(整理)基于STM32小区用智能储物柜控制方案

基于STM32f103设计智能储物柜（小区用）
设
计
方
案
策
划
书
编制：张聪
时间：2014/10/10
许昌智源科技有限公司
目录
一、产品需求分析 (4)
二、主要配件 (4)
三、控制方案 (5)
1、控制功能： (5)
（1）IC卡/密码用户模式 (5)
（2）快递存储模式 (5)
（3）管理员模式 (5)
（4）设备具备功能 (5)
2、控制板开发流程 (5)
3、硬件电路部分 (8)
1）STM32f103主控芯片电路（STM32f103ZET6电路图） (9)
2）IC卡读卡电路模块（RPD522S） (11)
3）键盘模块（4*4矩阵键盘） (12)
4）LCD/OLED液晶显示电路 (12)
5）红外反射式检测模块（RPR220反射式红外光电传感器模块）
(17)
6）通信接口电路 (19)
7）电源稳压电路 (19)
8）电磁锁控制输出电路 (20)
9）布线简明规范 (20)
4、软件部分 (21)
四、机柜设备配置布局图 (24)
一、产品需求分析
本产品是为了满足小区业主临时存取物品的需求，以及快递员寄存包裹的需求，业主可以无限次存储，存取方便快捷，快递员可以在柜子空箱的情况下存入快递包裹，对于信报可以直接从信报条孔投递。

二、主要配件
三、控制方案
1、控制功能：
（1）IC卡/密码用户模式
液晶屏待机显示日期时间，用户点击“业主唤醒”键，通过输入箱号后持IC卡在IC卡读卡感应区，单片机接收到IC卡的序列号信息，与单片机存储区存储信息比对，核实验证正确则打开对应箱门，非法IC卡则单片机终端发出报警指令并通过液晶屏显示和语音芯片发出报警；用户点击“业主唤醒”键，通过选择箱号确认后点击“密码打开”按键并输入密码的形式验证信息一致开启箱门，密码错误则显示报警并提示重新输入，密码错误>=三次，系统报警并返回主界面；终端系统操作记录上传上位机数据库。

（IC卡密码存储区是怎样设置的？IC卡读卡器接收到的是什么信号？传给stm主控板的是通过串口还是？）
（2）快递存储模式
快递员点击“访客唤醒”键，选择箱号，箱号存在并进行内部自检（选用红外检测条），空箱状态则直接点击“打开”按键打开箱门并进行语音提示关闭箱门；快递员也可以在箱内有物品的情况下通过从业主处获取密码打开箱门存物，业主取物后可选择修改密码；终端系统操作记录上传上位机数据库。

（上位机通讯该怎样做比较便捷高效？）
（3）管理员模式
管理可以通过管理软件登陆界面登陆，远程监控柜子的使用情况，用户卡遗失可以在管理员处办理挂失和补卡。

（4）设备具备功能
a、卡遗失，可通过键盘输入密码输入验证开启柜门；
b、箱内红外自检；
c、空箱按存键可以直接开启箱门；
d、业主可以在柜子控制板自行修改密码。

2、控制板开发流程
自主开发智能储物柜控制板分为两部分：硬件电路和软件编程，先进行硬件电路设计，在此基础上进行软件编程，然后调试验证。

具体流程如下：
（1）根据控制需求确定主控芯片及外围电子元器件的选型；
（2）在仿真软件上进行电路设计，然后进行模拟仿真，同时进行分模块编写程序；（3）用万能板搭建硬件电路，下载程序进行模拟验证，同时进行PCB电路板设计；（4）PCB板打样，焊接硬件电路，下载程序调试验证；
（5）控制板定型后，批量生产电路板外协焊接加工，程序自己下载。

系统架构及组成
终端控制流程图
3、硬件电路部分
控制板硬件电路分为电源转换、ARM7-STM32f103、继电器、IC卡读写卡器、键盘接口、液晶显示器接口、红外内部检测模块、上位机通讯接口等几个模块。

硬件结构电路系统框图如下图所示。

1）STM32f103主控芯片电路（STM32f103ZET6电路图）
STM32封装图
STM32f103ZET6内核是32位的Cortex-M3 CPU，最高72MHZ工作频率。

ROM512K，RAM64K，共144引脚，112个多功能双向I/O口可用，所有的IO口可以映射到16个外部中断。

具有并行LCD接口，兼容8080/6800模式。

具备11个定时器：多达4个16位定时器，每个定时器有多达4个用于输入捕获/输出比较
/PWM或脉冲计数的通道；2个16位6通道高级控制定时器，多达6路PWM输出，带死区控制；2个看门狗定时器(独立的和窗口型的) ；系统时间定时器：24位自减型计数；2个16位基本定时器用于驱动DAC 。

多达13个通信接口：多达2个I2C接口(支持SMBus/PMBus) ，可以实现后期触摸屏的应用升级；多达5个USART接口(支持ISO7816，LIN，IrDA接口和调制解调控制) ；多达3个SPI 接口(18M位/秒)，2个可复用为I2S接口；CAN接口(2.0B 默认) ；USB 2.0全速接口；SDIO
接口。

2）IC卡读卡电路模块（RPD522S）
RPD522S系列IC卡读写模块采用NXP公司高集成度读卡芯片MFRC522开发而成，具有体积小、可靠性高等特点。

产品完全兼容ISO14443A标准协议，可支持对Mifare S50、Mifare1 S70、Mifare UltraLight等卡片的读写操作。

模块内部集成了ISO14443A协议，开发人员只需通过通信接口发送简单的命令便可以完成对IC卡的读写操作，而无需理解复杂的IC卡通信协议。

模块采用UART/TTL电平，可以直接跟绝大部分ARM直接通信。

产品照片:
技术参数:
3）键盘模块（4*4矩阵键盘）
0~9键，“确认”键，“删除”键，“业主唤醒”键，“访客唤醒”键，“修改密码”键，“取消”键共16个按键。

4）LCD/OLED液晶显示电路
LCD液晶显示模块规格有多种：
①LCD1602A液晶屏20元/片
产品描述
产品型号： HTM1602A
LCD 类型：字符点阵
外形尺寸： 80.0*36.0mm
视域尺寸： 64.5*15.8mm
控制器： S6A0069
可显示白底黑字、白底蓝字、黑底白字、黑底黄字、黑底蓝字、蓝底白字、蓝底黑字、绿底黑字、黄底黑字、橙底黑字、可显示两行，每行十二个字符。

利用I2C并行口扩展芯片PCF8574，简化了LCD1602液晶显示的引脚数目，用户只需操作模块的I2C接口（SDA\SCL）即可实现对模块的显示控制，同时还可以控制模块的背光通断。

②（HJ12864ZW带中文字库液晶显示屏）35元/片
LCM尺寸（长×宽×厚） 93.0×70.0×13.5
可视区域（长×宽） 72.0×40.0 点间距（长×宽） 0.52×0.52 点尺寸（长×宽 0.48×0.48 逻辑工作电压（Vdd +5.0V 或+3.3V（出厂时设定+5.0V）
LCD 驱动电压（Vdd-V0） +3.0 ~ +5.0V
工作电流（背光除外） 3.0mA(max)
HJ12864ZW是一种图形点阵液晶显示器，它主要由行驱动器与列驱动器组成，可显示128（列）× 64（行）点阵。

可完成图形显示，也可显示8×4个（16×16点阵）中文汉字。

与外部CPU接口可采用串行或并行方式控制。

七条控制指令，与CPU接口采用8位数据总线并口输入输出方式。

内置RAM为512字节(4096位)。

液晶显示模组(LCM)的LCD颜色有黄绿色、蓝色、灰色，可供客户进行选择。

液晶
显示模块背光颜色有黄绿色、橙色、白色、红色、翠绿色、蓝色，可供客户进行选择。

使用与
储存温度有：常温(工作温度0～+50℃，储存温度-10～+60℃）；宽温(工作温度-20～+70℃，
储存温度-30～+80℃）；超宽温(工作温度-30～+80℃，储存温度-40～+80℃），可供客户进行
选择。

模块电压有5.0V与3.3V可供客户进行选择，需出厂前设置。

③2.4寸37PIN标准接口高清高亮显示模组（13.8元/片）
简介：
本产品MCU接口，任何单片机均可驱动。

驱动IC：ILI9325/HX8347A/ILI9320/ILI9341可选
玻璃：CMO
分辨率：240 * 320（QVGA)
触摸屏: 无
④7inch Resistive Touch LCD （198元/片）
⑤OLED 0.96寸（38元/片）
标准IIC 通信，本店提供SPI,IIC 通信OLED。

IIC 只需4个引脚（2 个I/O口），SPI 只需6个引脚（4个I/O）。

显示效果要比LCD细腻清晰。

产品特点：
•无需背光、显示单元能自发光
•分辨率：128*64
•可视角度：160°
•支持众多控制芯片：全面兼容Arduino、51系列、MSP430系列、STM32/2、CSR芯片等
•超低功耗：全屏点亮时0.08W，正常全屏显示汉字0.06W
•宽电压：支持3V～5V直流
•工作温度：-30℃~70℃
•模块体积(长宽厚)：27.3MM*27.3MM*4.1MM
•IO口占用少：采用SPI通信方式
•驱动芯片：SSD1306
•无字库：取模软件取字。

5）红外反射式检测模块（RPR220反射式红外光电传感器模块）
反射式红外光电传感器模块（PN:QSV-E-00038）是一种利用反射式红外光电传感器制成的在传感器的有效检测距离范围内对被测物体的存在性进行检测的电路装置。

其实物图如图一和图二所示。

图一、反射式红外光电传感器模块实物图（顶层）
图二、反射式红外光电传感器模块实物图（底层）
模块由红外光发射接收器、电压变化检测电路、检测灵敏度调节电位器、检测状态指示LED 灯等四个主要部分组成，其工作原理简图如图三所示。

图三、反射式红外光电传感器模块工作原理简图
模块的工作电压可接DC3.3V 或DC5.5V ，检测结果的输出信号为电压开关量，检测到物体输出“正逻辑0”，未检测到物体输出“正逻辑1”。

模块的最大有效检测距离主要由反射式红外光电传感器特性决定，同时受被测物体的红外反射特性影响很大，亦能通过检测灵敏度调节电位器进行调节。

对一般物体的检测应用，有效检测距离常常能达到0.1CM ~20CM 。

通常而言，具有光滑表面并且反光特性良好的物体易于检测，有效检测距离相对比较大；透明的物体、具有粗糙表面或反光特性差的物体，检测难度加大，有效检测距离相对比较小。

理论上光电传感器只要位于被测区域反射表面可受到光源照射同时又能被接收管接收到的范围就能进行检测，然而这是一种理想的结果。

因为光的反射受到多种因素的影响，如反射表面的形状、颜色、光洁度，日光、日光灯照射等不确定因素。

如果直接用发射和接收管进行测量将因为干扰产生错误信号，采用对反射光强进行测量的方法可以提高系统的可靠性和准确性。

红外反射光强法的测量原理是将发射信号经调制后送红外管发射，光敏管接收调制的红外信号，原理如图1. 所示。

v out
反 射
表
面
x
图1 红外发射接收原理 图2 光强度相应曲线
反射光强度的输出信号电压Vout 是反射面与传感器之间距离x 的函数，设反射面物质为同种物质时，x 与Vout 的响应曲线是非线性的，如图2所示。

设定输出电压达到某一阈值时作为目标，不同的目标距离阈值电压是不同的。

6）通信接口电路
可选择的通讯接口方式有：2.4G无线接口，GSM/GPRS接口，USB串口，串口以太网接口，红外接收等。

所以系统终端和上位机的通讯方式分为TCP/IP和485联线两种通讯方式。

①485联网控制，就是可以和电脑进行通讯类型，直接使用软件进行管理，包括卡和事件控制。

所以有管理方便、控制集中、可以查看记录、对记录进行分析处理以用于其它目的。

特点安装维护难道加大，但培训简单，安全性高，性能稳定。

适合人多、流动性大、门多的工程。

②TCP/IP网络控制，也叫以太网联网控制系统，也是可以通过网络管理的系统，但是通过网络线把电脑和控制器进行联网。

除具有485联网的全部优点以外，还具有速度更快，安装更简单，联网数量更大，可以跨地域或者跨城联网。

但存在设备价格高，需要有电脑网络知识。

适合安装在大项目、人数量多、对速度有要求、跨地域的工程中。

7）电源稳压电路
提供系统运作电源和电锁的执行结构的电源供应。

8）电磁锁控制输出电路
9）布线简明规范
读卡器到控制器的线建议采用8芯屏蔽双绞线(单芯截面积大于0.3平方毫米)，距离不要超过80米，数据线建议采用其中一对双绞。

电锁到控制器线，建议采用两芯电源线(单芯截面积大于0.5平方毫米) 。

485控制器到控制器，以及控制器到电脑布置2芯屏蔽线(单芯截面积大于0.3
平方毫米)。

TCP控制器到交换器，采用国标8芯网线。

控制器需接在有地线的插座上，建议机箱对建筑地进行良好的接地。

不要和其他大电流设备共用一个插座；建议控制器的交流电集中供电。

4、软件部分
A、程序分为LCD显示、键盘输入、语音提示、IC卡信息输入、单片机与上位机信息同步、电磁锁控制输出等几个部分，采用建立数据库，用户可以通过控制板设置密码并上传给数据库中。

B、PC机管理软件
同时支持485和TCP/IP 2种的控制器类型；
可与其他联网门禁产品在一个软件中实现一卡通管理；
支持3种语言，任意选择语言；也可以自己添加其他语言；
实时颜色显示各个点的开关状态；
支持全屏幕记录显示，直观，同时显示照片；支持合成语音提示；
支持2种数据库，MS Access 和MS SQL Server任意选择，默认为MS Access；
在同一个操作下完成对储物柜控制器的授权；
支持软件直接操作开关，且有颜色显示（不开放）；
启动软件自动时间同步，更新控制器只需要2个鼠标操作。

管理软件界面如下。

图1（软件登录界面）
图2（软件主界面）
图3（控制端口管理界面）
图4（用户授权管理界面）
四、机柜设备配置布局图
方案一：485总线联网布线说明
优点：经济实惠，对网络没有要求
缺点：通讯速度慢，布线难度大，易受干扰
布线原理图：
485智能机柜系统拓扑图
方案二：TCP/IP网络智能机箱布线系统
优点：组网简单，通讯速度快，维护方便，扩展性强，非常适合大规模应用缺点：需要网络支持
布线原理图：
TCP/IP智能机柜系统拓扑图
编制：张聪
时间：2014/10/11
许昌智源科技有限公司。