基于單片機的智能儲存柜的設計

1緒論

1.1課題研究背景及意義

存儲柜是在公共場合十分常見的設備，一般分為機械式和電子式兩種。機械式存儲柜采用的是傳統(tǒng)的機械鎖構架，使用者憑借提供的鑰匙開關儲存柜。這一系統(tǒng)的缺點非常明顯，如果鑰匙丟失，不僅使用者自己無法打開儲存柜，還可能導致使用者的物品被他人取走，儲存柜的管理人員還要給該柜更換鎖具。而如今最常見到的電子式儲存柜采用的還是條形碼或密碼紙方式，這樣一來，雖然在便利性上有了一定的提高，但在安全性上仍然沒有根本的提高。條碼紙也可能會遇到一些問題，如丟失和損壞。而且由于使用了打印機和卷筒紙等耗材，使得成本和維修頻率進一步增高。

本次設計將指紋識別這項生物識別技術使用到了存儲柜之中作為密碼憑證之一，大大增加了儲存柜的安全系數(shù)，用戶不必再擔心憑證丟失，提高了用戶存儲包裹的體驗。指紋是我們手指的的特征，屬于人體的結構，不存在丟失和遺忘這種說法。隨著指紋采集設備處理速度的不斷進步，用戶的存儲包變得更加方便快捷，大大降低了系統(tǒng)的使用和維護成本，尤其是小型化的指紋識別系統(tǒng)，待機功耗非常低，不使用消耗性元器件和資源，符合我國倡導的低碳環(huán)保的趨勢和理念，在存放貴重的物品時還需要進行多重密碼的驗證，實現(xiàn)多級化管理，進一步提高安全性，在密碼或者指紋不匹配會報警提醒。當前疫情的形式下，儲物柜還擁有自動消毒功能，當用戶取出物品后系統(tǒng)會自動對儲存柜進行消毒，讓下一個用戶能放心使用，加上語音交互功能將帶給用戶更好的體驗。

1.2國內外研究現(xiàn)狀

1.2.1 國外現(xiàn)狀

1964年，日本Alpha公司開始與美國flexible公司進行技術合作和研究，它們在日本新宿汽車站投放使用了他們的首批產品，這次的產品是一款采用投幣的存儲系統(tǒng)。1995年，alpha開始生產帶有RFID的智能存儲柜。2001年，他們開始在日本生產和銷售第一批電池指紋鎖儲物柜。2009年，日本仙臺站首次引入“免費集裝箱提示系統(tǒng)”，可以實時確認站內集裝箱是否免費。從alpha的發(fā)展歷史可以看出，作為日本最大的儲物柜銷售研發(fā)公司，alpha于1964年首次在公共場所使用，frid于1995年啟動，指紋識別于2001年應用于儲物柜。總的來說，阿爾法多年來一直在技術上領先中國。智能儲物柜的使用場景大多出現(xiàn)在地鐵站、機場、超市、游樂園等流動性大的公共場所。為需要臨時存儲的客戶提供存儲和保管服務。一般是有償使用，各地價格不一。根據(jù)使用儲物柜空間的不同，以及儲存物品體積的不同價格也有所不同。在不同的場合和地段價格也不一致，在地鐵和火車站一般為400日元，在社區(qū)和街道一般為200日元，而在機場一般為500日元。

日本的智能儲物柜有很多功能，大部分都有以下功能：

實現(xiàn)RFID功能，用戶可以通過手機遠程了解櫥柜的使用現(xiàn)狀和剩余情況，用戶可以方便地從移動終端進行查詢；

可與“西瓜卡”（日本國家公共交通卡）捆綁使用，實現(xiàn)支付和用戶認證功能。

在美國和歐洲一些國家，由于智能存儲柜便于系統(tǒng)管理和控制，以及節(jié)省了大量的人力，且實現(xiàn)了和網(wǎng)絡管理系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)，所以十分的受歡迎。英國生產的HSD過程管理儲物柜已經十分的普及，但該設備太過的復雜，且生產出來后不能根據(jù)使用環(huán)境的變化進行擴展，有較為明顯的缺陷。

2018年，Gaurang Panchal和Debasis Samanta在期刊中提出了基于指紋生物識別的加密密鑰生成及其在存儲安全應用中的一種新方法，以確保存儲安全遵循生物識別注冊，密鑰綁定，安全草圖，模糊保管庫或模板存儲以及用戶密鑰。使用基于閾值的比較或錯誤計算來驗證用戶。生物識別數(shù)據(jù)或密鑰的存儲使系統(tǒng)面臨威脅。此外，用戶驗證機制可能不準確，因為閾值選擇具有挑戰(zhàn)性，提出了一種用于存儲設備的新的代碼方式[1]。

2019年，East LLC提出創(chuàng)建和維護生物識別安全儲存箱及類似容器和設施的系統(tǒng)、方法和設備，并且在同年申請了專利，該專利將更多更先進的生物識別技術運用于存儲設備，用于更高級別的物品存放與保護[2]。

1.2.2國內現(xiàn)狀

國內于1997年，由北京沃瑞爾電子有限公司首先提出了結合條形碼技術的電子存包柜，用戶使用這類存包柜存包時，系統(tǒng)會打印出一張含有用戶存包柜號信息的條形碼紙。用戶取包時，直接通過掃描條碼紙就能打開相應的存包柜。這種儲存柜解決了使用密碼存包帶來的密碼容易被竊取問題，存取包操作也比較方便快捷，但是由于內部使用的打印部件及打印紙需要經常進行加墨和維護，使得存包柜的后期維護成本較高。

2003年伴隨著生物特征識別技術的興起與研究，指紋識別的技術得以應用于存包系統(tǒng)。劉云橋、趙理提出了一種基于指紋的保管柜系統(tǒng)，但是該系統(tǒng)是基于臺式PC的，以致系統(tǒng)的成本過高而得不到普及[4]。

2006年，馬洪文在設計基于單片機的自動存儲系統(tǒng)時，提出了基于AT89C51單片機的軟件設計方法與硬件設計方法。通過外接8255芯片、微型打印機及字符點陣式LCD、反射式紅外傳感器,鍵盤專用芯片74C922,限位開關及繼電器陣列實現(xiàn)了人機交互能力強、簡潔可靠的設計目的，雖然鍵盤布局變得更加簡單，但是依舊使用了打印機和老式的點陣式按鍵，還有很大的改進空間[5]。

2008年，結合指紋識別技術的發(fā)展陳歲生、盧建剛兩人提出了基于指紋識別技術的存取柜系統(tǒng)的設計與改進方案，該方案由于需要上位機的介入，導致結構比較復雜，并且最多只能控制20個儲存柜，當需要控制更多儲存柜時，控制芯片和指紋采集器都需要擴展，導致成本過高[6]。

2009年，張先震、黃山、李寧、李秀君提出了自動儲物柜控制系統(tǒng)設計的方案，該方案系統(tǒng)由中央控制與門控部分兩部分組成,中央控制由微機構成,包括儲物柜狀態(tài)界面和控制界面;門控部分用AT89C52單片機作為主控芯片,輔以相關的鍵盤、顯示、語音、條碼掃描及條碼打印電路,采用了串口通訊的方式將主控芯片與其他子功能模塊連接在一起。系統(tǒng)能夠實現(xiàn)語音提示、LCD同步顯示、對條形碼數(shù)據(jù)進行掃描,并將其結果通過譯碼電路進行識別、自動產生一組隨機數(shù)據(jù)并將其轉化為條碼打印出來等功能[7]。

2011年，熊成在碩士論文中提出了基于DSP的指紋存包系統(tǒng)的設計，該系統(tǒng)融合了指紋識別技術與嵌入式DSP技術。該系統(tǒng)的指紋圖像特征信息經過壓縮后，占用的存儲空間可以減少到幾十個字節(jié)到幾百個字節(jié)，因此可以和其他的生物特征識別技術結合，靈活地構成各類系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以十分靈活的進行多種功能的擴展，還可以根據(jù)需求擴展更多單元格的儲存柜。該系統(tǒng)與基于單片機的儲存柜系統(tǒng)相比，雖然可以擴展更多的功能，但是其消耗的功率也成倍的增加[8]。

2014年，閆利超、邸金紅提出了一種基于單片機的自動存物柜的設計方案，以STC89C52為核心，3*4矩陣鍵盤為輸入的方式,LCD1602液晶顯示器為顯示屏,用LED燈的亮和滅來模擬存物柜的開啟與關閉狀態(tài),采用外部中斷掃描方式生成隨機口令來確認和顯示,從而實現(xiàn)存物柜的自動存取功能。該設計在存物時會生成隨機隨機密碼，取物品時輸入隨機生成的密碼后才能開啟柜門，該系統(tǒng)不但需要記住所生成的隨機密碼，在忘記隨機密碼時還存在物品取不出來的問題，缺點十分的明顯[9]。

2015年，郁美霞在碩士論文中提出開發(fā)一套基于校園一卡通的智能儲物柜系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用射頻讀卡設備采集校園卡信息并發(fā)送給上位機監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)通過訪問學校信息中心校園卡信息數(shù)據(jù)庫進行比對。拿東西的時候，不僅要刷卡，還要輸入自己設置還好的密碼，該系統(tǒng)的優(yōu)勢是實現(xiàn)了多極化分層管理，但缺點也十分明顯，該設計中只是用校園卡替代了傳統(tǒng)的鑰匙，還是會出現(xiàn)遺失甚至是盜用的情況，安全性較傳統(tǒng)的儲物柜并沒有明顯的提高[10]。

2017年，在設計學校儲存系統(tǒng)的進程中，張榮娟提出了在學?，F(xiàn)有校園卡的基礎上開發(fā)智能存儲系統(tǒng)這一方案。由于校園卡原本就帶有射頻標簽，只需要在存儲系統(tǒng)系統(tǒng)中加入射頻技術即可，這樣在成本不高的基礎上就能使整個存儲系統(tǒng)變得簡單方便。但是安全性過低，開柜門僅僅只需要校園卡，當校園卡遺失或被盜用后，柜門可十分輕易的被打開[11]。

2019年，呂曉穎提出電子超市自動存儲柜設計與制作方案，該存儲系統(tǒng)的設計方案中同樣也是基于單片機所完成的，該方案的核心控制部分為STC89C52單片機，并且在實驗調試過程中使用了5個存儲柜搭建的實驗環(huán)境。存放物品時,會產生4位隨機密碼,把存儲的東西放置好后,液晶顯示屏上顯示FULL,表示已使用該存儲柜,相應的指示燈亮。當需要從儲物柜中取出物品時，需要提供之前存物時所給出的密碼憑證。當密碼憑證匹配通過時，會將之前存物的柜門打開，并閃爍于柜號相對應的信號燈，還會在人機交互界面上標出當前的空柜。此裝置具有存取功能,能顯示存儲柜狀態(tài),并可以異常報警,具有常規(guī)的存儲柜所具備的存儲功能。但需要時刻記住生成的隨機四位數(shù)密碼，在使用的便捷性上稍顯不足[12]。

2020年，陳賡、劉志壯、廖子涵等人提出了指紋存取儲物柜的設計方案本方案設計的是一種基于STM32單片機的存儲柜。該系統(tǒng)由STM32單片機、as608指紋模塊和電阻式觸摸屏組成。用戶可以通過觸摸屏選擇菜單輸入指紋，避免了傳統(tǒng)存儲柜使用條碼打印紙時因條碼丟失而造成的資源浪費和不便及安全隱患[13]。

1.2.3研究現(xiàn)狀綜述

綜合以上的敘述,采用條形碼的電子儲存柜安全性不高，且需要定期添加紙張和墨水，缺點十分明顯。而采用射頻識別技術的儲物柜，當開柜門的卡片遺失或被盜用后，柜門可十分輕易的被打開，安全性過低。在科學技術飛速發(fā)展的今天，人們的固有特征被當作打開儲物柜的憑證，在許多場合取代了條形碼和刷卡，很大程度上增加了便捷性與安全性，在對比上述兩類儲存柜的缺點并考慮到當前的疫情形式，本文研究與設計了一款具有顯示提示信息、蜂鳴器報警、指紋識別、自動消毒、語音播報以及多級密碼管理等多種功能的智能儲存柜系統(tǒng)——基于單片機的智能儲物柜，本系統(tǒng)提出了一種低成本、低功耗、功能強大的智能儲存柜系統(tǒng)的設計方案。

1.3設計主要內容

本文設計一種以指紋識別技術、語音提示技術為核心的智能儲存柜系統(tǒng)，使用戶儲存東西更加方便簡潔，提高了安全性、可靠性。采用單片機為主控，經過AS608光學傳感器、按鍵（輕觸開關）配合進行用戶使用，定制的語音芯片、LCD1602和蜂鳴器達到人機交互的作用。在這里使用繼電器模擬存儲柜的開關、LED燈模擬消毒系統(tǒng)。

2系統(tǒng)總體方案設計

2.1 系統(tǒng)結構設計

系統(tǒng)的設計主要由下列部分組成。單片機主控模塊采用采用STC89C52單片機，指紋模塊、按鍵模塊為外部輸入部分，電源模塊單獨組成外部供電部分，經過單片機進行數(shù)據(jù)分析與處理，繼而控制整個系統(tǒng)運行，將提示信息顯示到顯示模塊上，并實現(xiàn)語音播報，密碼錯誤時通過報警模塊響應。用繼電器來控制儲存柜柜門的開啟和關閉的狀態(tài)，當用戶取出物品后系統(tǒng)會對儲存柜自動消毒系統(tǒng)結構框圖如圖2.1所示。

圖2.1系統(tǒng)結構圖

2.2系統(tǒng)硬件的選型

2.2.1單片機的選型

現(xiàn)有的單片機種類很多，在這里列舉如下：

英特爾公司的MCS-51系列單片機已經形成了一系列經典而又不乏生命力的單片機。許多半導體廠商、電器公司以8051為基本核心，推出了一系列兼容CHMOS的微控制器——80C51系列微控制器；

Microshipd的主要產品是pic系列8位MCU。這一系列的單片機在抵抗干擾能力以及運行的速度上都有良好的表現(xiàn)。并且該系列產品的種類豐富齊全，價格也相對比較低。

ST意法半導體公司生產以AMR內核的STM32單片機,32位單片機外設豐富，功能強大；

Texas Instruments公司開發(fā)生產的單片機主要用于能耗不大的場所。該公司MSP430單片機為經典系列，是一種能耗功率極小的單片機。

根據(jù)控制要求和設計的需求，以及方便設計開發(fā)，使用最為成熟的單片機，在這里所使用的型號為STC89C52RC單片機。該單片機使用簡便，網(wǎng)上資料齊全，遇到難題都可查詢翻閱到。大大減少了設計難度。系統(tǒng)控制使用到的I/O端口不超過26個，從設計的成本和要求，STC89C52RC這款單片機足以勝任，性價比高。因此方案選擇這款單片機。見圖2.2STC89C52RC。

圖2.2 STC89C52RC

2.2.2指紋模塊的選型

指紋傳感器，是一種特殊的傳感器件，分為光學指紋傳感器和半導體指紋傳感器。想要采集指紋特征，指紋傳感器是必不可少的。

方案一：光學指紋傳感器。光學指紋識別是最早的指紋傳感器，它通過光的全反射（FTIR）來采集指紋的表面紋理圖像。通過手指觸摸棱鏡表面，LED提供恒定光源，圖像由電荷耦合器件集成電路采集；

方案二：半導體指紋傳感器。半導體指紋傳感器采集指紋特征的原理是利用電容和電場的變化，以及溫度和壓力的變化等一系列物理量的采集來實現(xiàn)的。

光學指紋模塊的成本相對較低。與半導體指紋對比，光學指紋傳感器耐磨性好；而半導體指紋鎖在干濕手的適應性和防偽能力方面更具優(yōu)勢。在識別速度方面，半導體指紋頭也優(yōu)于光學指紋傳感器，但是本設計要求可以識別指紋即可，在成本上考慮選擇方案二。見圖2.3AS608光學傳感器。

圖2.3 AS608光學指紋傳感器

2.2.3顯示模塊的選型

根據(jù)系統(tǒng)的要求，以及功能的實現(xiàn)，能夠準確顯示實時的數(shù)據(jù)，使操作簡單，界面人性化。在這里我們有很多的選擇：

方案一：液晶LCD1602顯示器。液晶LCD1602顯示器數(shù)據(jù)連接單片機的形式有8位和4位。在占用I/O口上不多不少而且成本低，滿足了顯示多個數(shù)據(jù)，在軟件驅動上簡單。

方案二：數(shù)碼管。數(shù)碼管是一種能顯示數(shù)字及其它信息的電子顯示裝置。但是數(shù)碼管占用的I/O口多，一次性顯示的數(shù)據(jù)需要多個數(shù)碼管，這和系統(tǒng)的要求不一致。

方案三：OLED顯示屏。OLED顯示屏功耗小，體積小，占用I/O口少，分辨率為128x64，尺寸有0.96、1.3寸。滿足顯示多組數(shù)據(jù)，但是增加了系統(tǒng)的成本以及軟件編程的難度。

在這里選擇方案一。見圖2.4LCD1602液晶顯示器。

圖2.4 LCD1602液晶顯示器

2.2.4報警模塊的選型

根據(jù)設計要求，指紋和密碼輸入錯誤時需要有報警提示，那么可以選擇單片機驅動蜂鳴器。對于蜂鳴器的選擇有倆種方案。

方案一：有源蜂鳴器。當用直流電流信號時可以驅動其內部的震蕩源。成本較無源蜂鳴器會高一些，但是符合本設計。

方案二：無源蜂鳴器。當使用直流電流信號時，內部振蕩源無法驅動，成本比較低，但是在本設計中使用的是直流信號。

因此選擇方案一。見圖2.5有源蜂鳴器。

圖2.5 有源蜂鳴器

2.2.5按鍵模塊的選型

根據(jù)系統(tǒng)的要求，需要外部觸發(fā)給系統(tǒng)，實時顯示按下的數(shù)字，能夠及時反映，那么按鍵的選擇也分很多種。

方案一：電容式按鍵。電容按鈕的工作原理是測量面板在被觸摸時，會改變線路中的電容，從而檢測是否導通。當人的手指接觸時，會有一定的電容，形成電容板的一極，電容的另一極是PCB板的銅片，這種按鍵使用壽命長，產品美觀。但是這種按鍵使用成本高。

方案二：接觸式開關。觸摸按鍵開關主要是指按鍵開關，又稱觸摸開關。接觸開關是一種電子開關器件，屬于電子元器件的范疇。它最早是在日本被設計出來的，被稱為[敏感開關]。使用時，可按開關操作方向合上，以滿足操作力的條件。卸下壓力后，開關將斷開。其內部結構是通過金屬彈片的受力變化來實現(xiàn)的。其接觸電阻小，手感好，并伴有“嘀嗒”的清脆響聲。

在這里選擇方案二。見圖2.6按鍵模塊（輕觸開關）.

3硬件系統(tǒng)設計

3.1系統(tǒng)總體設計

根據(jù)系統(tǒng)結構圖展開，設計硬件電路見圖3.1系統(tǒng)電路圖，本設計的硬件部分由主控電路、按鍵電路、指紋傳感器電路、顯示電路、蜂鳴報警器電路、語音播報電路、自動消毒電路、繼電器電路、供電電路、3.3V穩(wěn)壓電路以及串口下載電路11部分電路組成。

圖3.1 系統(tǒng)電路圖

3.2主要硬件電路設計

3.2.1核心控制電路設計

STC89C52RC的最小系統(tǒng)必不能缺少電源、時鐘、復位這些部分。電源、時鐘等電路是最小系統(tǒng)不可缺少的，而最小系統(tǒng)又是整個設計的系統(tǒng)關鍵控制部分。通過內存擴展、a/d擴展等方式，單片機可以完成更復雜的功能。

（1）電源電路。單片機多數(shù)都是3.3V、5V供電，一般都在VCC和GND處并接一個10uf、0.1uf的電容用來濾波穩(wěn)定電源信號。本設計用的到單片機是5V供電。穩(wěn)定的電源信號能夠提供單片機穩(wěn)定的工作環(huán)境以及確保單片機正常工作。

（2）時鐘電路。單片機中有一個自激振蕩電路。只要將單片機的xtal1（18）引腳和xtal2（19）引腳與晶體振蕩器（簡稱石英晶體）連接，這樣就能構成自激振蕩器，從而能夠產生出時鐘脈沖信號。

（3）復位電路。當STC89C52單片機的RST引腳引入高電平，并能維持兩個機器周期時，單片機將進行復位操作。如果引腳持續(xù)保持高電平，MCU將處于循環(huán)復位狀態(tài)。復位電路的功能是確保微控制器在啟動時處于初始狀態(tài)。

最小系統(tǒng)電路圖見圖3.2。

圖3.2 主控電路圖

單片機引腳功能見表3.1：

表3.1 單片機引腳功能

3.2.2按鍵電路設計

本設計需要12個按鍵，因此首先排除了12個獨立按鍵，占用了大量的MCU I/O端口資源。可以選擇3x4矩陣鍵，12個鍵可以排列成三行四列。在第一行中，每個鍵的一端連接在一起，形成行的線條形式。在第一列中，每個鍵的另一端連接在一起，形成列的線條形式。這樣，就有三行四列，一共有七行相連。將7根導線連接到單片機P2口的7個I/O口上，通過掃描鍵盤可以準確檢測出12個按鍵。合理利用了單片機資源，如圖3.3矩陣按鍵電路。

圖3.3 矩陣按鍵電路

3.2.3指紋傳感器電路設計

本系統(tǒng)使用的AS608光學傳感器通信方式為串口通信，直接連接51單片機的P3.0(RXD)、P3.1(TXD)設置波特率為9600，即可讀取指紋數(shù)據(jù)，以達到實現(xiàn)系統(tǒng)中的指紋存入識別功能。見圖3.4指紋傳感器電路。

圖3.4 指紋傳感器電路圖

3.2.4顯示電路設計

本設計采用的液晶LCD1602顯示屏額定工作電壓為5V，自帶光源在無外界光源照明的情況下也可正常使用。但不能顯示漢字等復雜的字符，能顯示字符的范圍也只有兩行。數(shù)據(jù)連接1602一般有倆種方法，一種是8位數(shù)據(jù)庫并行連接，另外一種是高四位連接，本設計使用第一種方法。除了連接數(shù)據(jù)傳輸口和供電腳外，還有RW （讀/寫腳）、RS（命令/數(shù)據(jù)腳）、E（使能腳）、V0（液晶顯示對比度調節(jié)端），如圖3.5 LCD1602顯示電路。

4系統(tǒng)軟件設計

4.1主程序流程圖

軟件按照C語言的模塊化設計。首先需要完成主程序的初始化，然后設置各相關模塊的標志位。如果設置的緩沖區(qū)指示需要處理相應的程序，則主程序立即分配相應處理子模塊的程序。然后對相應模塊的驅動程序進行了集成和調試。主程序流程圖如圖4.1所示。

圖4.1 主程序流程圖

在開始后首先根據(jù)用戶的選擇判斷是存物還是取物：

當判斷為存物時，先顯示待存入的柜號（在實物制作過程中，我將設置1到3號三個柜子），柜子的使用優(yōu)先級將依次遞增，如存入優(yōu)先使用1號柜，在1號柜已經存入時才會選擇存入2號。在給用戶分配待存入的柜號后，根據(jù)用戶選擇判斷存入是否為貴重物品。判斷為貴重物品時，用戶先使用按鍵設置六位數(shù)密碼，然后錄入指紋信息，完成取物憑證的保存。判斷為非貴重物品時，用戶只需使用按鍵設置六位數(shù)密碼即可完成取物憑證的保存。在完成好憑證的保存后，將控制繼電器動作打開柜門并伴隨有語音提示柜門打開，用戶存入物品后語音提示關閉柜門。在關閉柜門后，完成存物，流程結束。

當判斷為取物時，語音提示輸入密碼。在驗證密碼與指紋后，如驗證不通過，顯示屏顯示錯誤并語音播報錯誤，返回驗證之前狀態(tài)。驗證通過時，繼電器動作打開柜門，并伴有打開柜門的語音提示。用戶取出物品后，語音提示關閉柜門。關上柜門后，完成物品取回，流程結束。

主函數(shù)部分程序如下所示：