本实用新型属于自动化设备技术领域，结合RFID技术、二维码技术、网络通信技术，具体涉及一种自动化的校园雨伞借还系统。
背景技术：
下雨是再正常不过的天气现象，然而，对于大多数人来说，下雨意味着出行的不便利。如果出门在外突逢大雨，又碰巧忘记带雨具，那更是一件麻烦事。
为了解决雨天对市民出行带来的不便，世界上很多国家采用了向市民无偿提供雨伞的做法。
日本长期以来都有在公共场所为市民提供共享雨伞的做法，在人流量比较大的地方比如车站、商场甚至公交车上，人们都可以很容易的找到共享雨伞。但是政府也无法完全满足各地对于共享雨伞的需要，所以近年来逐渐也有民间团体与公司加入到这个行业里面，通过在自助贩卖机旁、娱乐场所门口为市民提供带有自己公司LOGO的共享雨伞，在方便市民出行的同时来达到宣传的目的。但是这些做法缺少对共享雨伞的有效监管与回收，人们可能在借完雨伞后因为各种原因无法将雨伞还回，这样会使急需雨伞的人无法使用，造成严重的资源浪费。
加拿大英属哥伦比亚大学的研究小组在改善市民出行条件方面做出了有益的尝试，他们设计的“UmbraCity”城市雨伞共享系统成功解决了雨伞回收的问题。雨伞被统一放置于带有GPS定位系统的自助取伞机中，用户可以通过下载手机APP或者登陆UmbraCity官网来获得他们所在位置。
受到加拿大UmbraCity完善的雨伞租借系统的启发，并结合日本自动贩售机共享雨伞的易于宣传的优点，最终设计了由手机APP与自动取伞机共同组成的城市雨伞共享系统，命名为“Umbrella ForEveryone”。
但是，目前现有的雨伞租借系统尚未推广到中国各大校园内。部分高校仅仅采用了人工登记的雨伞租借系统，甚至连雨伞租借系统都没有。因此，校园中需要一种有效的自动化的雨伞租借系统来为人们提供便利。研究并设计一套自动化的雨伞借还系统，小范围地适用于校园区域，可以方便校园公共雨伞的维护和师生高效使用雨伞资源。通过技术升级后，该系统也同样适用于各公共场所、企业和酒店等场所。
技术实现要素：
针对现有技术的不足，本实用新型提供了一种自动化的校园雨伞借还系统，雨伞资源使用效率较高，管理简便，节省时间和人力成本。
为实现以上目的，本实用新型通过以下技术方案予以实现：一种自动化的校园雨伞借还系统，包括伞桩、上位机以及服务器，伞桩包含电源、雨伞存取模块、伞桩主控模块、人机交互模块以及RFID读卡器，电源为伞桩主控模块供电，伞桩主控模块为其余三个模块供电，雨伞存取模块、人机交互模块以及RFID读卡器分别与伞桩主控模块电连接，服务器与上位机之间通过Internet互相通信，上位机和伞桩主控模块之间使用电缆通信。
优选的，雨伞存取模块包含电子锁和雨伞检测传感器，电子锁和雨伞检测传感器分别与伞桩主控模块电连接。
优选的，人机交互模块包含显示屏和扬声器，显示屏和扬声器分别与伞桩主控模块电连接。
优选的，伞桩由伞桩架和锁具构成，雨伞可悬挂于锁具上；伞桩架包含左侧板，上面板，右侧板，后板，显示屏、RFID读卡器，固定座以及光电传感器；左侧板下部中间和右侧板下部中间各开有一个排水槽孔，左侧板下部和右侧板的下部还分别设有固定座安装孔，固定座整体呈“L”形，固定座开有与固定座安装孔相配合的的第一通孔以及用于固定座与地面固定的第二通孔，上面板上装有显示屏和RFID读卡器，且显示屏和RFID读卡器相连并位于上面板中部，后板中部带有锁具安装座，锁具安装座上设有锁具安装孔，光电传感器的光发射端固定在左侧板上，光电传感器的光接收端安装在右侧板上，锁具安装座和光电传感器间设有接线槽；锁具包含底板、支撑板、电路板、第一按钮、伺服电机、上锁舌、下锁舌、上锁舌转轴固定座、上锁舌转轴、下锁舌转轴固定座、下锁舌转轴，底板上设有与锁具安装孔相配合的固定孔，上锁舌转轴固定座、下锁舌转轴固定座、伺服电机、电路板以及支撑板均固定安装在底板上，且上锁舌转轴固定座、上锁舌转轴以及支撑板垂直设置，上锁舌的一端设有上锁舌转轴安装孔，上锁舌的另一端设有凸起，下锁舌的一端设有下锁舌转轴安装孔，下锁舌的另一端设有与凸起相配合的凹槽，下锁舌转轴固定座的数量为2个，上锁舌转轴的一端安装在上锁舌转轴固定座内，上锁舌转轴的另一端穿过上锁舌转轴安装孔后与伺服电机的输出轴相连，下锁舌转轴的一端安装在下锁舌转轴固定座内，下锁舌转轴的另一端穿过下锁舌转轴安装孔后伸入另一下锁舌转轴固定座内，第一按钮设置在支撑板上，下锁舌的底部可与第一按钮接触。
优选的，左侧板下部和右侧板的下部均设有2个固定座安装孔。
优选的，固定孔的数量为4个，且分别位于底板的四角。
有益效果
本实用新型提供了一种自动化的校园雨伞借还系统。具备以下有益效果：雨伞资源使用效率较高，管理简便，节省时间和人力成本。
附图说明
图1为本实用新型原理框图；
图2为本实用新型伞桩结构示意图；
图3为本实用新型伞桩架结构示意图；
图4为本实用新型锁具结构示意图；
图5为本实用新型电源和伞桩主控模块的电路原理图；
图6为本实用新型雨伞检测传感器的电路原理图；
图7为本实用新型RFID读卡器模块的电路原理图；
图8为本实用新型显示屏的电路原理图；
图9为本实用新型扬声器的电路原理图；
图10为本实用新型电子锁的电路原理图。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
如图1所示，本实用新型由三部分构成：服务器、上位机、伞桩。服务器与上位机之间通过Internet互相通信，上位机和伞桩之间使用专用传输电缆通信。伞桩由电源、雨伞存取模块、伞桩主控模块、人机交互模块、RFID读卡器模块构成。电源为伞桩主控模块供电，伞桩主控模块为其余三个模块供电。伞桩主控模块也是伞桩的核心，上位机和伞桩的通信本质上是上位机和伞桩主控模块的通信。伞桩主控模块与RFID读卡器模块连接，从RFID卡读取或向RFID卡写入数据。伞桩主控模块向人机交互模块发送数据，通过人机交互模块包含的显示屏、扬声器两个部件向用户或管理员传递伞桩信息(二维码、伞桩状态等)。伞桩主控模块与雨伞存取模块进行通信，接收来自雨伞存取模块中雨伞检测传感器的数据来了解伞桩是否存有伞，及控制雨伞存取模块中的电子锁来实现伞的锁定和释放。
如图2所示，伞桩由伞桩架101和锁具102构成，雨伞103可悬挂于锁具102上。
如图3所示，伞桩架101包含左侧板1，上面板2，右侧板4，后板8，显示屏3、RFID读卡器7，固定座15以及光电传感器6；左侧板1下部中间和右侧板4下部中间各开有一个排水槽孔12，用于放置排水槽，左侧板1下部和右侧板4的下部还分别设有固定座安装孔11，用于安装固定座15，固定座15整体呈“L”形，固定座15开有与固定座安装孔11相配合的的第一通孔13以及用于固定座15与地面固定的第二通孔14，伞桩安装人员可以利用第二通孔14将伞桩固定在地面上，上面板2上装有显示屏3和RFID读卡器7，且显示屏3和RFID读卡器7相连并位于上面板2中部，后板8中部带有锁具安装座5，锁具安装座5上设有锁具安装孔16，用于安装锁具102，三组光电传感器6分别固定在左侧板1和右侧板4朝伞桩架101的内侧，其中左侧板1朝伞桩架101的内侧安装的为光电传感器6的光发射端，右侧板4朝伞桩架101的内侧安装的为光电传感器6的光接收端，锁具安装座5和光电传感器6间有接线槽9，方便伞桩安装人员或管理员对锁具102和光电传感器6间的布线。
如图4所示，锁具102包含底板17、支撑板25、电路板24、第一按钮26、伺服电机19、上锁舌28、下锁舌27、上锁舌转轴固定座20、上锁舌转轴21、下锁舌转轴固定座22、下锁舌转轴23，底板17上设有与锁具安装孔16相配合的固定孔18，安装人员将锁具固定孔18对齐伞桩架101上的锁具安装孔16，可利用螺丝将锁具102固定在伞桩架101上，上锁舌转轴固定座20、下锁舌转轴固定座22、伺服电机19、电路板24以及支撑板25均固定安装在底板17上，且上锁舌转轴固定座20、上锁舌转轴21以及支撑板25垂直设置，上锁舌28的一端设有上锁舌转轴安装孔，上锁舌28的另一端设有凸起，下锁舌27的一端设有下锁舌转轴安装孔，下锁舌27的另一端设有与凸起相配合的凹槽，下锁舌转轴固定座22的数量为2个，上锁舌转轴21的一端安装在上锁舌转轴固定座20内，上锁舌转轴21的另一端穿过上锁舌转轴安装孔后与伺服电机19的输出轴相连，下锁舌转轴23的一端安装在下锁舌转轴固定座22内，下锁舌转轴23的另一端穿过下锁舌转轴安装孔后伸入另一下锁舌转轴固定座22内，第一按钮26设置在支撑板25上，下锁舌27的底部可与第一按钮26接触，即在下锁舌27上没有悬挂任何物品的情况下不会使第一按钮26按下，相反，如果悬挂大于等于一把常见的雨伞质量的物体将使第一按钮26被下锁舌27按下。
如图5所示，电源采用AMS1117稳压芯片，其1号管脚、2号管脚分别接12V电源(VCC)和地(GND)、3号管脚输出3.3V稳定电压(VCC3.3)，用于伞桩大部分模块的供电。STM32F103ZET6嵌入式芯片为伞桩的主控芯片，其VBAT管脚、VDD_1至VDD_11管脚、VDDA管脚、VREF+管脚接VCC3.3，VSS_1至VSS_11管脚、VREF-管脚、VSSA管脚接GND。晶振Y1、电阻R1、电容C1和电容C2互相连接形成晶振电路，晶振Y1两端分别与主控芯片23号管脚以及24号管脚相连。电阻R2、电容C3、第二按钮(S1)构成自动、手动两用复位电路，电容C3和第二按钮(S1)非接地的公共端接主控芯片25号管脚。电源、主控芯片、晶振电路和复位电路共同构成主控芯片最小系统。P1为主控芯片程序烧写插座，其1号管脚至4号管脚分别与GND、主控芯片44号管脚、主控芯片29号管脚以及VCC3.3连接，预留给管理员用于对伞桩的技术维护、升级。P2为主控芯片启动方式选择跳线插座，其1号管脚至6号管脚分别与VCC3.3、VCC3.3、主控芯片的138号管脚、主控芯片的48号管脚、GND、GND相连，根据具体芯片烧写情况由管理员进行跳线设置。P4为外接稳压器，其1号管脚接VCC，2号管脚接GND，3号管脚输出5V电源(VCC5)，用于对伺服电机的驱动。
如图6所示，雨伞检测传感器由一个机械传感器和三个光电传感器构成。VCC3.3、电阻(R20)、第一按钮26、GND串联连接，构成机械传感器电路。电阻(R20)和第一按钮26的公共端SENS1引出接主控芯片的134号管脚。第一按钮26接触下锁舌27，在下锁舌27上没有悬挂雨伞103时，下锁舌27的压力不足以按下第一按钮26，从而使SENS1为高电平；在下锁舌27上悬挂雨伞103时，第一按钮26被下锁舌27和雨伞103的压力按下，SENS1变为低电平，从而使主控芯片了解伞桩是否挂伞。电阻(R10)至电阻(R14)、电容(C10)、光电耦合器(D1)和运算放大器(LM358M)共同构成了一个光电传感器电路，通过LM358M输出传感器信号，并与主控芯片连接，配合机械传感器电路帮助识别下锁舌27上的悬挂物体是否为雨伞103。完全相同的光电传感器电路共有三组，三组LM358M的1号管脚分别与主控芯片的135号管脚、136号管脚、137管脚连接。因此，主控芯片通过134号管脚-137号管脚四个管脚来获取雨伞检测传感器的数据。
如图7所示，RC522是专用RFID读卡器RC522模块的插座。其1号管脚、3号管脚、5号管脚、6号管脚、7号管脚分别与VCC3.3、GND、主控芯片41号管脚、主控芯片42号管脚、主控芯片40号管脚相连。RC522模块按引脚顺序插入插座后即可实现RFID读卡器的功能。
如图8所示，U9为TFTLCD显示屏，其5号管脚、13号管脚、14号管脚、16号管脚、37号管脚、38号管脚、39号管脚、40号管脚与GND相连，6号管脚、7号管脚、33号管脚与VCC3.3相连，15号管脚与主控芯片100号管脚相连。电阻R51、电阻R54和NPN型三极管Q10构成了显示屏亮度调节电路，电阻R54不与Q10相连的一端LIGHT_PWM接主控芯片101号管脚。主控芯片通过向LIGHT_PWM输出PWM信号控制显示屏的亮度。U9的9号管脚至12号管脚、17号管脚至32号管脚是符合FSMC协议的管脚，这些管脚根据FSMC协议连接到同样支持FSMC协议的主控芯片的对应123号管脚、80号管脚、119号管脚、118号管脚、85号管脚、86号管脚、114号管脚、115号管脚、58号管脚、59号管脚、60号管脚、63号管脚至68号管脚、77号管脚以及78号管脚。主控芯片通过FSMC协议向显示屏发送数据，从而在显示屏上显示二维码、伞桩状态等。
如图9所示，JQ8400-FL-10P芯片为专用声音播放芯片，DC5V和GND管脚为芯片电源端，分别接VCC3.3和GND。SPK+和SPK-管脚接喇叭，RX和TX管脚为数据管脚，分别接主控芯片的36号管脚和37号管脚，从而获取要播放的声音数据。
如图10所示，P5插座用于连接伺服电机19和主控芯片。VCC和GND管脚接VCC5和GND。IN管脚接主控芯片46号管脚。伺服电机19的连接线按插座的管脚顺序连接后，主控芯片通过向IN管脚输入PWM信号从而控制伺服电机19的运动角度。伺服电机19的转子通过上锁舌转轴21连接上锁舌28，伞桩在锁定状态下主控芯片控制伺服电机19带动上锁舌28，使上锁舌28和下锁舌27接触；反之，伞桩在释放状态下主控芯片控制伺服电机19带动上锁舌28，使上锁舌28和下锁舌27分离。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下。由语句“包括一个......限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素”。
尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。