基于BLE和NFC的防丟卡套研制

張金玉 唐元廣

摘 ? 要：文章涉及生活用品技術(shù)領(lǐng)域，具體論述了一種防丟卡套，包括卡套主體和設(shè)在卡套主體上的防丟器，卡套主體設(shè)有一個(gè)開口端。防丟器包括由電路連接的藍(lán)牙4.0模塊、蜂鳴器、開關(guān)和電源。本防丟卡套將智能防丟器的功能與傳統(tǒng)卡套相結(jié)合，根據(jù)使用者不同的使用需求可以實(shí)現(xiàn)防丟卡套功能以及便攜定位器的功能。同時(shí)，該防丟卡套超低功耗，待機(jī)時(shí)間長達(dá)3～5個(gè)月，而且具有如NFC能量收集等新功能，可有效延長電池的壽命，無需頻繁更換電池，節(jié)能環(huán)保，實(shí)用性強(qiáng)，為防丟器設(shè)備的研究提供技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：防丟卡套;低功耗藍(lán)牙技術(shù);近距離無線通信技術(shù)

目前，國內(nèi)外對(duì)銀行卡和證件卡等卡片的防丟裝置處于一個(gè)比較空白的狀態(tài)，相似產(chǎn)品主要分為兩類：一類是純機(jī)械式的卡套，另一類是單獨(dú)的防丟器?，F(xiàn)有的防丟器都有一個(gè)共同特點(diǎn)：定位不精準(zhǔn)，看似功能有用，使用場景卻十分模糊。

隨著時(shí)代的發(fā)展，在中國現(xiàn)金的使用越來越少，更多的是使用刷卡、手機(jī)支付以及搭乘公共交通設(shè)備使用刷卡操作，加上用戶必帶的身份證、駕駛證以及其他銀行卡等卡片，需要一種專用的卡套，來替代原本錢包的功能。而現(xiàn)有技術(shù)中個(gè)人防丟器通常是為了防止錢包等物品遺失，需要單獨(dú)放置的裝置，并且續(xù)航時(shí)間短、功能單一、定位不精準(zhǔn)。

本文的目的是提供一種防丟卡套，以克服現(xiàn)有技術(shù)中所沒有的卡片防丟器問題。所設(shè)計(jì)的防丟卡套實(shí)現(xiàn)了智能防丟器功能與傳統(tǒng)卡套的結(jié)合，根據(jù)使用者不同的使用需求可以實(shí)現(xiàn)普通防丟卡套功能以及便攜定位器功能，卡套的可替換機(jī)械結(jié)構(gòu)使外觀更加美觀，電池更換更加方便，采用近距離無線通信技術(shù)（Near Field Communication，NFC）能量收集技術(shù)，延長續(xù)航時(shí)間，卡套內(nèi)部自鎖設(shè)計(jì)，插卡更牢靠，拔卡更方便，為防丟器設(shè)備的研究提供技術(shù)參考。

1 ? ?基本原理

本防丟卡套采用藍(lán)牙4.0[1]和NFC能量收集的技術(shù)，具有待機(jī)時(shí)間超長、雙向防丟、自動(dòng)報(bào)警等優(yōu)點(diǎn)。核心的器件是藍(lán)牙模塊，選擇nRF51822芯片，通過使用低功耗藍(lán)牙技術(shù)（Bluetooth Low Energy，BLE），也就是通常所說的Bluetooth 4.0或者Bluetooth Smart，防丟器可以創(chuàng)造一個(gè)Beacon基站來創(chuàng)建一個(gè)信號(hào)區(qū)域，當(dāng)設(shè)備進(jìn)入該區(qū)域時(shí)，APP便會(huì)提示用戶。通過放置在防丟卡套中的小型無線傳感器和低功耗藍(lán)牙技術(shù)，來判斷卡套與手機(jī)的距離，并進(jìn)行定位。系統(tǒng)采用Java EE，JSP開發(fā)、MySQL數(shù)據(jù)庫和Android手機(jī)APP開發(fā)技術(shù)[2]，服務(wù)器采用Servlet和JSP運(yùn)行在Tomcat 7.0上，利用手機(jī)終端采集藍(lán)牙的位置，根據(jù)未知變化決定是否發(fā)出警報(bào)。卡套外型上，采用Solidworks三維制圖軟件進(jìn)行工業(yè)設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)上，類似于彈簧自鎖結(jié)構(gòu)，用戶只需要按鍵便可取出校園卡、員工卡等，操作簡單，使用方便。這種結(jié)構(gòu)在防丟設(shè)備上的應(yīng)用是一種創(chuàng)新，卡片不易從卡槽中掉出，厚度比傳統(tǒng)防丟器薄得多。

該卡套防丟器是采用藍(lán)牙技術(shù)專門為智能手機(jī)設(shè)計(jì)的，通過距離變化來判斷物品是否還控制在用戶的安全范圍，主要應(yīng)用于防止大學(xué)生校園卡、公司員工卡、身份證等卡證丟失。防丟器的原理是在手機(jī)和藍(lán)牙之間建立連接，每15 s自動(dòng)檢測一次連接狀態(tài)，將藍(lán)牙放在校園卡、員工卡、身份證上，一旦藍(lán)牙與手機(jī)的距離超過一定范圍，手機(jī)立即發(fā)出報(bào)警聲。用手機(jī)掃描防丟器名稱，點(diǎn)擊設(shè)備綁定后自動(dòng)連接，連接后可以對(duì)設(shè)備進(jìn)行手機(jī)以及設(shè)備報(bào)警設(shè)置。

2 ? ?關(guān)鍵技術(shù)

2.1 ?nRF51822芯片

nRF51822芯片是集成nRF51系列2.4 GHz收發(fā)器、32位ARM?-M0處理器、閃存、模擬和數(shù)字處理器的超低功耗2.4 GHz無線系統(tǒng)芯片。nRF51822可以支持藍(lán)牙低能量和一系列專有的2.4 GHz協(xié)議，例如北歐半導(dǎo)體公司的Gazell協(xié)議，在集成了普通單片機(jī)功能的同時(shí)，還有低功耗藍(lán)牙4.0的功能。圍繞此芯片根據(jù)功能需要自行設(shè)計(jì)電路，除了保證其正常運(yùn)行的基本電路構(gòu)造和供電電路外，還引出了4個(gè)引腳，其中兩個(gè)分別外接蜂鳴器和按鍵，由芯片直接控制其發(fā)揮作用，另外兩個(gè)為程序下載口。

2.2 ?NFC以及藍(lán)牙程序原理

（1）NFC[3-4]模塊。能夠允許電子設(shè)備之間進(jìn)行非接觸式點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸、交換。本實(shí)施例采取另一種使用方式，用來給低功耗藍(lán)牙系統(tǒng)供電。具體設(shè)計(jì)思路如下：測定NFC讀卡器端場強(qiáng)，采用匹配頻率合適的線圈進(jìn)行一次采集，線圈置于卡槽背面避免干擾，在NFC天線端經(jīng)過整流穩(wěn)壓電路穩(wěn)定電壓值，與芯片電路板連接來對(duì)可充電電池進(jìn)行充電。該技術(shù)方案可提高防丟器使用時(shí)間，有效解決續(xù)航時(shí)間短的問題。該技術(shù)在傳統(tǒng)防丟器中是無法應(yīng)用的，傳統(tǒng)防丟器的供電壽命有一定的限制，NFC技術(shù)可以在用戶刷卡的時(shí)候自動(dòng)收集能量將其轉(zhuǎn)化為電能，產(chǎn)品的壽命對(duì)于防丟設(shè)備是至關(guān)重要的，因此該技術(shù)的應(yīng)用可大大提高防丟器的性能。

（2）藍(lán)牙程序原理。連接程序由ARM公司提供，通過藍(lán)牙連接協(xié)議連接其他藍(lán)牙設(shè)備。通過檢測信號(hào)失真率檢測顯示。在信號(hào)過低或斷開連接時(shí)會(huì)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警。

3 ? ?整體外形架構(gòu)

本防丟卡套包括：卡套主體1和設(shè)在卡套主體1上的防丟器3，卡套主體1設(shè)有一個(gè)開口端2;防丟器3包括：由電路連接的藍(lán)牙4.0模塊、蜂鳴器、開關(guān)和電源?？ㄌ字黧w1內(nèi)部的兩側(cè)設(shè)有彈性鋼片，用于夾緊卡套主體1內(nèi)的卡片。彈性鋼片和卡套主體1之間設(shè)有海綿?？ㄌ字黧w1采用單孔空腔結(jié)構(gòu)，卡由開口端2插入卡套，最多可插入5張卡片，卡套主體1內(nèi)部兩側(cè)可以安插著彈性鋼片，彈性鋼片中部貼著小片海綿，用于夾緊卡片防止其滑出?？ㄌ字黧w1的一側(cè)設(shè)有與人手指寬度對(duì)應(yīng)的槽口4。使用者可以用手指從槽口4將卡片滑出。防丟器3以可拆卸連接的方式設(shè)在卡套主體1的一側(cè)，內(nèi)部裝有防丟器的電路元件，被設(shè)計(jì)為卡通動(dòng)物的形狀，使卡套整體更為美觀，且底部設(shè)有能與卡套配合的卡扣，此設(shè)計(jì)不但可以使得防丟器安裝在卡套上與其配合使用，而且可以單獨(dú)作為防丟器使用。本防丟卡套的正面結(jié)構(gòu)示意如圖1所示，背面結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

4 ? ?結(jié)語

（1）本防丟卡套采用自鎖設(shè)計(jì)，插卡牢固，取卡方便，且巧妙地將卡套和防丟器進(jìn)行可拆卸式設(shè)計(jì)，防丟器和裝飾融為一體。防丟器可以拆卸單獨(dú)使用，兼具裝飾功能。卡套本身可以單獨(dú)起收納作用，也可組合成防丟卡套使用。

（2）本防丟卡套選擇nRF51822芯片，經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)、功能、價(jià)格的橫縱對(duì)比發(fā)現(xiàn)其功能、價(jià)格與功耗綜合來看最佳。除了芯片本身具有低功耗功能外，為了進(jìn)一步提高產(chǎn)品的續(xù)航能力，卡套中具有大量線圈纏繞，采用NFC即“近場通信”，也叫“近距離無線通信”能量收集技術(shù)，防丟器和卡套組合使用可以在用戶刷卡的時(shí)候自動(dòng)收集能量并將其轉(zhuǎn)化為電能，大大延長產(chǎn)品的續(xù)航時(shí)間，同時(shí)延長產(chǎn)品的使用壽命。

（3）本防丟卡套可以有兩種工作模式：一種普通模式，一種Beacon廣播模式。兩種模式功耗和功能都有不同。普通模式耗能少，具有雙相尋物以及防丟功能。Beacon廣播模式除了普通模式的功能外，還有定位和自定義廣播功能，功耗相對(duì)增加。

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Abstract：This paper relates to the technical field of daily necessities， and specifically discusses a kind of anti loss card cover， including the card cover main body and the anti loss device set on the card cover main body. The card cover main body is provided with an opening end. The anti loss device includes the Bluetooth 4.0 module， buzzer， switch and power supply connected by the circuit. The function of the intelligent anti loss device is combined with the traditional one， and the function of the anti loss device and the function of the portable positioner can be realized according to the different needs of users. At the same time， the anti loss card cover has ultra-low power consumption， standby time of up to 3～5 months， and has new functions such as NFC energy collection function， which can effectively extend the battery life without frequent battery replacement， energy conservation and environmental protection， strong practicability， and provides technical support for the research of anti loss device.

Key words：anti dropping card sleeve; Bluetooth low energy; near field communication