智能包包系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊雪梅， 王民慧

(貴州大學(xué) 電氣工程學(xué)院， 貴陽 550025)

0 引 言

包包是人們的生活必需品，男女老少皆會用到，因?yàn)槌鲩T攜帶的所有物品人們基本上都會裝入其中，諸如各種證件、工作文件、衣物等。出門在外都希望將物品防護(hù)周全，然而目前市場上的包包(雙肩包或者單肩包)90%以上都是拉鏈鎖和機(jī)械密碼鎖，這些鎖件卻都存在被破譯、輕易破解的風(fēng)險(xiǎn)，安全性能較弱[1]。因此設(shè)計(jì)一款高安全性的智能包包很有必要?；诖?，提出了以GSM通信，BD+GPS雙模全球定位和指紋識別為核心技術(shù)的智能包包設(shè)計(jì)方案。該包通過刷指紋唯一生物特征認(rèn)證開鎖，提高物品防盜安全性，全球?qū)崟r(shí)定位，包一旦丟失，還可迅速找回，若主人失聯(lián)，警方也可以根據(jù)包包定位信息找到一些破案的線索，保障了用戶出游的生命財(cái)產(chǎn)安全。如發(fā)生被盜行為，背包也可以通過GSM進(jìn)行自動遠(yuǎn)程報(bào)警。

1 總體設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)主要由STM32芯片、GSM模塊、BD+GPS雙模定位模塊、指紋識別模塊、獨(dú)立按鍵模塊、顯示屏模塊及必要的外圍電路構(gòu)成，系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。由圖1可知，控制器 STM32 模塊在設(shè)計(jì)上可分為如下部分：STM32 微控制器、數(shù)據(jù)存儲器、晶振電路和復(fù)位電路等，主要用于實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)所有信息的處理[2]。GSM模塊主要用于自動遠(yuǎn)程報(bào)警。指紋模塊主要用于刪錄指紋和刷指紋開鎖。BD+GPS主要用于實(shí)時(shí)位置定位，顯示屏主要用于顯示相關(guān)操作信息。獨(dú)立按鍵主要用于功能選擇。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 微控制器

本系統(tǒng)采用STM32F767IGTb為主控芯片，主要負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息處理。芯片采用ARM Cortex-M7內(nèi)核，采用ST獨(dú)有的自適應(yīng)實(shí)時(shí)加速技術(shù)，擁有高達(dá)512 KB的片內(nèi)SRAM，并支持SDRAM，帶有TFTLCD控制器和圖形加速器，運(yùn)行頻率可達(dá)216 MHz，自帶雙精度硬件浮點(diǎn)單元(DFFPU)，在做DSP處理的時(shí)候具有更好的性能[3]。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.2 指紋識別模塊

生物識別技術(shù)就是利用人體生物特征對人體進(jìn)行身份識別[4]。指紋識別因其唯一性和不變性的獨(dú)特優(yōu)勢而備受研究開發(fā)人員青睞，因此為提高防盜性能，設(shè)計(jì)時(shí)選擇了指紋識別來控制智能包的開關(guān)。本設(shè)計(jì)選擇AS608指紋識別芯片，芯片內(nèi)置 DSP 運(yùn)算單元，集成了指紋識別算法，能高效快速采集圖像并識別指紋特征，最多可以存儲300個指紋特征。模塊配備了串口、USB 通訊接口，在設(shè)計(jì)中用串口(串口2)與主控芯片通訊。模塊內(nèi)置了手指探測電路，可讀取狀態(tài)引腳(WAK)判斷有無手指按下。芯片引腳圖由圖2所示，引腳描述見表 1。

圖2 指紋模塊電路圖

表1 指紋模塊引腳描述

2.3 BD+GPS模塊

GPS導(dǎo)航定位時(shí)至少需要4顆以上的可視衛(wèi)星，山林深谷或樓宇較密集地其信號易受阻擋，GPS系統(tǒng)單獨(dú)定位的質(zhì)量就會大大下降[5]。中國自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在中國范圍定位精準(zhǔn)度較高，還具有慣導(dǎo)性能，即使在隧道也能實(shí)時(shí)連續(xù)精準(zhǔn)導(dǎo)航?？紤]到用戶出游安全，智能包采用BD+GPS雙模定位，BD+GPS雙系統(tǒng)聯(lián)合導(dǎo)航收到的衛(wèi)星數(shù)較多，衛(wèi)星座構(gòu)成的幾何圖形最佳，減小誤差因子，從而提高定位精度。本設(shè)計(jì)中采用SkyTraq 公司的 S1216F8-BD 模組，具有 167 個通道，追蹤靈敏度高達(dá)-165 dBm，測量輸出頻率可達(dá) 20 Hz。可通過串口進(jìn)行各種參數(shù)設(shè)置，并可保存在內(nèi)部 FLASH，使用方便，自帶可充電后備電池，可以掉電保持星歷數(shù)據(jù)，定位速度快，且準(zhǔn)確。本實(shí)驗(yàn)中，模塊通過串口與主控芯片連接，通過顯示屏顯示定位模塊的經(jīng)緯度及海拔信息。定位模塊電路原理圖如圖3所示。

圖3 定位模塊電路原理圖

2.4 GSM模塊

因GSM模塊具有不受地域影響，覆蓋面積廣，可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[6]，在本設(shè)計(jì)中的通信都采用GSM模塊。研究選擇了SIM800C型號。該款型具有工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口，工作頻率范圍廣，內(nèi)嵌 TCP/IP 協(xié)議，可以低功耗實(shí)現(xiàn)語音、SMS(短信)、MMS(彩信)、藍(lán)牙數(shù)據(jù)信息的傳輸。模塊板載了 RTC 后備電池，能維持 RTC的長時(shí)間掉電運(yùn)行。該模塊與主控連接支持串口連接方式和TTL電平直接連接方式，智能包選擇TTL直接連接方式通信，主要用于實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的打電話、接電話和發(fā)信息功能。

2.5 顯示模塊

觸摸屏主要有：電阻式觸控屏、電容式觸控屏和聲波式觸控屏[7]。其中，電容式觸摸屏是所有觸摸屏種類中唯一具備高分辨率、超薄、可手寫等特點(diǎn)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)觸控功能的觸摸屏[8]。電容觸摸屏幕的基本結(jié)構(gòu)分為3層，即：保護(hù)玻璃、觸控層和顯示面板。本設(shè)計(jì)中選用了4.3寸RGB接口電容觸摸顯示屏，屏幕分辨率為480*272，最高支持24位真彩顯示，支持5點(diǎn)同時(shí)觸摸，具有很好的操控效果，提供背光控制功能。顯示屏主要用來加載、刪錄指紋的虛擬鍵盤，顯示定位信息。

2.6 警報(bào)模塊

警報(bào)模塊主要由蜂鳴器和放大電路構(gòu)成。當(dāng)指紋刷錯3次時(shí)，蜂鳴器響起。警報(bào)模塊電路圖如圖4所示。

圖4 警報(bào)模塊電路原理圖

2.7 鎖模塊

本實(shí)驗(yàn)用的模擬鎖是12 V小型電磁閥鎖，電子鎖門禁電路主要包括繼電器驅(qū)動電路和電子鎖開關(guān)電路，當(dāng)電子鎖線圈兩端電壓達(dá)到 12 V 時(shí)就會上電開鎖[9]，主控芯片通過繼電器控制鎖的開啟和關(guān)閉。當(dāng)指紋刷對時(shí)，鎖線圈得電，鎖開啟，反之，鎖關(guān)閉。鎖模塊電路圖如圖5所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的主要功能包括如下內(nèi)容：按下按鍵WK-UP，顯示屏上加載虛擬鍵盤，此時(shí)可以刪錄指紋，并保存。當(dāng)刷指紋3次錯誤后，蜂鳴器報(bào)警，GSM發(fā)送GPS定位信息和打電話給包包主人，當(dāng)刷指紋正確時(shí)，鎖開啟。按下按鍵0時(shí)，在顯示屏上顯示定位信息。按下緊急按鍵時(shí)，GSM發(fā)送定位信息和打電話給主人的家人。包包落下時(shí)，主人打電話給包包，顯示屏上會顯示主人的聯(lián)系方式，以便拾主找到主人。在設(shè)計(jì)時(shí)，主程序的整體功能可解析為3個部分,即：指紋模塊子程序，GSM子程序，按鍵子程序。對此可做概述如下。

圖5 鎖模塊電路原理圖

(1)指紋模塊子程序。判斷是否有手指按下，如是則執(zhí)行相應(yīng)程序。

(2)GSM子程序。判斷GSM是否收到用戶的信息，如是則執(zhí)行相應(yīng)程序。

(3)按鍵子程序。按鍵掃描，判斷哪個按鍵按下，確定后執(zhí)行相應(yīng)功能程序。

主程序設(shè)計(jì)流程如圖6所示。

圖6 主程序流程圖

3.2 指紋模塊程序設(shè)計(jì)

指紋識別模塊在系統(tǒng)中主要實(shí)現(xiàn)錄指紋、刪指紋、刷指紋功能，錄入指紋時(shí)。指紋識別模塊與單片機(jī)通過串口2通信。錄指紋時(shí)，先把手指放到指紋輸入傳感器上，手指離開1 s后再次識別同一手指的指紋，指紋模塊會再次進(jìn)行錄入，只有2次指紋都成功錄入，才可稱作成功錄入了一個指紋模板[10]，此后輸入存儲ID號就可以了。刪指紋時(shí)，先選中將要刪除指紋的ID號，再進(jìn)行刪除。刷指紋就是輸入指紋與指紋庫中已有的指紋進(jìn)行匹配，若能匹配則刷指紋成功，反之失敗。刷指紋程序設(shè)計(jì)流程如圖7所示。

圖7 刷指紋程序流程圖

3.3 GSM模塊程序設(shè)計(jì)

GSM模塊與主控芯片兩者之間的通信數(shù)據(jù)采用的是AT指令。AT 指令集是從終端設(shè)備或數(shù)據(jù)終端設(shè)備向終端適配器或數(shù)據(jù)電路終端設(shè)備發(fā)送的一種指令方式。AT指令是以AT這兩個字符為開始，后帶通信設(shè)備之間的協(xié)議，并以字符作為結(jié)束[11]。每個TA命令行中只能包含一條AT指令。該設(shè)計(jì)中GSM模塊主要用來發(fā)送信息、打電話和接聽電話。發(fā)送信息設(shè)計(jì)流程如圖8所示。

圖8 發(fā)送信息流程圖

3.4 按鍵模塊程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用的是機(jī)械按鍵，當(dāng)有按鍵按下時(shí)，會有抖動，這時(shí)就需要消抖，研究采用延時(shí)消抖法進(jìn)行消抖，接下來再判斷是否有按鍵按下，在此基礎(chǔ)上判斷是哪個按鍵按下，返回按鍵值。程序設(shè)計(jì)流程如圖9所示。

圖9 按鍵程序流程圖

4 設(shè)計(jì)效果

系統(tǒng)上電后，開始按主程序設(shè)計(jì)執(zhí)行，本次研發(fā)設(shè)計(jì)的各項(xiàng)功能均能實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，GSM模塊通訊良好，BD+GPS雙模定位精準(zhǔn)，指紋識別準(zhǔn)確，按鍵反應(yīng)靈敏，供電穩(wěn)定，顯示屏清晰。包包給主人打電話效果圖如圖10(a)所示，包包給主人發(fā)送定位信息效果圖如圖10(b)所示。

(a)包包給主人打電話 (b)包包給主人發(fā)送定位信息

(a) The bag calls the owner (b) The bag sends the location information to the owner

圖10 系統(tǒng)設(shè)計(jì)效果展示

Fig. 10 System design effect

5 結(jié)束語

本文所設(shè)計(jì)的智能包包可防止貴重物品被盜，即使被盜，也可根據(jù)包包自動定位信息迅速幫助主人找回貴重物品；緊急情況下，包包可成為主人的呼救工具，主人出游更方便安全。此系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域很廣，適用于各類包包，設(shè)計(jì)簡單,易于實(shí)現(xiàn)和推廣。