李志文，李 璐

（1.武警工程大學(xué)，陜西 西安 710078；2.銅川職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 銅川 727031）

隨著傳感器技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，智能化裝置和智能化管理系統(tǒng)已被拓展到各行各業(yè)，極大地提高了管理和工作效率[1]。但是部隊(duì)和公安系統(tǒng)的槍械管理未能及時(shí)更新智能化管理，取還槍大多采用表格申請(qǐng)和人工記錄的形式，對(duì)槍柜內(nèi)借出支槍支數(shù)量、借出時(shí)間，柜內(nèi)存放種類及數(shù)量不能做到實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地展示[2]。沈一州，王文杰等多采用RFID技術(shù)對(duì)槍械進(jìn)行位置跟蹤和監(jiān)測(cè)[3-4]，但是對(duì)于槍柜結(jié)構(gòu)及存儲(chǔ)環(huán)境無設(shè)計(jì)，大多采用機(jī)械鎖的形式，安全性能上存在隱患。槍柜的設(shè)計(jì)大多只是簡(jiǎn)單的存放功能，對(duì)槍械存放所需的環(huán)境并無改善的作用。近些年，單片機(jī)等微處理器技術(shù)和智能電路技術(shù)被廣泛應(yīng)用于儲(chǔ)存安全和存儲(chǔ)環(huán)境監(jiān)測(cè)及改善等方面[5-6]，基于單片機(jī)技術(shù)，設(shè)計(jì)一款能夠?qū)崿F(xiàn)槍械管理存儲(chǔ)和安全取放，同時(shí)能夠保持存儲(chǔ)環(huán)境適宜的智能存儲(chǔ)柜，對(duì)當(dāng)前用槍安全和延長(zhǎng)槍械使用壽命，具有重要意義。

針對(duì)上述槍械存儲(chǔ)柜存在的不足，基于STM32F103系列單片機(jī)設(shè)計(jì)了智能槍械存儲(chǔ)柜，可根據(jù)距離選用以太網(wǎng)或RS485 的通信方式連接至后臺(tái)上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)槍械借還以及存放環(huán)境的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)在線監(jiān)控[7-8]。采用指紋識(shí)別技術(shù)和動(dòng)態(tài)密碼技術(shù)以及視頻監(jiān)測(cè)技術(shù)相結(jié)合的方式，保證了取還槍的安全性能[9]。借助光纖壓力傳感器技術(shù)，控制取還槍操作同時(shí)實(shí)現(xiàn)槍柜內(nèi)存放槍械的實(shí)時(shí)顯示，通過以太網(wǎng)技術(shù)，將槍械借還時(shí)的視頻信息發(fā)送至數(shù)據(jù)后臺(tái)記錄。通過柜內(nèi)設(shè)計(jì)的溫濕度傳感器以及在柜體上設(shè)計(jì)的加熱器和排風(fēng)扇，實(shí)現(xiàn)柜內(nèi)環(huán)境信息的在線監(jiān)測(cè)以及惡劣存儲(chǔ)環(huán)境的改善[10]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示，系統(tǒng)以STM32F103 單片機(jī)為主控芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)智能槍械柜的控制，用觸摸屏顯示方式，可以實(shí)現(xiàn)槍柜內(nèi)槍支存放種類、數(shù)量及柜內(nèi)溫濕度等環(huán)境信息。多路溫濕度傳感器布置于槍柜的隔層之間，通過智能槍械存儲(chǔ)柜系統(tǒng)分析柜內(nèi)溫濕度是否符合槍械存放環(huán)境要求，在溫度過高或者濕度過大時(shí)，啟動(dòng)高溫排風(fēng)裝置和高濕加熱除濕裝置。通過指紋識(shí)別模塊和液晶屏輸入動(dòng)態(tài)密碼實(shí)現(xiàn)雙重身份驗(yàn)證，確保在授權(quán)以及密碼正確的情況下打開槍械柜，動(dòng)態(tài)密碼由數(shù)據(jù)后臺(tái)產(chǎn)生和下發(fā)，雙重密碼核驗(yàn)無誤后控制芯片控制電子鎖模塊開柜，電子鎖具有掉電閉鎖功能。柜頂安裝有視頻采集模塊，用于實(shí)時(shí)采集槍械取還時(shí)的視頻資料[11-12]，并通過以太網(wǎng)連接的方式發(fā)送至數(shù)據(jù)后臺(tái)，數(shù)據(jù)后臺(tái)負(fù)責(zé)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，下發(fā)動(dòng)態(tài)口令等功能。同時(shí)通過在槍械卡托下放置壓力傳感器的方式，實(shí)時(shí)槍械在位情況監(jiān)測(cè)，控制取還槍的數(shù)量[13]。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

2 系統(tǒng)部分硬件設(shè)計(jì)

2.1 環(huán)境改善電路設(shè)計(jì)

智能槍械存儲(chǔ)柜控制系統(tǒng)所采用的加熱器控制和排風(fēng)扇控制電路如圖2 所示。該電路主要采用光耦加繼電器實(shí)現(xiàn)高低壓隔離，利用控制器IO 的高低電平驅(qū)動(dòng)控制光耦，在光耦后端設(shè)計(jì)有三極管，增大光耦的驅(qū)動(dòng)能力，使光耦能夠驅(qū)動(dòng)繼電器工作，實(shí)現(xiàn)后端加熱器和排風(fēng)扇的開關(guān)控制。光耦、繼電器和控制器采用3.3 V 低壓電源供電，加熱器和排風(fēng)扇則是采用220 V 交流市電提供電源。

圖2 加熱器和排風(fēng)扇控制電路

2.2 故障檢測(cè)電路

加熱器、排風(fēng)扇在運(yùn)行過程中易出現(xiàn)問題，不利于維持環(huán)境的穩(wěn)定性，并可能會(huì)引發(fā)其他危害，因此在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了加熱器和排風(fēng)扇故障的檢測(cè)電路，如圖3 所示。利用電流互感器測(cè)量加熱器、排風(fēng)扇運(yùn)行回路電流，加熱器斷線時(shí)電流較?。慌棚L(fēng)扇斷線時(shí)，排風(fēng)扇堵轉(zhuǎn)時(shí)電機(jī)所消耗的電能會(huì)全部轉(zhuǎn)化為熱能，此時(shí)電機(jī)回路阻值較小，會(huì)產(chǎn)生較大的運(yùn)行電流，故障時(shí)電流值會(huì)低于或高于運(yùn)放電路設(shè)置的基準(zhǔn)值，經(jīng)過運(yùn)放比較器，運(yùn)放電路會(huì)輸出一個(gè)低電平信號(hào)，CPU 控制器通過IO 口將監(jiān)測(cè)到此低電平信號(hào)的產(chǎn)生，進(jìn)而判斷加熱器還是排風(fēng)扇故障，控制器對(duì)加熱器故障和排風(fēng)扇故障進(jìn)行語音報(bào)警，并進(jìn)行記錄，提醒用戶及時(shí)處理，避免更大故障的發(fā)生。

圖3 排風(fēng)扇故障判斷電路

2.3 壓力采集模塊

槍械底部壓力采集模塊主要由光纖光柵應(yīng)變片和彈性基體組成[14-15]，考慮到該傳感器在槍柜的槍械底部安裝的需求，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4 所示。在壓力傳感器兩端均安裝有安裝孔，方便現(xiàn)場(chǎng)傳感器的安裝；在基體的中心位置開有細(xì)槽，光纖光柵平行粘附在細(xì)槽中。當(dāng)基體發(fā)生彈性形變時(shí)，光纖光柵隨之發(fā)生形變。

光纖光柵傳感器受溫度和應(yīng)力變化影響較大，因此在進(jìn)行應(yīng)力測(cè)量時(shí)不能忽略溫度對(duì)光纖光柵測(cè)量應(yīng)力的影響，設(shè)計(jì)中將FBG 傳感器分為兩部分，使用對(duì)比分析的方法降低溫度漂移引起的應(yīng)變誤差。將其中一部分FPG 傳感器安裝在槍械底座位置承受應(yīng)力的方向，主要用于測(cè)量槍械對(duì)底座產(chǎn)生的應(yīng)力變化；另一部分則是安裝在不受應(yīng)力只能測(cè)量溫度的方位，一般安裝在無應(yīng)力位置，通過不受應(yīng)力的光纖光柵傳感器部分，測(cè)量環(huán)境溫度對(duì)光纖光柵的影響，作為參考對(duì)象。在這一部分，光纖光柵傳感器測(cè)量結(jié)果受溫度和應(yīng)力雙重影響后，對(duì)比量結(jié)果分析中剔除了溫度對(duì)應(yīng)力測(cè)量的影響，得到不受環(huán)境溫度信息影響的光纖光柵的應(yīng)力測(cè)量結(jié)果。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件框架設(shè)計(jì)

智能槍械存儲(chǔ)柜的軟件流程圖如圖5 所示，在系統(tǒng)上電初始化后液晶屏持續(xù)顯示主界面，主界面主要顯示內(nèi)容為柜內(nèi)溫濕度以及柜內(nèi)槍械的存放情況，在操作人員申請(qǐng)取還槍操作后，后臺(tái)上位機(jī)通過以太網(wǎng)通信模塊，將動(dòng)態(tài)口令、口令有效時(shí)間、取還槍數(shù)量、操作人等信息發(fā)送至智能槍械存儲(chǔ)柜。智能槍械存儲(chǔ)柜接收到上位機(jī)發(fā)出的數(shù)據(jù)信息之后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取分析，獲取其中的動(dòng)態(tài)口令、口令有效期、取還槍人信息并存儲(chǔ)，不能在有效期內(nèi)取還槍操作時(shí)，動(dòng)態(tài)口令失效，將不能進(jìn)行取還槍操作，如需繼續(xù)操作，必須重新提交申請(qǐng)，數(shù)據(jù)后臺(tái)再次下發(fā)取還槍命令。取還槍操作人員必須是在槍械柜注冊(cè)過信息的人員，其指紋信息已經(jīng)提前存儲(chǔ)在槍械柜內(nèi)，申請(qǐng)取還槍人員到達(dá)智能槍械存儲(chǔ)柜后，通過液晶屏選擇申請(qǐng)取還槍，此時(shí)槍械柜頭頂攝像頭打開，確保整個(gè)取還槍操作都在攝像頭下進(jìn)行，視頻同時(shí)通過以太網(wǎng)回傳至數(shù)據(jù)后臺(tái)存儲(chǔ)備用。操作人員通過液晶觸摸顯示屏選擇進(jìn)入取還槍操作，采集指紋信息驗(yàn)證身份，并驗(yàn)證取還槍許可是否在有效期內(nèi)，若超過有效期，語音提醒未在規(guī)定時(shí)間完成取還槍操作，請(qǐng)?jiān)谟行趦?nèi)申請(qǐng)操作。指紋信息驗(yàn)證通過后，液晶顯示屏顯示進(jìn)入下一步輸入動(dòng)態(tài)口令等信息，槍械柜驗(yàn)證動(dòng)態(tài)口令，若口令信息正確，則槍械柜解鎖，申請(qǐng)人可以打開槍械柜進(jìn)行取還槍操作；通過后臺(tái)上位機(jī)和液晶觸摸屏，可以進(jìn)行溫濕度閾值的設(shè)定，即當(dāng)環(huán)境信息達(dá)到閾值后開啟相應(yīng)的處理措施。柜內(nèi)溫濕度傳感器定期進(jìn)行環(huán)境信息的采集，當(dāng)采集到溫濕度信息超過閾值設(shè)定時(shí)，高濕情況下打開加熱器進(jìn)行加熱除濕，高溫狀態(tài)下打開排風(fēng)扇進(jìn)行高溫排風(fēng)操作，以改善柜內(nèi)的環(huán)境信息。同時(shí)繼續(xù)監(jiān)測(cè)柜內(nèi)溫濕度，當(dāng)溫濕度值低于閾值時(shí)，關(guān)閉排風(fēng)扇或加熱器；在排風(fēng)扇或加熱器工作過程中會(huì)對(duì)排風(fēng)扇和加熱器的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

圖5 智能槍械存儲(chǔ)柜軟件流程

3.2 取還槍程序設(shè)計(jì)

如圖6所示，在完成身份核對(duì)后取還槍時(shí)，首先槍械柜會(huì)檢查是否完成申請(qǐng)數(shù)量的取還槍操作，如果數(shù)量達(dá)到申請(qǐng)數(shù)目，則槍械的機(jī)械卡扣不再打開，語音提示取還槍完成；若取還槍數(shù)量未達(dá)到申請(qǐng)數(shù)量，則槍械柜控制住機(jī)械卡扣打開，借槍操作時(shí)打開有槍位置的機(jī)械卡扣，還槍時(shí)打開空位的機(jī)械卡扣，并在液晶顯示屏上顯示打開卡扣位置，提醒人員取槍或還槍。完成取還槍操作后機(jī)械卡扣再次鎖死，同時(shí)如果操作1 min未完成取還槍操作，也會(huì)鎖死機(jī)械卡扣，如需繼續(xù)完成取還槍，則需要點(diǎn)擊申請(qǐng)繼續(xù)操作后實(shí)現(xiàn)。

圖6 取還槍操作流程

3.3 數(shù)據(jù)后臺(tái)設(shè)計(jì)

智能槍械存儲(chǔ)管理中心主要針對(duì)各槍械存儲(chǔ)柜的槍械在位情況和槍械的借還進(jìn)行監(jiān)測(cè)與控制，并實(shí)現(xiàn)槍械存儲(chǔ)柜的動(dòng)態(tài)密碼下發(fā)和視頻數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)功能，直接在系統(tǒng)內(nèi)顯示槍械的在位情況，為實(shí)現(xiàn)槍械的智能化和可視化管理提供條件。系統(tǒng)采用Visual C++實(shí)現(xiàn)其客戶端設(shè)計(jì)，其中，算法統(tǒng)一采用VC++進(jìn)行功能封裝，保證調(diào)用的實(shí)效性。最后通過ActiveX 數(shù)據(jù)對(duì)象（ActiveX Data Object，ADO）技術(shù)訪問數(shù)據(jù)庫(kù)[16]。

智能槍械存儲(chǔ)管理中心主要由參數(shù)設(shè)置模塊、設(shè)備管理模塊、運(yùn)行監(jiān)測(cè)模塊組成。參數(shù)設(shè)置模塊主要分為四部分：第一部分是設(shè)置連接設(shè)備編號(hào)、串口和波特率；第二部分是設(shè)定槍械柜的種類和數(shù)量；第三部分是下發(fā)取還槍數(shù)量；第四部分是下發(fā)動(dòng)態(tài)密碼。設(shè)備管理模塊主要功能是添加、保存、刪除槍械柜的名稱和地址，以及對(duì)槍械柜內(nèi)槍械的數(shù)量進(jìn)行管理。運(yùn)行監(jiān)測(cè)模塊主要功能是查詢?cè)O(shè)備列表、查詢歷史數(shù)據(jù)、查詢?cè)诰€實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

4 實(shí)驗(yàn)分析

4.1 柜內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)及測(cè)試

為了驗(yàn)證槍械存儲(chǔ)柜的實(shí)際性能，搭建了智能槍械存儲(chǔ)柜溫濕度精度和加熱排風(fēng)功能測(cè)試的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過溫濕度測(cè)量對(duì)比和修改溫濕度閾值的方式，驗(yàn)證裝置溫度測(cè)量的精度及加熱排風(fēng)功能的可行性，數(shù)據(jù)測(cè)量如表1 所示，溫度誤差在1%以內(nèi)，濕度誤差在5%以內(nèi)。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

由測(cè)量結(jié)果可知，監(jiān)測(cè)裝置具有較高精度，可以滿足系統(tǒng)對(duì)溫濕度的測(cè)量要求。

柜內(nèi)溫度采用加熱器加熱，使得柜內(nèi)溫度升高，濕度的模擬則是采用向柜內(nèi)噴灑水霧的形式使得環(huán)境濕度增加，加熱器的斷線故障模擬采用開關(guān)斷開的方式，風(fēng)扇故障則是采用將風(fēng)扇堵轉(zhuǎn)的方式進(jìn)行模擬，測(cè)試數(shù)據(jù)如表2 所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，加熱器和排風(fēng)裝置能夠及時(shí)工作，同時(shí)故障檢測(cè)電路也能較好地完成工作。

表2 風(fēng)扇和加熱故障分析

4.2 取還槍測(cè)試

取還槍測(cè)試主要測(cè)試實(shí)現(xiàn)取還槍后數(shù)據(jù)后臺(tái)能否實(shí)時(shí)顯示槍械的在位情況，后臺(tái)上位機(jī)實(shí)時(shí)展示界面如圖7、8 所示。

圖7 上位機(jī)監(jiān)測(cè)界面

圖8 借槍操作之后軟件界面

通過取還槍的測(cè)試可以看出，智能槍械存儲(chǔ)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)槍械存儲(chǔ)的在線監(jiān)測(cè)和控制功能。

5 結(jié)論

槍械存儲(chǔ)安全高效和智能化對(duì)公安和部隊(duì)系統(tǒng)的用槍安全具有重要意義，槍械存儲(chǔ)環(huán)境的監(jiān)測(cè)和極端環(huán)境的處理對(duì)槍械的安全存放、延長(zhǎng)槍械的使用時(shí)長(zhǎng)和保持槍械的使用性能具有重要意義。系統(tǒng)采用溫濕度監(jiān)測(cè)的方式對(duì)柜內(nèi)槍械存儲(chǔ)環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，發(fā)生極端環(huán)境時(shí)實(shí)現(xiàn)高溫排風(fēng)和高濕加熱處理，在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)柜內(nèi)環(huán)境的應(yīng)急處理。同時(shí)采用槍械智能取還設(shè)置和槍械在位實(shí)時(shí)顯示，并在取還槍的時(shí)候采用雙重密碼驗(yàn)證和視頻監(jiān)測(cè)的方式保證用槍的安全。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能實(shí)時(shí)在線地完成溫濕度采集和極端環(huán)境的處理，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)智能借還和在位顯示，且具有較高測(cè)量精度，對(duì)槍械存儲(chǔ)的智能化發(fā)展和用槍安全具有重要意義。