《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于STM32單片機(jī)的智能槍柜系統(tǒng)設(shè)計(jì)
來源:電子技術(shù)應(yīng)用2014年第3期
方 浩,李艾華,王 濤,阮 泉
(第二炮兵工程大學(xué) 五系,陜西 西安710025)
摘要: 針對(duì)部隊(duì)槍械管理自動(dòng)化、智能化程度不高等問題,設(shè)計(jì)了基于STM32單片機(jī)的智能槍柜系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于可靠的指紋識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)取/還槍流程的管理,利用視頻監(jiān)控技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)全過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控,采用以太網(wǎng)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)槍柜管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息交互,并在μC/OS-III操作系統(tǒng)下實(shí)現(xiàn)了軟件開發(fā)。應(yīng)用結(jié)果表明,系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,具有推廣價(jià)值。
中圖分類號(hào): TP29
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
文章編號(hào): 0258-7998(2014)03-0012-03
Design of intelligent gun cabinet system based on STM32
Fang Hao,Li Aihua,Wang Tao,Ruan Quan
5th Dep.,Second Artillery Engineering University,Xi′an 710025,China
Abstract:
Key words : intelligent gun cabinet;STM32;μC/OS-III;Ethernet

    實(shí)現(xiàn)槍支智能化管理是當(dāng)前部隊(duì)信息化建設(shè)的重要方面。但部隊(duì)槍支管理現(xiàn)階段仍處于“機(jī)械式槍柜+人工手動(dòng)操作”的模式,不僅操作過程繁瑣、效率低下,而且不能實(shí)現(xiàn)對(duì)槍支的有效監(jiān)管。目前,許多新技術(shù)被引入到槍支管理中,如參考文獻(xiàn)[1]中采用RFID技術(shù),通過在槍體上附著電子標(biāo)簽來識(shí)別槍支;參考文獻(xiàn)[2]中采用ZigBee技術(shù),通過在槍支上安裝無線傳感器來實(shí)現(xiàn)槍支定位等。但是由于部隊(duì)有不得對(duì)槍體進(jìn)行改變的使用規(guī)定,因而限制了這些方法的使用。
    針對(duì)上述方法的不足,本文基于功能強(qiáng)大的STM32-F107VCT6[3]單片機(jī)設(shè)計(jì)了槍柜系統(tǒng)。系統(tǒng)充分利用單片機(jī)片上資源,結(jié)合指紋識(shí)別技術(shù)、視頻監(jiān)控技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等多種技術(shù)實(shí)現(xiàn)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(duì)槍支的有效監(jiān)管。同時(shí)軟件部分嵌入高性能的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-III,用于不同任務(wù)之間的調(diào)度,極大地提高了系統(tǒng)的可靠性與實(shí)時(shí)性。
1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
    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(jī)用于監(jiān)控取/還槍過程)、硬盤錄像機(jī)、電動(dòng)槍/門鎖、震動(dòng)探測(cè)器、壓力開關(guān)、門磁、聲光報(bào)警器、狀態(tài)燈、指紋儀、UPS、以太網(wǎng)接口等外圍設(shè)備組成,如圖1所示。


    嵌入式槍柜控制器作為下位機(jī)系統(tǒng)核心,獨(dú)立工作時(shí)可實(shí)現(xiàn)槍支存取過程的安全、可靠、自主的管理,包括通過指紋權(quán)限自動(dòng)控制槍支存取,生成和存儲(chǔ)開槍鎖、開柜門和報(bào)警3種記錄,自主完成防盜防爆檢測(cè)和視頻監(jiān)控取/還槍過程等功能。同時(shí)系統(tǒng)配備UPS電源,可保證在斷電情況下工作2 h。當(dāng)與上位機(jī)連接后,控制器可以通過以太網(wǎng)上傳實(shí)時(shí)生成的記錄。上位機(jī)智能槍柜管理系統(tǒng)也可實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控取槍過程、檢索硬盤錄像機(jī)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(shí)時(shí)在位情況和柜門狀態(tài)、遠(yuǎn)程開啟柜門和指定槍鎖、進(jìn)行槍支使用和槍柜管理授權(quán)、下載控制器保存的歷史記錄、生成報(bào)表、命名槍柜和槍支、設(shè)置槍柜IP地址等。
2 槍柜控制器硬件設(shè)計(jì)
2.1 總體硬件設(shè)計(jì)

    槍柜控制器分為信號(hào)檢測(cè)板、核心控制板和信號(hào)輸出板三部分,如圖2所示。信號(hào)檢測(cè)部分主要用于信號(hào)輸入,來源包括震動(dòng)探測(cè)器、壓力開關(guān)、門磁、硬盤錄像機(jī)和指紋儀。由于輸入信號(hào)均為5 V電平,而單片機(jī)管腳支持CMOS電平,因此輸入信號(hào)經(jīng)光耦隔離后,需要使用74LS245進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換才能送入單片機(jī)。輸出控制板主要是用于驅(qū)動(dòng)繼電器,單片機(jī)輸出信號(hào)經(jīng)74HC640隔離后,通過ULN2803芯片驅(qū)動(dòng)12 V繼電器。通過將繼電器串聯(lián)在電路中實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)槍/門鎖、聲光報(bào)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(jī)通信、根據(jù)輸入信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)動(dòng)作等。為充分利用單片機(jī)內(nèi)部資源,系統(tǒng)采用芯片內(nèi)部RTC模塊進(jìn)行計(jì)時(shí),主要外圍電路包括以太網(wǎng)通信和Flash存儲(chǔ)兩部分。

2.2 以太網(wǎng)通信電路設(shè)計(jì)[4]
    STM32F107芯片內(nèi)部集成了高性能以太網(wǎng)模塊,通過外接PHY芯片可以實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)收發(fā)功能。該模塊靈活可調(diào),符合IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn),支持MII和RMII 2種模式,數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)10/100 Mb/s,能夠滿足不同設(shè)計(jì)需求。該部分電路采用高性價(jià)比的DM9161A作為以太網(wǎng)PHY芯片,采用RMII接口進(jìn)行連接,極大地節(jié)約管腳資源。同時(shí)為簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì),利用單片機(jī)的PA8管腳代替外部晶振來提供時(shí)鐘輸入,用于驅(qū)動(dòng)PHY芯片。電路設(shè)計(jì)如圖3所示。


2.3 Flash存儲(chǔ)電路
    當(dāng)槍柜獨(dú)立工作時(shí),控制器需要保存開門、開鎖、報(bào)警3種記錄和部分設(shè)置參數(shù)。而單片機(jī)內(nèi)部雖然具有256 KB Flash,但遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足存儲(chǔ)需要,因此需要外掛存儲(chǔ)芯片。本設(shè)計(jì)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(chǔ)容量;支持標(biāo)準(zhǔn)的SPI和雙輸出的SPI,最大時(shí)鐘可以達(dá)到75 MHz;芯片擦寫周期為10 000次,具有20年的數(shù)據(jù)保存周期。STM32-F107VCT6單片機(jī)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(jìn)行CRC校驗(yàn)和DMA數(shù)據(jù)收發(fā)。本設(shè)計(jì)采用SPI總線管腳PA5、PA6、PA7、PB9設(shè)計(jì)電路,如圖4所示。

3 軟件設(shè)計(jì)
    由于系統(tǒng)要完成與上位機(jī)的數(shù)據(jù)交換、解析指紋、檢測(cè)報(bào)警信號(hào)、修改下位機(jī)參數(shù)、讀寫3類記錄等多項(xiàng)任務(wù),因此為提高可靠性,系統(tǒng)軟件部分基于嵌入式多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-III[5]進(jìn)行開發(fā)。如圖5所示。系統(tǒng)共調(diào)度8個(gè)任務(wù),主要完成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)交互、取/還槍流程管理、報(bào)警監(jiān)測(cè)三大功能。

3.1 以太網(wǎng)數(shù)據(jù)交互
    本模塊主要是解析上位機(jī)操作指令來完成不同任務(wù),并在網(wǎng)絡(luò)連接情況下上傳實(shí)時(shí)記錄。
    網(wǎng)絡(luò)通信通過移植輕量級(jí)的TCP/IP協(xié)議棧LwIP來實(shí)現(xiàn)。LwIP[6]特點(diǎn)是有利于減少內(nèi)存使用率和代碼尺寸,因而適于在嵌入式系統(tǒng)中應(yīng)用。系統(tǒng)在LwIP協(xié)議棧下通過構(gòu)建基于UDP協(xié)議的穩(wěn)定通信機(jī)制實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的可靠傳輸。
    同時(shí),為了提高網(wǎng)絡(luò)通信的實(shí)時(shí)性,減少系統(tǒng)開銷,下位機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信部分采用中斷方式實(shí)現(xiàn)。當(dāng)接收到數(shù)據(jù)后,下位機(jī)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)通信中斷子程序,根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)中操作碼的不同來執(zhí)行不同的操作,如人員權(quán)限設(shè)定、通信參數(shù)設(shè)置、查詢記錄、遠(yuǎn)程開槍/門鎖、時(shí)間同步、查詢槍支實(shí)時(shí)在位情況等,同時(shí)在網(wǎng)絡(luò)連接建立的情況下,下位機(jī)能將實(shí)時(shí)生成的開門、取槍、報(bào)警記錄上傳到上位機(jī),否則保存在下位機(jī)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(shí)別指紋并進(jìn)行開門和取槍權(quán)限管理,同時(shí)自動(dòng)生成相應(yīng)記錄。系統(tǒng)通過接收指紋儀產(chǎn)生的韋根信號(hào)來識(shí)別不同的指紋。由于韋根信號(hào)實(shí)時(shí)性要求較高,因而采用中斷方式接收。
    根據(jù)部隊(duì)槍支管理使用規(guī)定,具備取/還槍過程操作權(quán)限的人員分為超級(jí)管理員、管理員和業(yè)務(wù)員三類。超級(jí)管理員和管理員中任意兩人組合并同時(shí)錄入指紋具備開柜門權(quán)限;柜門開啟后,業(yè)務(wù)員具備開啟一把槍鎖的權(quán)限,超級(jí)管理員具備開啟全部槍鎖的權(quán)限。取槍流程如下:依次錄入具有開門權(quán)限的人員指紋,如果兩次錄入間隔超時(shí)30 s則必須重新錄入,并根據(jù)下位機(jī)保存的指紋信息驗(yàn)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(jìn)行驗(yàn)證,成功后區(qū)分是業(yè)務(wù)員指紋還是超級(jí)管理員指紋,并根據(jù)權(quán)限進(jìn)行相應(yīng)操作。在開啟柜門和槍鎖后啟動(dòng)開門超時(shí)和取槍超時(shí)檢測(cè),一旦操作過程超時(shí)立即報(bào)警信號(hào)。還槍過程與取槍過程類似,均需要開啟柜門和相應(yīng)槍鎖,具體取/還槍流程如圖7所示。

3.3 報(bào)警檢測(cè)模塊
    本模塊主要是根據(jù)報(bào)警信號(hào)生成對(duì)應(yīng)報(bào)警記錄并啟動(dòng)聲光報(bào)警器。系統(tǒng)的報(bào)警信號(hào)主要來自兩類:一類是外部報(bào)警信號(hào),包括震動(dòng)探測(cè)器產(chǎn)生的報(bào)警和硬盤錄像機(jī)產(chǎn)生的監(jiān)控畫面遮擋、硬盤滿兩類報(bào)警;另一類是內(nèi)部報(bào)警信號(hào),包括開門超時(shí)報(bào)警和取槍超時(shí)報(bào)警。針對(duì)兩種信號(hào)的不同特點(diǎn),系統(tǒng)采用不同方式進(jìn)行檢測(cè)。由于外部報(bào)警信號(hào)的產(chǎn)生時(shí)間具有不確定性,因而系統(tǒng)采用中斷方式進(jìn)行檢測(cè),確保能及時(shí)檢測(cè)到信號(hào)。對(duì)于內(nèi)部超時(shí)報(bào)警信號(hào),由于它是在程序執(zhí)行過程中由系統(tǒng)做出判斷后產(chǎn)生的,因而可以只在開門和取槍動(dòng)作執(zhí)行后采取循環(huán)查詢方式進(jìn)行檢測(cè),既能保證準(zhǔn)確檢測(cè)到報(bào)警信號(hào),又可以省去不必要的系統(tǒng)開銷。
4 智能槍柜實(shí)現(xiàn)
    經(jīng)設(shè)計(jì)、安裝后,反復(fù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行指紋開門取槍、報(bào)警檢測(cè)和與上位機(jī)管理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互等多種調(diào)試。最終實(shí)現(xiàn)了智能槍柜系統(tǒng),如圖8所示。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分上下兩層,可放置15把槍支。目前系統(tǒng)運(yùn)行良好,工作穩(wěn)定可靠。

 

 

    本文利用STM32單片機(jī)資源豐富、功能強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì),結(jié)合部隊(duì)槍械管理現(xiàn)狀,設(shè)計(jì)了智能化的槍柜系統(tǒng)。系統(tǒng)綜合運(yùn)用指紋識(shí)別技術(shù)和視頻監(jiān)控技術(shù)保證槍械存取的安全性,同時(shí)采用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)將槍械存取和環(huán)境安全等相關(guān)信息及時(shí)上傳遠(yuǎn)端槍柜管理系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了槍械管理的自動(dòng)化與智能化。目前系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,狀態(tài)良好,有效加強(qiáng)了部隊(duì)的槍支管控。
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