基于STM32F103C8T6的雨伞智能管理系统设计_龚雅庆.pdf

84|电子制作 2023 年 2 月电子基础0 前言智能雨伞管理系统是一种新型的高新技术综合体，他的出现弥补了当前服务行业特别是物品管理方向的一大空缺。目前国内外对于雨伞管理的研究较少，但是在国家创新创业的号召下与相关科研单位的支持下，近几年该方向还是得到了一定的发展。文献 1 提出了一种雨伞脱水机，是通过把湿的雨伞倒在辐条型的内桶里，再使用电机带动内桶做高速旋转运动，使雨伞产生离心力，从而实现雨伞的脱水。文献 2 中提出了在甩干的基础上增加烘干的功能，进一步增强了雨伞烘干的效率。文献 3 提出了一种新型的雨伞烘干装置，该装置能够让雨伞在不打开的情况下得到有效的烘干，极大地提高了雨伞烘干机的实用性。文献 4 提出了一种基于 STM32 与 FPGA 的智能储物柜，该系统具有架构简洁、响应快速、智能高效等特点，具有较高的实用价值。但对于人流密集场所，密码存取的储物柜容易造成拥堵、存取凭证不够可靠、存取凭证难以保存与记忆、操作复杂的情况文献 5 采用人脸识别技术代替了普通的密码存取，极大地提高了存取效率与安全性。文献 6、文献 7 使用 STM32单片机来实现人脸识别的操作，该单片机处理方式高效、性能稳定、在一定程度上降低了部分的成本。本文设计了一种基于 STM32F103C8T6 单片机的雨伞智能管理系统，无需人为的管理就能实现密码存取，智能风干，温湿度检测等功能；此外，人脸识别成了当下智能设备的一大发展趋势，通过人脸识别来控制开锁，不但给日常生活带来更大的便利，还能有效地避免用户因为忘记密码而导致取伞失败的情况发生。因此，研究带人脸识别功能的雨伞管理系统具有广阔的市场价值，更适合当下快节奏的生活方式。1 整体设计方案本设计采用 32 位微控制器 STM32F103C8T6 作为整个设计系统的主控芯片，它是整个设计系统的执行控制单元，并负责全程的数据处理、分析。本设计的总体框架由STM32 单片机为核心，以 44 按键矩阵为输入键盘，实现“存”“取”按键与密码输入的功能。温湿度检测模块负责来检查雨伞表面的温湿度并将温湿度的信息传输到 STM32单片机，由单片机来决定是否需要采取烘干操作，液晶显示模块用来显示当前雨伞表面的温度与湿度并且在存伞的操作时显示存取密码，红外报警模块负责检测在“取”伞操作完成前，雨伞是否被强行取走，如果检测到伞被强行取走，则会触发蜂鸣器报警，人脸识别模块负责实现人脸开锁的功能。2 硬件设计如图 1 所示系统硬件部分由核心控制模块、报警模块、温湿度检测模块、按键模块、存取模块、风机模块、液晶显示模块、人脸识别模块等模块组成。其中人脸识别模块由K210 芯片和外围电路组成。部分模块相关说明如下。(1)核心控制模块单片机是整个设计系统的核心，本设计采用的是STM32F103C8T6 微控制器，它控制着整个系统的运行，核心控制模块除主控芯片外，还包括电源电路等外围电路，其中 STM32F103C8T6 核心板，负责接收按键模块、温湿度检测模块、人脸识别模块与存取模块的信号输入，并同时输出信号给 OLED 液晶屏，让 OLED 液晶屏实时显示温湿度检测模块测量到的温湿度信息，并判断是否需要启用风机模块，是否要启动报警模块以及是否要开锁。(2)温湿度检测模块本设计采用一个 DHT11 作为温湿度检测设备。在实际操作中将该传感器的 VDD 端接至 STM32 芯片的 18 号（5V）引脚，用于给 DHT11 供电。DHT11 的 DAT 端与 STM32 核心板上的 38 号（3V3）端口相连，使得传感器能够将采集到的温湿度的数据传送到 STM32F103C8T6 核心板中，并由核心板来决定是否需要打开热源或者打开风机。基于 STM32F103C8T6 的雨伞智能管理系统设计龚雅庆，张林成（湖南城市学院 信息与电子工程学院，湖南益阳，413000）基金项目：本文系湖南城市学院2023年度 益阳市科技计划项目（应用基础研究与软科学研究计划）“可控源电磁法三维快速高精度正演研究”（编号：益财教指2022108号）研究成果。摘要：在雨水季节各大商城、图书馆、自习室等公共场所缺少必要的雨伞管理措施，同时雨伞大量无规律的存放容易导致拿错雨伞或者丢失雨伞的现象发生，针对上述问题，开展了基于雨伞智能管理的调查与研究，最终决定以STM32F103C8T6核心板为核心设计一款雨伞智能管理系统，本设计采用STM32F103C8T6核心板、报警模块、温湿度检测模块、按键模块、存取模块、风机模块、液晶显示模块、人脸识别模块，实现以雨伞管理为核心，兼顾智能烘干、温湿度检测、人脸识别和报警等功能，通过测试结果分析能够实现密码管理、智能风干、实时显示温湿度数据、报警、人脸识别、红外检测等功能，在智能家居领域有一定应用前景。关键词：STM32F103C8T6；雨伞管理；红外线检测；人脸识别；温湿度检测模块DOI:10.16589/11-3571/tn.2023.03.004wwwele169com|85电子基础(3)人脸识别模块人脸识别模块主要采用 K210 芯片来设计与实现，通过STM32F103C8T6 来协调舵机与 K210 开发板的输入输出，在存伞的操作完成前，用户可以选择使用人脸识别模块来录入自己的人脸信息，系统在接收到“需要录入人脸信息”的信号之后，会由摄像头模块开始学习人脸特征，并保存在K210 芯片当中，在进行的取伞操作时通过摄像头再次扫描自己的人脸信息，随后与系统内保存的人脸信息进行比较，当人脸信息的数据拟合度达到 70%时则判定为本人，此时单片机将会控制舵机偏转开锁。(4)显示模块本设计采用 OLED12864 液晶显示屏行温度、湿度数据与密码的显示，OLED12864 是一款 12864 行点阵的OLED 显示模块，该 OLED12864 液晶显示屏采用单+5V 电源供电，显示屏上的 CE 端与单片机的 14 号引脚（B6 端），CSN 端与 15 号引脚（B7 端）连接。在实际操作中将显示屏的显示内容分为上下两部分，显示器上方显示当前雨伞表面的温湿度与设定的风机模块工作的阈值，而显示器下方则用来显示用户在取雨伞操作时需要输入的密码以及在进行输入密码操作时显示当前输入的密码。3 软件设计系统上电后首先进行各个模块的初始化设定，包括端口的初始化配置和寄存器的初始化配置。此时 OLED 显示屏上实时显示当前的温湿度，当按下“存”的按键之后，舵机偏转，此时红外传感器开始工作在雨伞放入之后，温湿度传感器开始检测雨伞表面的温度与湿度，当温度低于 28时热源开始，当湿度高于 60%时风机开始工作。在按下“取”的按键之后，如果人脸识别系统对比的人脸数据吻合度高于 70%或者单片机核心块校验密码正确则会控制舵机偏转实现开锁的功能，此时红外检测系统关闭。主程序流程图如图 2 所示。S4S9S13VDD1DAT2NC3GND4U2DHT11R21k3V3U1RELAY5VQ1NPND2二极管R31kD1R11kDC5VS17S3S8S12S16S2S7S11S15S1S6S10S14B121B132B143B154A85A96A107A118A129A1510B311B412B513B614B715B816B9175V18GND193V320GND40GND393V338R37B1136B1035B134B033A732A631A530A429A328A227A126A025C1524C1423C1322VB21U4STM32F103C8T6核心板A2A3TX1RX11234567891011121314151617181920J4CON201234567891011121314151617181920J3CON20DC3V3GNDGNDDC3V3GNDDC5VA0B12B13B14B15B8B9B10B11B0A4A5A6A1A7B1B6B7A1B2C3S5DC_5VC1100uF/25VDC5Voled12864液晶显示GND1VCC2CE3CSN41OLED1.3按键DC5VDC5VD4R51k3V3D5R61k3V3123J1红外传感器123J2舵机3V3JTDONJTRSTJTDIA2A3A0A4A5A6A1A7B1B0B10B11B12B13B6B7U3RELAY5VQ2NPND6二极管R71kD3R41kDC5VDC5VB14Q3NPNR81kB15DC5VS18SPK3V3RXD1TXD2GND3VCC4U3人脸识别VCCGNDB10B11图 1 硬件系统设计图输入密码是否正确系统初始化按键扫描是否接收到“存”舵机发生偏转显示取伞密码每隔500毫秒取一次温度数据实时显示温度温度是否大于阈值电阻丝发热电阻丝停止发热风扇开始工作风扇停止工作红外传感是否遮挡蜂鸣器不报警蜂鸣器报警是否接收到“取”人脸识别是否通过舵机转动指示灯绿色湿度是否大于阈值指示灯红色否否是是否是否是否否是是否开始结束图 2 主程序流程图86|电子制作 2023 年 2 月电子基础4 测试结果与分析基于 STM32 的雨伞管理系统的实验样机如图 3 所示。如图可见 STM32 单片机、温湿度检测模块、风机模块、红外报警模块、按键存取模块等硬件部分。测试主要针对存取功能、温湿度检测与智能烘干功能、人脸识别功能。图 3 雨伞管理系统样机图 4.1 存取功能测试在按下“存”的按钮之后舵机开始偏转，显示屏上显示取伞密码，在使用按下“取”的按键之后，显示屏会提示输入密码，为了更全面的测试存储模块性能，与管理员模块的可靠度，笔者将进行三次存取伞模拟，分别校验密码错误、密码正确，以及输入管理员密码时的存取模块的工作状态，并记录数据如表 1 所示。表1 按键存取测试记录取伞密码输入错误密码是否开锁/灯的颜色输入正确密码是否开锁/灯的颜色输入管理员密码是否开锁/灯的 颜色3219N/红色Y/黄色-2304N/红色Y/黄色-9823N/红色-Y/黄色 4.2 温湿度检测与智能烘干功能测试对样机进行温湿度检测模块与智能风干模块进行检测前，为了检验温湿度传感器的检测误差，首先对温湿度检测模块的温湿度检测效果进行检测，温湿度检测模块测试记录如表 2 所示，温湿度模块测试图如图 4 所示。随后测试智能烘干功能能否实现，通过人工模拟的方法来改变温湿度传感器周围的温湿度来模拟雨伞表面的各种状态。雨伞放入后开始执行温湿度检测子程序，温度与湿度达到阈值继电器没有反应认为失败，顺利根据温湿度的数据变化改变继电器工作状态则认定为成功，记录的数据如表 3 所示，智能风干测试图如图 5 所示。表2 温湿度检测模块测试记录温湿度的参考数据 温湿度检测模块测量到的温湿度数据温度24.3、湿度74%温度24.0、湿度74%温度25.3、湿度81%温度25.0、湿度81%温湿度检测模块测试图 1 温湿度检测模块测试图 2图 4 温湿度模块测试图 4.3 人脸识别功能测试对人脸识别模块的测试，笔者选择使用人脸照片对人脸识别模块进行测试。在测试开始时，首先对一张照片上的人脸信息进行拍照采集，随后分别用不同的照片对人脸识别模块进行测试，并记录数据如表 4 所示，（在本次测试中，图片 1 为录入的人脸图片，图片 2、3 为其他的人脸图片）人脸识别模块测试图如图 6 所示。表3 风机模块测试记录温湿度的数据第一次测试成功与否第二次测试成功与否第三次测试成功与否25、湿度60%YYY25、湿度63%YYY表4 人脸识别模块测试记录 测试图片 是否配对成功图片1Y图片2N图片3N (a)25、湿度 60%测试图 (b)25、湿度 63%测试图图 5 风机模块测试图5 结论本次毕业设计完成得带有人脸识别功能的雨伞智能管理系统基本实现了预期目标，可以为各大商城、图书馆、自习室等公共场所提供必要的雨伞管理措施，在本次设计中笔者采用 STM32F103C8T6 单片机作为系统的控制芯片和人（下转第 83 页）wwwele169com|83电子基础这样便可以利用该时间间隔测量系统，代替示波器实现纳秒级甚至更小的时间间隔的高精度