《基于STM32的智能储物系统设计与实现》7900字（论文）

II第一章绪论1.1选题背景随着共享理念的渗透，越来越多的“共享+”开始出现。与此同时，随着嵌入式电子技术的飞速发展，电子技术的相关产品在日常中的应用也日益增多，其中，储物柜由于自身的方便性得到了广泛的应用[1]。但是现如今的储物柜使用大部分是在学校、超市、等固定场合[2]。机械锁系统采用非常传统的机械锁结构。用户使用相应的钥匙来开关储物柜,该系统安全性差,管理不便,因此逐渐被电子式储物柜代替[3]。然而对于如今市面上的电子储物柜，相比较于机械储物柜确实更加方便，但如今市面上大多数的电子式储物柜都是采用IC卡或者扫码解锁，对于日常使用，这样似乎也很繁琐。而且由于箱体本身巨大，会占用大量的生活空间，并且价格昂贵，并不适合在日常家庭生活中使用。在互联网+时代，电子商务的发展带动了快递业的快速发展，网络购物已经成为人们生活中的常态，尤其是在年轻人中，这一特点更为突出[4]。不管老人还是小孩很多都渐渐学会了网上购物，于是各式各样的物品出现在日常家庭生活中，面对琳琅满目的物品，如何储存成为了一个大家都需要面对的问题。传统的柜式储物箱存储空间较大，但是由于箱体本身也很大，会占用大量的生活空间，使用起来性价比比较低。而且对于小型物品，比如工具、药品等，使用起来并不容易寻找，因为箱体本身空间较大，容易把许多物品混在一起，在需要使用时更是常常因为忘记放置的位置，导致需要翻箱倒柜花费大量时间寻找。由此可以看出传统储物柜如今的局限性。如何快速准确的分类和拾取所需要的物品，在这个“时间就是生命”的年代就显得尤为重要[5]。构建智能储物柜系统，大大提升了储物柜系统的便利性、安全性及信息化管理[6]，对于许多人来说是非常有意义的事。基于此，本次课题主要是针对这些问题进行研究。1.2研究意义日常生活中常用的传统储物柜一般分为机械储物柜和电子储物柜。传统机械锁采用传统机械锁的结构。用户必须使用钥匙打开和关闭储物柜。用户必须随身携带这把钥匙才能取东西。如果用户遗失钥匙，就会带来取物的麻烦[7]。传统储物柜系统一般不联网，需由管理员定期来清柜及故障处理,使用起来比较麻烦，并且出现此类问题时处理起来比较浪费时间。而如今市面上的电子式储物柜，体积大、价格高，而且多数是使用条形码扫描来控制打开储物柜，更多是用在超市、商场等大型场合，并不适用与普通家庭、办公室、医院以及实验室等地方。并且使用纸质的条形码扫描，相对来说也比教浪费。这种形式也不适用于小场合的智能储物柜。本课题主要针对普通家庭、办公室、医院以及实验室等地方，这些地方经常需要存放的物品种类比较繁多，而且经常需要小批量多次取用。而如今市面上的智能储物柜体积大、价格昂贵，对于普通家庭、实验室等地方使用起来性价比低。本次设计的智能储物柜，没有采用传统的长方体形柜子，而是选择了圆柱形箱体。由于本次设计通过摄像头采集图像信息的，长方体柜子需要在每个格子里都安装摄像头，操作麻烦而且成本比较高，而圆柱形柜子则可以在底部安装电机控制它旋转，这样只需要在顶部安装一个摄像头，操作相对简单也节约成本。它采用OV2640图像传感器采集物品存放的图像信息，能够让用户更快的找到需要的物品。本次设计是基于STM32单片机的，STM32单片机价格低廉、特性好、性价比高[8]，很适合应用于此次设计。不仅如此，本次设计的智能储物箱的箱体并不是采用传统的长方体柜式形状，而是选择了一个圆柱形的箱体，这样子也可以避免传统柜式箱体四角比较尖锐的问题，对于家庭中的小朋友来说也能够避免一些安全隐患。此次设计能够让日常工作以及生活更加便利，是一项很有意义的研究。1.3研究内容与结构储物箱系统由顶部摄像头对存放的物品进行图像采集，并通过WiFi传输发送到客户端。智能储物箱主要模块分为STM32主控芯片模块、图像采集与上传模块、WiFi传输模块、箱体、驱动部分组成。本文结构分为以下几个部分：第一章绪论主要介绍了智能储物箱的选题背景以及研究意义；第二章智能储物箱的系统结构主要介绍了智能储物箱的硬件部分的组成、功能以及本次设计所使用的硬件型号；软件系统设计主要介绍了智能储物箱的软件部分；第四章系统调试与验证主要介绍了智能储物箱的调试与验证过程；第五章设计成果展示与论文总结主要是对智能储物箱的成果进行展示以及对论文的总结；1.4本章小结本章主要介绍了智能储物箱的选题背景、选题意义以及研究内容与结构。下一章将要介绍智能储物箱的系统结构。第二章智能储物箱的系统结构2.1设计任务及分析智能储物箱需要实现的功能为：将摄像头放置在储物箱的上端，储物箱为圆柱形，下方安置有电机，通过电机控制储物箱旋转，电机旋转的角度可以根据自己的需求进行调整。然后通过上方的摄像头对存放进储物箱的物品进行图像信息采集，并通过图像采集与上传模块将拍摄到的物品存放信息进行数据封装，封装好图片数据之后，通过WiFi传输模块将已经封装完整的图片信息发送到客户端，并且按时间顺序保存到指定文件夹，之后就可以实现电脑端的图片显示。根据智能储物箱的功能定义，选择储物箱主控模块及附属模块。由于STM32单片机价格低廉、功耗低、稳定性好，所以我们选择STM32作为智能储物箱的主控芯片。OV2640图像传感器的像素在200万，并且价格先对较低，性价比很高，因此选择它作为附属模块。8801WiFi芯片稳定性好、性能高、价格便宜，所以选择它作为附属模块的一部分。智能储物箱所需要完成的工作有：系统电路接口连接、模块调试及服务器搭建、单片机程序编写、程序调试与整体调试。2.2智能储物箱的系统结构首先选好储物箱的箱体，此次储物箱箱体为圆柱形，下方安置有电机，可以通过电机控制旋转储物箱。摄像头安装在储物箱上方，通过设置好电机旋转间隔时间，来控制箱体的旋转角度，再利用摄像头采集箱子的物品存放信息。再利用windows自带的IIS（InternetInformationService）搭建web的运行环境，接着搭建web的服务器网站。然后通过WiFi模块（Marvell8801芯片）将采集到的物品存放的图片数据发送到服务器。这样就可以在电脑上看到储物箱的存储情况。图2-1系统原理图2.3智能储物箱硬件系统智能储物箱所需要的模块包含STM32单片机控制模块，图像采集与上传模块，8801WiFi传输模块等。2.3.1STM32单片机我们选择STM32单片机来充当我们的控制模块。由于STM32单片机应用广泛，很容易找到相关的学习资料，且资料齐全、内容丰富，可以很容易的学习和使用。适用于开发STM32的配套软件也非常的多，并且容易学习。STM32单片机的性价比高，它的性能高、功耗低、价格便宜[9]。STM32F系列芯片使意法半导体（ST）公司出品的一个术语中低端的32位ARM微控制器，其内核是Cortex-M3。这个系列的芯片按内Flash可以分为三大类：小容量（16K和32K）、中容量（64K和128K）、大容量（256K和512K）。其最高工作频率可以到达72MHz。支持串行单线调试（SWD）和JTAG接口[10]。采用LQFP64封装。工作的温度范围在-40℃～85℃。如图2-2所示，是STM32F103XX系列的LQFP64封装图。该芯片呈正方形，每边各有16个引脚，总共有64个引脚。以下是对64个引脚的介绍：输入输出引脚（I/O口）：PA0～PA15，PB0～PB15，PC0～PC13，PD0～PD2。PD0和PD1分别是晶振输入和晶振输出，PC13～PC15内部连接了模拟开关，只能通过少量电流。电源引脚：VSSA模拟地、VSSA_2～VSSA4数字地、VDDA模拟电、VDDA_2～VDDA4数字电；VBTA给RTC和备份寄存器供电。功能性端口：NRST复位引脚、BOOT0模式启动引脚。图2-2LQFP64封装图2.3.2STM32单片机外围电路STM32F单片机的外围电路是由复位电路与外部晶振电路两部分组成。如图2-3所示，是单片机的复位电路。复位电路是由一个0.1uF的电容，一个10K的电阻，一个3.3V的电源以及一个按键开关组成。复位引脚与STM32单片机的14号引脚RST相接。当开关被按下时，复位端接地，电路完成复位。图2-3复位电路图如图2-4所示，是单片机的外部晶振电路。STM32的8M外部晶振电路是由一个1M的电阻、两个22pF的负载电容以及一个石英晶体振荡器组成。STM32的工作频率最高可以到达168MHz[16]。它是通过内部锁相环PLL进行频率倍增，为系统提供高速时钟。图2-48M外部晶振电路图2.3.3WiFi模块我们使用的WiFi模块是Marvell公司生产的8801芯片，这是一款新型低功耗WLANSoC，它支持IEEE802.11e网络标准协议，传输数据的效率最高可达72Mbps。而且这款芯片的价格便宜、稳定性强、加密方式多，能够很好的契合我们设计所需要的网络传输功能需求[11]。Marvell8801芯片系统的主要是由四个部分组成：网络模块、处理器、主机接口与外部接口。该处理器是高性能的AMR微处理器，并配备了两个独立的直接内存访问通道（DMA）。它在处理中断和系统读写过程中起着非常重要的作用，从而减轻了CPU数据处理的压力并提高了整体数据传输效率。网络模块主要由网络共存和无线局域网两部分组成。网络共存是指支持与蓝牙设备相互传输的能力。WLAN可以分为WLANMac，WLAN基带，无线加密和无线网络天线。MAC（介质访问控制器）是WLAN中最重要的模块功能。它支持帧数据重组和分段，动态频率选择，帧检查等功能。在通信过程中支持多种调制方式，例如DBPSK，DSSS，OFDM，dqspk，CCK等，独立的收发器通道可以优化收发信息，降低噪声并降低功耗。支持多种数据加密模式，例如WPA，WPA2，WEP128bit等。主机接口由SDIO2.0和USB2.0组成，可以适应大多数具有不同接口的处理器。如图2-5所示是WiFi模块的电路图，8801芯片的WiFi模块的工作电压在3.3V，所以引脚5（VCC）接3.3V电源，引脚6（GND）接地。SDIO接口D0～D3接到STM32的PC8～PC11引脚，命令响应引脚8（CMD）接PD2，时钟引脚3（CLK）接PC12，电源分配引脚4接PD1，复位引脚7（RESET）接PD0。图2-5WiFi模块电路图2.3.4图像采集模块此次使用的图像采集模块是一个型号为OV2640的图像传感器。OV2640图像传感器是OV公司生产的CMOSUXGA图像传感器，也称为COMS型数字图像传感器，该图像传感器输出的图像最高可达200万像素（1632×1232分辨率）。OV2640是利用SCCB总线控制的小型CMOSUXGA图像传感器[12]。该传感器体积小、工作电压低，可提供单片UXGA摄像头和影像处理器的所有功能[13]通过SCCB总线控制，可以输出整帧、子采样、缩放和取窗口等方式的各种分辨率8/10位影像数据[14]。OV2640的图像数据格式一般采用RGB565和JPEG两种输出方式。OV2640配备了一个压缩引擎，可以将原始数据流压缩成JPEG格式输出，避免了编写JPEG编码算法的需要。输出格式在使用过程中由软件编程控制，具有较好的可操作性[15]。STM32F407自带数字同步并行摄像头（DCMI）接口，该接口能够接收外部8~14位CMOS摄像头模块发出的像素数据流。STM32F103为OV2640型摄像头模块提供的接口如图2-6所示：图2-6OV2640模块电路图在该接口中使用了微控制器的如下引脚资源：DCMI（D[0:7]）：用于接OV2640型摄像头模块的数据输出引脚；DCMI_HSYNC：用于接OV2640型摄像头模块的水平同步信号引脚；DCMI_VSYNC：用于接OV2640型摄像头模块的垂直同步信号引脚；DCMI_PIXCLK：用于接OV2640型摄像头模块的像素时钟信号引脚[16]。0V2640图像采集传感器包括了以下几个功能模块：感光阵列：OV2640的最高像素可达200万，即为1632×1232分辨率。模拟信号处理：可以处理模拟信号，如模拟信号的增益、传输信号的补偿等。模数转换器：可以将接收到的模拟信号转换为数字信号。数字信号处理器：可以处理获取到的数字信号，常见处理方式如降噪、饱和度调整、黑白点补偿、伽马调整等。压缩模块：可以将获取得到的初始数据图像转换成JPEG格式进行输出。格式输出模块：控制输出的图像格式。SCCB接口模块：用来操控摄像头工作，主要是用作图像采集模块的控制系统。微处理器：它本身自带一个8位的微型处理器，可以灵活接收指令，提升图像质量。2.4章节小结 本章主要简单的介绍了智能储物箱的使用原理以及设计智能储物箱所需要的硬件设备，介绍了硬件设备的一些电路图，简单的分析了设计智能储物箱所需要完成的任务。并且介绍了各个模块的结构以及各个模块的特点。根据功能选取各个模块所需要的型号。下一章节将会主要介绍智能储物箱的软件部分的系统设计。第三章软件系统设计3.1服务器端流程图3-1服务器端流程图如图3-1所示是智能储物系统的服务器端流程图。首先启动设备，然后对设备进行初始化，再通过delay函数设定所需要的延时时间，然后通过localtime_s函数将获取到的系统时间转换为当地标准时间。完成时间转换后开始构建网络，先是通过MAKEWORD宏定义设定sockVersion为2.0版本，然后进行WSA初始化同时验证版本是否正确，如果不正确则会返回错误的函数值。验证完成之后开始定义交换信息的通道即设定TCP协议，协议簇为TPC/IP-IPv4即IPV4网络协议。完成通道设定后同样需要验证交换信息的通道是否一致，通道不一致时仍然需要返回错误的函数值。之后需要通过sockaddr_in_addr建立soket的相关信息，总共有三个部分，分别是通讯模式AF_INET、端口号htons8888以及开发板的IP地址192.168.10.10。完成这些之后开始建立网络连接，连接不成功同样会返回函数值，连接成功则会在运行完程序之后清理掉垃圾信息且自动关闭。之后需要处理摄像头采集到的图片数据，我们采用定义字符组的方式来存放采集到的图片数据，此次定义了两个字符组，分别是jpegBuffer1与jpegBuffer2。再设定需要接收图片的循环次数。然后服务器开始发送指令“GP”到开发板，请求开发板发送图片数据。再发送指令“KG”，启动储物箱下方的电机，接着开始循环接收开发板发送过来的数据包。接着根据自己的需要设定图片的存储位置以及给图片命名。然后初始化数据包数值，并计算数据包的长度是否为10，如果不是10就保存到指定位置，直到开发板返回命令为10时关闭文件。最后我们通过一个延时函数来实现定时功能，通过延时函数实现间隔拍照，防止一次存取物品采集过多的图片数据。完成之后发送指令“KG”使电机停止转动，并关闭网络连接。3.2终端流程图3-2终端流程图如图3-2所示是智能储物箱的终端流程图，首先对系统进行初始化，在对OV2640摄像头初始化，初始化需要的图像大小、像素等，网络协议初始化，初始化网络协议通道，I/O口初始化，初始化需要使用的I/O口等。完成初始化之后开始进入工作状态，开始检查服务器发出的指令，电机接收到指令开始转动，电脑接受到指令，对传输过来的数据进行保存，最后再发送数据到服务器。3.3客户端流程图3-3客户端流程图如图3-3所示，用户通过客户端，连接入局域网，通过登入IP地址进入服务器中设置好的网页，就可以查看网页中的采集到的图像信息。用户也可以对网站的访问权限进行设置，选择安全选项，点击编辑，输入对象名为everyone后点击确定，之后就只需要IP地址即可访问，无需连接与服务器相同的局域网，这样用户可以随时随地通过客户端对网页进行访问，更加方便使用。3.4本章小结本章主要介绍了智能储物服务器、终端以及客户端的一些流程。描述了这些流程中的一些过程。下一章将介绍智能储物箱的调试与验证过程。第四章系统调试与验证4.1单片机模块调试与验证：将OV2640图像传感器接在STM32F4单片机上面，再将Marvell8801WiFi芯片同样接在STM32F4单片机上。接通单片机电源，为单片机、OV2640图像传感器以及8801WiFi芯片供电。在电脑端利用MaxidixWiFisuite连接8801WiFi的热点WIFIBOARD_ADHOC。完成这些步骤之后，打开创思通信，通过创思通信可以看到OV2640图像传感器传输过来的图像，单片机模块就调试成功了。如图4-1、4-2所示：图4-1WiFi连接调试图图4-2图像传输图4.2软件部分的调试与验证：在VisualStudio中建立一个新的项目，根据需要实现的功能编写代码，本次设计需要实现的功能有：发送指令控制电机转动，发送指令给单片机让它传输采集到的图片数据，最后将图片数据保存在指定路径。对编写好的代码在项目中进行编译，查看代码是否有语法上的错误。如图4-3所示，代码编译成功。图4-3代码调试图4.3服务器搭建调试与验证：打开电脑上的【控制面板】，然后找到【程序】➡【卸载程序】，之后在面板中找到【打开或关闭window功能】。选择对应的选项，勾选之后确定。完成之后开始验证web服务器是否搭建成功，打开浏览器，在地址栏输入“lacalhost”显示界面如图所示：图4-4localhost图在浏览器输入“localhost”之后出现如图4-4的界面，表示web服务器搭建成功。4.4系统整体调试与验证：对代码进行编译，确认没有错误之后，给单片机接上电源，再把电机转盘连接到单片机板子上，使单片机为其供电。接着使用MaxidixWiFisuite连接8801芯片发出的热点WIFIBOARD_ADHOC。接着使用vs2015运行编写好的代码，服务器端会给电机和开发板发送指令，成功接受指令后，电机转盘开始转动，OV2640图像传感器开始采集图像信息，并通过WiFi发送给服务器，服务器会将接收到的图像信息保存在设置好的文件夹。调试结果如图4-4图片信息发送调试图，以及图4-5图片保存调试图所示:图4-5图片信息发送调试图图4-6图片信息接受调试图4.5本章小结本章主要介绍了智能储物箱的各个模块的调试与验证过程，下一章将要介绍的是智能储物箱的结果展示以及论文的一些总结。第五章设计制作成果展示与论文总结5.1设计制作成果展示图5-1智能储物箱成果图（1）图5-2智能储物箱成果图（2）如图5-1、5-2所示，是本次设计智能储物箱的成果图。本次设计的智能储物箱完成了任务书的全部要求。在储物箱顶部安置摄像头，先是通过图像采集与上传模块对存放进储物箱的物品进行图像采集，再通过WiFi模块将采集到的图片数据发送到客户端，之后用户可以通过自己的电脑对存储的物品信息在指定的文件夹中进行查看。在日常寻找物品时可以直接通过查看图片信息找到所需物品的所在位置，可以节省用户大量的时间。5.2论文总结本次设计的智能储物箱完成了预设的设计要求。将摄像头安装在储物箱顶部，通过设定好的程序采集图片信息，再通过WiFi模块传输到服务器，最终实现在PC端查看图片信息。本次设计的智能储物箱在结构上相对简单，使用起来还有一点瑕疵，由于某些原有一些功能并未从加入其中，只能通过简单的延时函数来控制拍照，而不能通过判断储物箱是否打开进行拍照。如果条件更加充足，可以对储物箱的功能进行一些扩展，将这些功能加入其中，储物箱使用起来会更加方便快捷，也可以使课题完成的更加完美。参考文献[1]李文闯,杨荣兴,李超凡.共享智能指纹储物柜的研究[J].电子世界,2021(05):35-36.[2]姜科,徐杰生,吴霞.新型智能指纹识别储物柜控制系统的设计与应用[J].产业与科技论坛,2016,15(6):77-78.[3]刘聪,刘延春,刘东华等.基于面部识别的智能储物柜[J].数码世界,2019