠、自主的管理，包括通過指紋權限自動控制槍支存取，生成和存儲開槍鎖、開柜門和報警3種記錄，自主完成防盜防爆檢測和視頻監(jiān)控取/還槍過程等功能。同時系統(tǒng)配備UPS電源，可保證在斷電情況下工作2 h。當與上位機連接后，控制器可以通過以太網上傳實時生成的記錄。上位機智能槍柜管理系統(tǒng)也可實時視頻監(jiān)控取槍過程、檢索硬盤錄像機中保存的歷史視頻記錄、抓拍指紋錄入人員圖像、查看槍支實時在位情況和柜門狀態(tài)、遠程開啟柜門和指定槍鎖、進行槍支使用和槍柜管理授權、下載控制器保存的歷史記錄、生成報表、命名槍柜和槍支、設置槍柜IP地址等。
2 槍柜控制器硬件設計
2.1 總體硬件設計
    槍柜控制器分為信號檢測板、核心控制板和信號輸出板三部分，如圖2所示。信號檢測部分主要用于信號輸入，來源包括震動探測器、壓力開關、門磁、硬盤錄像機和指紋儀。由于輸入信號均為5 V電平，而單片機管腳支持CMOS電平，因此輸入信號經光耦隔離后，需要使用74LS245進行電平轉換才能送入單片機。輸出控制板主要是用于驅動繼電器，單片機輸出信號經74HC640隔離后，通過ULN2803芯片驅動12 V繼電器。通過將繼電器串聯在電路中實現對電動槍/門鎖、聲光報警器和狀態(tài)指示燈的控制。
    核心控制板主要功能是與上位機通信、根據輸入信號進行相應動作等。為充分利用單片機內部資源，系統(tǒng)采用芯片內部RTC模塊進行計時，主要外圍電路包括以太網通信和Flash存儲兩部分。

2.2 以太網通信電路設計[4]
    STM32F107芯片內部集成了高性能以太網模塊，通過外接PHY芯片可以實現以太網數據收發(fā)功能。該模塊靈活可調，符合IEEE802.3標準，支持MII和RMII 2種模式，數據傳輸速率可達10/100 Mb/s，能夠滿足不同設計需求。該部分電路采用高性價比的DM9161A作為以太網PHY芯片，采用RMII接口進行連接，極大地節(jié)約管腳資源。同時為簡化電路設計，利用單片機的PA8管腳代替外部晶振來提供時鐘輸入，用于驅動PHY芯片。電路設計如圖3所示。

2.3 Flash存儲電路
    當槍柜獨立工作時，控制器需要保存開門、開鎖、報警3種記錄和部分設置參數。而單片機內部雖然具有256 KB Flash，但遠遠不能滿足存儲需要，因此需要外掛存儲芯片。本設計中采用W25X16芯片，該芯片工作電壓為2.7～3.6 V，具有2 MB的存儲容量；支持標準的SPI和雙輸出的SPI，最大時鐘可以達到75 MHz；芯片擦寫周期為10 000次，具有20年的數據保存周期。STM32-F107VCT6單片機SPI接口允許半/全雙工同步串行通信，可按8或16位幀格式傳輸，支持主從模式選擇，可進行CRC校驗和DMA數據收發(fā)。本設計采用SPI總線管腳PA5、PA6、PA7、PB9設計電路，如圖4所示。

3 軟件設計
    由于系統(tǒng)要完成與上位機的數據交換、解析指紋、檢測報警信號、修改下位機參數、讀寫3類記錄等多項任務，因此為提高可靠性，系統(tǒng)軟件部分基于嵌入式多任務實時操作系統(tǒng)μC/OS-III[5]進行開發(fā)。如圖5所示。系統(tǒng)共調度8個任務，主要完成以太網數據交互、取/還槍流程管理、報警監(jiān)測三大功能。

3.1 以太網數據交互
    本模塊主要是解析上位機操作指令來完成不同任務，并在網絡連接情況下上傳實時記錄。
    網絡通信通過移植輕量級的TCP/IP協議棧LwIP來實現。LwIP[6]特點是有利于減少內存使用率和代碼尺寸，因而適于在嵌入式系統(tǒng)中應用。系統(tǒng)在LwIP協議棧下通過構建基于UDP協議的穩(wěn)定通信機制實現網絡數據的可靠傳輸。
    同時，為了提高網絡通信的實時性，減少系統(tǒng)開銷，下位機網絡通信部分采用中斷方式實現。當接收到數據后，下位機進入網絡通信中斷子程序，根據接收到的數據中操作碼的不同來執(zhí)行不同的操作，如人員權限設定、通信參數設置、查詢記錄、遠程開槍/門鎖、時間同步、查詢槍支實時在位情況等，同時在網絡連接建立的情況下，下位機能將實時生成的開門、取槍、報警記錄上傳到上位機，否則保存在下位機Flash中。具體流程圖如圖6所示。

3.2 取/還槍流程管理
    本模塊主要是識別指紋并進行開門和取槍權限管理，同時自動生成相應記錄。系統(tǒng)通過接收指紋儀產生的韋根信號來識別不同的指紋。由于韋根信號實時性要求較高，因而采用中斷方式接收。
    根據部隊槍支管理使用規(guī)定，具備取/還槍過程操作權限的人員分為超級管理員、管理員和業(yè)務員三類。超級管理員和管理員中任意兩人組合并同時錄入指紋具備開柜門權限；柜門開啟后，業(yè)務員具備開啟一把槍鎖的權限，超級管理員具備開啟全部槍鎖的權限。取槍流程如下：依次錄入具有開門權限的人員指紋，如果兩次錄入間隔超時30 s則必須重新錄入，并根據下位機保存的指紋信息驗證指紋，成功后開啟柜門，并生成開門記錄。然后錄入開槍鎖指紋并進行驗證，成功后區(qū)分是業(yè)務員指紋還是超級管理員指紋，并根據權限進行相應操作。在開啟柜門和槍鎖后啟動開門超時和取槍超時檢測，一旦操作過程超時立即報警信號。還槍過程與取槍過程類似，均需要開啟柜門和相應槍鎖，具體取/還槍流程如圖7所示。

3.3 報警檢測模塊
    本模塊主要是根據報警信號生成對應報警記錄并啟動聲光報警器。系統(tǒng)的報警信號主要來自兩類：一類是外部報警信號，包括震動探測器產生的報警和硬盤錄像機產生的監(jiān)控畫面遮擋、硬盤滿兩類報警；另一類是內部報警信號，包括開門超時報警和取槍超時報警。針對兩種信號的不同特點，系統(tǒng)采用不同方式進行檢測。由于外部報警信號的產生時間具有不確定性，因而系統(tǒng)采用中斷方式進行檢測，確保能及時檢測到信號。對于內部超時報警信號，由于它是在程序執(zhí)行過程中由系統(tǒng)做出判斷后產生的，因而可以只在開門和取槍動作執(zhí)行后采取循環(huán)查詢方式進行檢測，既能保證準確檢測到報警信號，又可以省去不必要的系統(tǒng)開銷。
4 智能槍柜實現
    經設計、安裝后，反復對系統(tǒng)進行指紋開門取槍、報警檢測和與上位機管理系統(tǒng)進行數據交互等多種調試。最終實現了智能槍柜系統(tǒng)，如圖8所示。系統(tǒng)結構分上下兩層，可放置15把槍支。目前系統(tǒng)運行良好，工作穩(wěn)定可靠。

    本文利用STM32單片機資源豐富、功能強大的優(yōu)勢，結合部隊槍械管理現狀，設計了智能化的槍柜系統(tǒng)。系統(tǒng)綜合運用指紋識別技術和視頻監(jiān)控技術保證槍械存取的安全性，同時采用網絡通信技術將槍械存取和環(huán)境安全等相關信息及時上傳遠端槍柜管理系統(tǒng)，實現了槍械管理的自動化與智能化。目前系統(tǒng)運行穩(wěn)定，狀態(tài)良好，有效加強了部隊的槍支管控。
參考文獻
[1] 陳慧.基于RFID及組態(tài)軟件的智能槍支管理系統(tǒng)研發(fā)[J].制造業(yè)自動化，2013(35)：114-117.
[2] 丁影，鄒濤，喻勇輝.ZigBee技術在槍支定位系統(tǒng)中的應用[J].傳感器技術，2010(12)：150-152.
[3] 丁凡，周永明.基于STM32和ZigBee的無線校園火災報警系統(tǒng)設計[J].微型機與應用，2012，31(6)：43-49.
[4] 王濤，范寒柏，王磊，等.STM32F207和DM9161A的以太網實現方案[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2012(12)：42-44.
[5] LABROSSE J J.嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-III[M].邵貝貝，譯.北京：北京航空航天大學出版社，2012.
[6] 韓德強，楊淇善，王宗俠，等.基于μC/OS-III的LwIP協議棧的移植與實現[J].電子技術應用，2013，39(5)：18-21.