基于STM32F103C8T6的雨傘智能管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

龔雅慶，張林成

（湖南城市學(xué)院 信息與電子工程學(xué)院，湖南益陽(yáng)， 413000）

0 前言

智能雨傘管理系統(tǒng)是一種新型的高新技術(shù)綜合體，他的出現(xiàn)彌補(bǔ)了當(dāng)前服務(wù)行業(yè)特別是物品管理方向的一大空缺。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于雨傘管理的研究較少，但是在國(guó)家創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的號(hào)召下與相關(guān)科研單位的支持下，近幾年該方向還是得到了一定的發(fā)展。文獻(xiàn)[1]提出了一種雨傘脫水機(jī)，是通過(guò)把濕的雨傘倒在輻條型的內(nèi)桶里， 再使用電機(jī)帶動(dòng)內(nèi)桶做高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)， 使雨傘產(chǎn)生離心力， 從而實(shí)現(xiàn)雨傘的脫水。文獻(xiàn)[2]中提出了在甩干的基礎(chǔ)上增加烘干的功能，進(jìn)一步增強(qiáng)了雨傘烘干的效率。文獻(xiàn)[3]提出了一種新型的雨傘烘干裝置，該裝置能夠讓雨傘在不打開(kāi)的情況下得到有效的烘干，極大地提高了雨傘烘干機(jī)的實(shí)用性。文獻(xiàn)[4]提出了一種基于STM32與FPGA的智能儲(chǔ)物柜，該系統(tǒng)具有架構(gòu)簡(jiǎn)潔、響應(yīng)快速、智能高效等特點(diǎn)，具有較高的實(shí)用價(jià)值。但對(duì)于人流密集場(chǎng)所，密碼存取的儲(chǔ)物柜容易造成擁堵、存取憑證不夠可靠、存取憑證難以保存與記憶、操作復(fù)雜的情況文獻(xiàn)[5]采用人臉識(shí)別技術(shù)代替了普通的密碼存取，極大地提高了存取效率與安全性。文獻(xiàn)[6]、文獻(xiàn)[7]使用STM32單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)人臉識(shí)別的操作，該單片機(jī)處理方式高效、性能穩(wěn)定、在一定程度上降低了部分的成本。

本文設(shè)計(jì)了一種基于STM32F103C8T6單片機(jī)的雨傘智能管理系統(tǒng)，無(wú)需人為的管理就能實(shí)現(xiàn)密碼存取，智能風(fēng)干，溫濕度檢測(cè)等功能；此外，人臉識(shí)別成了當(dāng)下智能設(shè)備的一大發(fā)展趨勢(shì)，通過(guò)人臉識(shí)別來(lái)控制開(kāi)鎖，不但給日常生活帶來(lái)更大的便利，還能有效地避免用戶因?yàn)橥浢艽a而導(dǎo)致取傘失敗的情況發(fā)生。因此，研究帶人臉識(shí)別功能的雨傘管理系統(tǒng)具有廣闊的市場(chǎng)價(jià)值，更適合當(dāng)下快節(jié)奏的生活方式。

1 整體設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)采用32位微控制器STM32F103C8T6作為整個(gè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的主控芯片，它是整個(gè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的執(zhí)行控制單元，并負(fù)責(zé)全程的數(shù)據(jù)處理、分析。本設(shè)計(jì)的總體框架由STM32單片機(jī)為核心，以4×4按鍵矩陣為輸入鍵盤，實(shí)現(xiàn)“存”“取”按鍵與密碼輸入的功能。溫濕度檢測(cè)模塊負(fù)責(zé)來(lái)檢查雨傘表面的溫濕度并將溫濕度的信息傳輸?shù)絊TM32單片機(jī)，由單片機(jī)來(lái)決定是否需要采取烘干操作，液晶顯示模塊用來(lái)顯示當(dāng)前雨傘表面的溫度與濕度并且在存?zhèn)愕牟僮鲿r(shí)顯示存取密碼，紅外報(bào)警模塊負(fù)責(zé)檢測(cè)在“取”傘操作完成前，雨傘是否被強(qiáng)行取走，如果檢測(cè)到傘被強(qiáng)行取走，則會(huì)觸發(fā)蜂鳴器報(bào)警，人臉識(shí)別模塊負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)人臉開(kāi)鎖的功能。

2 硬件設(shè)計(jì)

如圖1所示系統(tǒng)硬件部分由核心控制模塊、報(bào)警模塊、溫濕度檢測(cè)模塊、按鍵模塊、存取模塊、風(fēng)機(jī)模塊、液晶顯示模塊、人臉識(shí)別模塊等模塊組成。其中人臉識(shí)別模塊由K210芯片和外圍電路組成。部分模塊相關(guān)說(shuō)明如下。

圖1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

(1)核心控制模塊

單片機(jī)是整個(gè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的核心，本設(shè)計(jì)采用的是STM32F103C8T6微控制器，它控制著整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，核心控制模塊除主控芯片外，還包括電源電路等外圍電路，其中STM32F103C8T6核心板，負(fù)責(zé)接收按鍵模塊、溫濕度檢測(cè)模塊、人臉識(shí)別模塊與存取模塊的信號(hào)輸入，并同時(shí)輸出信號(hào)給OLED液晶屏，讓OLED液晶屏實(shí)時(shí)顯示溫濕度檢測(cè)模塊測(cè)量到的溫濕度信息，并判斷是否需要啟用風(fēng)機(jī)模塊，是否要啟動(dòng)報(bào)警模塊以及是否要開(kāi)鎖。

(2)溫濕度檢測(cè)模塊

本設(shè)計(jì)采用一個(gè)DHT11作為溫濕度檢測(cè)設(shè)備。在實(shí)際操作中將該傳感器的VDD端接至STM32芯片的18號(hào)（5V）引腳，用于給DHT11供電。DHT11的DAT端與STM32核心板上的38號(hào)（3V3）端口相連，使得傳感器能夠?qū)⒉杉降臏貪穸鹊臄?shù)據(jù)傳送到STM32F103C8T6核心板中，并由核心板來(lái)決定是否需要打開(kāi)熱源或者打開(kāi)風(fēng)機(jī)。

(3)人臉識(shí)別模塊

人臉識(shí)別模塊主要采用K210芯片來(lái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，通過(guò)STM32F103C8T6來(lái)協(xié)調(diào)舵機(jī)與K210開(kāi)發(fā)板的輸入輸出，在存?zhèn)愕牟僮魍瓿汕?，用戶可以選擇使用人臉識(shí)別模塊來(lái)錄入自己的人臉信息，系統(tǒng)在接收到“需要錄入人臉信息”的信號(hào)之后，會(huì)由攝像頭模塊開(kāi)始學(xué)習(xí)人臉特征，并保存在K210芯片當(dāng)中，在進(jìn)行的取傘操作時(shí)通過(guò)攝像頭再次掃描自己的人臉信息，隨后與系統(tǒng)內(nèi)保存的人臉信息進(jìn)行比較，當(dāng)人臉信息的數(shù)據(jù)擬合度達(dá)到70%時(shí)則判定為本人，此時(shí)單片機(jī)將會(huì)控制舵機(jī)偏轉(zhuǎn)開(kāi)鎖。

(4)顯示模塊

本設(shè)計(jì)采用OLED12864液晶顯示屏行溫度、濕度數(shù)據(jù)與密碼的顯示，OLED12864是一款128×64行點(diǎn)陣的OLED顯示模塊，該OLED12864液晶顯示屏采用單+5V電源供電，顯示屏上的CE端與單片機(jī)的14號(hào)引腳（B6端），CSN端與15號(hào)引腳（B7端）連接。在實(shí)際操作中將顯示屏的顯示內(nèi)容分為上下兩部分，顯示器上方顯示當(dāng)前雨傘表面的溫濕度與設(shè)定的風(fēng)機(jī)模塊工作的閾值，而顯示器下方則用來(lái)顯示用戶在取雨傘操作時(shí)需要輸入的密碼以及在進(jìn)行輸入密碼操作時(shí)顯示當(dāng)前輸入的密碼。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電后首先進(jìn)行各個(gè)模塊的初始化設(shè)定，包括端口的初始化配置和寄存器的初始化配置。此時(shí)OLED顯示屏上實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前的溫濕度，當(dāng)按下“存”的按鍵之后，舵機(jī)偏轉(zhuǎn)，此時(shí)紅外傳感器開(kāi)始工作在雨傘放入之后，溫濕度傳感器開(kāi)始檢測(cè)雨傘表面的溫度與濕度，當(dāng)溫度低于28℃時(shí)熱源開(kāi)始，當(dāng)濕度高于60%時(shí)風(fēng)機(jī)開(kāi)始工作。在按下“取”的按鍵之后，如果人臉識(shí)別系統(tǒng)對(duì)比的人臉數(shù)據(jù)吻合度高于70%或者單片機(jī)核心塊校驗(yàn)密碼正確則會(huì)控制舵機(jī)偏轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)開(kāi)鎖的功能，此時(shí)紅外檢測(cè)系統(tǒng)關(guān)閉。主程序流程圖如圖2所示。

圖2 主程序流程圖

4 測(cè)試結(jié)果與分析

基于STM32的雨傘管理系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)如圖3所示。如圖可見(jiàn)STM32單片機(jī)、溫濕度檢測(cè)模塊、風(fēng)機(jī)模塊、紅外報(bào)警模塊、按鍵存取模塊等硬件部分。測(cè)試主要針對(duì)存取功能、溫濕度檢測(cè)與智能烘干功能、人臉識(shí)別功能。

圖3 雨傘管理系統(tǒng)樣機(jī)圖

■4.1 存取功能測(cè)試

在按下“存”的按鈕之后舵機(jī)開(kāi)始偏轉(zhuǎn)，顯示屏上顯示取傘密碼，在使用按下“取”的按鍵之后，顯示屏?xí)崾据斎朊艽a，為了更全面的測(cè)試存儲(chǔ)模塊性能，與管理員模塊的可靠度，筆者將進(jìn)行三次存取傘模擬，分別校驗(yàn)密碼錯(cuò)誤、密碼正確，以及輸入管理員密碼時(shí)的存取模塊的工作狀態(tài)，并記錄數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 按鍵存取測(cè)試記錄

■4.2 溫濕度檢測(cè)與智能烘干功能測(cè)試

對(duì)樣機(jī)進(jìn)行溫濕度檢測(cè)模塊與智能風(fēng)干模塊進(jìn)行檢測(cè)前，為了檢驗(yàn)溫濕度傳感器的檢測(cè)誤差，首先對(duì)溫濕度檢測(cè)模塊的溫濕度檢測(cè)效果進(jìn)行檢測(cè)，溫濕度檢測(cè)模塊測(cè)試記錄如表2所示，溫濕度模塊測(cè)試圖如圖4所示。隨后測(cè)試智能烘干功能能否實(shí)現(xiàn)，通過(guò)人工模擬的方法來(lái)改變溫濕度傳感器周圍的溫濕度來(lái)模擬雨傘表面的各種狀態(tài)。雨傘放入后開(kāi)始執(zhí)行溫濕度檢測(cè)子程序，溫度與濕度達(dá)到閾值繼電器沒(méi)有反應(yīng)認(rèn)為失敗，順利根據(jù)溫濕度的數(shù)據(jù)變化改變繼電器工作狀態(tài)則認(rèn)定為成功，記錄的數(shù)據(jù)如表3所示，智能風(fēng)干測(cè)試圖如圖5所示。

圖5 風(fēng)機(jī)模塊測(cè)試圖

表2 溫濕度檢測(cè)模塊測(cè)試記錄

表3 風(fēng)機(jī)模塊測(cè)試記錄

圖4 溫濕度模塊測(cè)試圖

■4.3 人臉識(shí)別功能測(cè)試

對(duì)人臉識(shí)別模塊的測(cè)試，筆者選擇使用人臉照片對(duì)人臉識(shí)別模塊進(jìn)行測(cè)試。在測(cè)試開(kāi)始時(shí)，首先對(duì)一張照片上的人臉信息進(jìn)行拍照采集，隨后分別用不同的照片對(duì)人臉識(shí)別模塊進(jìn)行測(cè)試，并記錄數(shù)據(jù)如表4所示，（在本次測(cè)試中，圖片1為錄入的人臉圖片，圖片2、3為其他的人臉圖片）人臉識(shí)別模塊測(cè)試圖如圖6所示。

表4 人臉識(shí)別模塊測(cè)試記錄

5 結(jié)論

本次畢業(yè)設(shè)計(jì)完成得帶有人臉識(shí)別功能的雨傘智能管理系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)，可以為各大商城、圖書館、自習(xí)室等公共場(chǎng)所提供必要的雨傘管理措施，在本次設(shè)計(jì)中筆者采用STM32F103C8T6單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制芯片和人臉識(shí)別模塊的控制核心，一定程度上提高了本次設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性，單片機(jī)能實(shí)時(shí)檢測(cè)溫濕度數(shù)據(jù)并通過(guò)OLED12864液晶顯示數(shù)據(jù)，在未接收到人臉識(shí)別信號(hào)時(shí)，舵機(jī)能夠按照基本流程來(lái)進(jìn)行工作，在接收到人臉識(shí)別信號(hào)后，舵機(jī)能迅速做出響應(yīng)，發(fā)生偏轉(zhuǎn)，基本實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的功能，在市場(chǎng)上具有一定的應(yīng)用前景與價(jià)值。