基于ZigBee的校园共享智能储物柜设计

孙荷娟　马荟杰　马运鑫　王绮梦　董浩成

摘要：基于ZigBee技术并结合RFID技术，采用CC2530通讯芯片、STM32F103ZET6主控制芯片、MFRC522读卡芯片、LCD12864液晶屏、AT42QT2160触摸按键，各小柜模块构成储物柜的硬件系统。ZigBee协调器节点、无线采集终端节点、无线控制终端节点、上位机设计为软件系统，实现存取物品功能，显示功能，状态检测和维护调控功能，视频监控功能，存储、处理、监测、查询功能，APP提示功能。

关键词：ZigBee技术;RFID技术;储物柜;共享

中图分类号：TP391      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）01-0024-03

高校图书馆、食堂、教学楼、操场等都是人群密集之地，由此更加需要储物柜为人们解决物品存放的问题。市场上的储物柜大多为机械式、电子式储物柜[1]，而这样储物柜安全性与便捷性却略有欠缺。当丢失钥匙或密码条时，储物柜的安全性就难以保障。要想取出储物柜中的物品，便需要管理员认证身份，消耗时间且增加管理与维护难度。这就体现了传统储物柜难以管理、安全性低、便捷性低等的缺点。而使用物联网[2]的射频识别技术与ZigBee技术可以实现物与物、物与人的泛在连接，实现对物品和过程的智能化感知、識别和管理，将两种技术联合在一起，能极大提升储物柜的性能，减少商家成本，满足高校学生的储物需求。射频识别技术即RFID技术的快速发展体现在：高校校园一卡通[4]。拥有一张卡，即可实现自由出入图书馆、食堂消费、生活缴费等功能。物联网中的ZigBee[5]技术是基于IEEE 802.15.4标准的低功耗局域网协议，是一种近距离、低复杂度、低功耗、低成本的双向无线通信技术。

1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。共享智能储物柜系统是基于ZigBee技术，结合RFID技术构建而成的。储物柜系统结构图如图1所示。

储物柜控制子系统主要负责完成对储物柜系统的一系列操作命令。包括完成机柜前端用户对储物柜的指令、实现用户信息以及储物柜实时状态信息的采集、完成柜门的控制业务等。储物柜控制子系统收集的数据会实时传给主控制芯片，主控制芯片通过通讯芯片由无线通信子系统传递给上位机管理子系统，并完成上位机的指示命令。

无线通信子系统是整个储物柜系统的中介，通过ZigBee终端节点与若干个ZigBee协调器节点连接形成一个ZigBee自组网，实现储物柜控制子系统与上位机管理子系统的连接通信，从而实现整个储物柜系统的联网通信。

上位机管理子系统通过对储物柜控制子系统传达的数据进行处理，并进行反馈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的功能包括存取物品功能，显示功能，状态检测和维护调控功能，视频监控功能，存储、处理、监测、查询功能，App提示功能。

2硬件系统设计

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，主要包括主控制模块、刷卡模块、显示模块、键盘模块、通信芯片模块、小柜模块。

由图2可知各硬件在储物柜系统中的主要功能。

主控制模块是储物柜控制子系统的控制中心，所用的芯片STM32F103ZET6，主要用于对事件进行请求、触发和中断等控制操作。

刷卡模块使用的是MFRC522读卡芯片，主要用于感应校园卡，读取卡片中的个人数据信息。通过读卡器读取数据是整个系统中用户信息获取的主要方式。

显示模块使用LCD12864液晶屏可在用户操作储物柜时提供必要的文字图形提示帮助。

键盘模块用于在操作时实现数据信息的录入，实现用户直接与储物柜“对话”的方式，采用电容触摸按键，使用AT42QT2160 作为内核，使用简单，方便用户对储物柜的使用。

通信芯片模块用于无线网络的信息数据传输。节点的ZigBee无线传输模块均使用CC2530芯片，它用于将收集到的储物柜信息或用户的数据信息传给ZigBee 协调器，并由协调器传给上位机;同时，上位机下达的信息通过ZigBee自组网传达到CC2530通讯芯片，实现管理员对储物柜的远程控制。

小柜模块组装各种感应器，用于检测储物柜的各项数据信息。

3软件系统设计

智能储物柜系统的软件设计主要由无线采集终端节点、ZigBee 协调器节点、无线控制终端节点、上位机设计这四个部分组成。

储物柜相关信息的获取是由无线采集终端节点负责完成的。无线采集终端节点能够通过读卡芯片读取到用户的数据信息，通过储物柜上的各种感应器获取储物柜的状态信息和柜门信息，通过读取监控内存得到视频录像等数据。无线采集终端节点通过若干个ZigBee路由器和ZigBee协调器节点组成的ZigBee自组网和无线控制终端节点构成的无线通信子系统将收集到的信息传递给上位机管理子系统。

储物柜控制子系统通过无线通信网络与上位机进行连接通信，从而实现数据交换;上位机也通过无线通信网络与储物柜控制子系统相连，实现对储物柜的控制与反馈。

上位机管理子系统通过ZigBee协调器节点与储物柜控制子系统进行有效的信息交换，指导储物柜控制子系统完成一系列业务工作。上位机设计是基于C#技术实现的，程序主要包括系统登录模块、刷卡管理模块、数据模块、储物柜状态监控及调控维护模块、通信模块、视频监控模块、应用软件管理模块这七个模块。

系统登录模块。管理者进入系统要进行登录，验证个人身份信息，保证系统的安全性。登录模块是储物柜系统重要的安全屏障，对用户和系统的信息保护起到十分重要的作用。

刷卡管理模块。该模块主要是基于RFID技术结合C#语言实现一个简单的门禁管理系统。刷卡管理模块为用户提供一种使用储物柜的便捷方法，对储物柜柜门进行管理控制。