基于嵌入式STM32的智能安全背包的設計

吳小宇 周文浩 張冠 鄒靜

摘 要：背包是人們每天上下班或是出門時必不可少的裝備之一，其能幫助人們輕松攜帶各種工具或其他物品。隨著科技日新月異的發展，人們每天攜帶的設備越來越沉重，也越來越智能，同樣也越來越貴重，因此，有一個安全系數高、功能相對較強的背包尤為必要。本設計以STM32F103ZET6為主控芯片，采用電源、指紋、電磁鎖和藍牙模塊，通過指紋模塊和手機APP發送指令解鎖背包，背包與手機分離時向手機發出警告以此來達到防偷竊的效果。同時，背包攜帶大容量鋰電池，多路不同電壓輸出，可隨時為移動電子設備提供能源。

關鍵詞： STM32F103ZET6;指紋;智能背包;移動電源

中圖分類號：TP368.12 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）07-0014-03

Abstract： Backpack is one of the indispensable equipment for people to go to work or go out every day. It can help people easily carry various tools or other items. With the rapid development of science and technology， people carry more and more heavy equipment， more and more intelligent， also more and more valuable. Therefore， it is particularly necessary to have a backpack with high safety factor and relatively strong function. This design used STM32F103ZET6 as the main control chip. It uses power supply， fingerprint， electromagnetic lock and Bluetooth module. It can unlock the backpack through the fingerprint module and mobile APP. When the backpack is separated from the mobile phone， it will send a warning to the mobile phone to achieve the anti-theft effect. At the same time， the backpack carries a large-capacity lithium battery and multiple voltage outputs， which can provide energy for mobile electronic devices at any time.

Keywords： STM32F103ZET6;finger-print;intelligent backpack;mobile power supply

1 研究背景

隨著生活水平的不斷提高，人們對電子設備的性能要求也越來越高，每天出門攜帶的電子設備也越來越多。如果出門在外乘坐公交或地鐵，抑或是經常出入公共場合，此時攜帶的電子設備若不慎遺失，將會造成嚴重的后果，輕則造成財產損失，重則丟失重要文件、資料等。

目前，雖然電子設備發展迅速，但其供電續航能力不足，在外總擔心手機、平板電腦等電子設備沒電。例如，有些成天在外工作的攝影師有需要在辦公現場用電腦進行圖片或視頻處理的需求;又如，在外奔波的上班族，在城市之間穿梭時，需要處理其他業務，常常因為電子設備續航能力不足，造成不良后果。

針對上述問題，本文以STM32F103ZET6為主控芯片，通過指紋采集傳感器采集背包使用人的指紋，發送給主控芯片核對特征碼，主控芯片再向電磁鎖扣發送相應指令來快速識別背包使用人，達到防偷盜效果 [1]。即使使用者注意力沒有在背包上，也能放心地將心思專注于其他事情上。背包內置的鋰電可通過無線充電來補充電能，回到家中放到固定的底座上即可補充電能。在外時，其有多路不同的電壓輸出，能作為電子設備充電電源使用，使電子設備的使用不再受電源不足的制約。

2 整體設計方案

本項目主要包含兩方面的工作：一方面是電路元件的連接和組裝;另一方面則是運算程序的編寫。智能安全背包的總體框架如圖1所示。

智能安全背包的工作原理為：使用背包前，將慣用的指紋錄入指紋模塊中，使用背包時將提前錄入好指紋的手指置于指紋傳感器上，指紋模塊識別指紋特征碼正確時，向單片機發送數據，單片機接受到數據后向電磁鎖模塊發送開鎖指令，讓電磁鎖模塊解鎖，5s后單片機發送關閉指令，等電磁鎖合上時，電磁鎖將處于關閉狀態。手機能通過藍牙模塊與單片機相互通信，其將作為直觀顯示設備，實時讀取當前背包狀態，如剩余電量等。此外，也可通過手機向電磁鎖發送開啟指令。同時，藍牙模塊與手機連上后如若斷開，手機將立刻發出提醒以告知用戶背包與手機連接中斷。無線充電模塊啟動時，可利用電源模塊為鋰電池充電，鋰電池用作整個電路的電源。同時，電源模塊也可向其他用電設備供電 [2]。

3 功能電路設計

3.1 指紋識別電路

指紋識別電路采用AS608光學指紋識別模塊。該模塊集成了光路和指紋處理部分，為一體化指紋處理模塊，具有體積小、功耗低、接口簡單、可靠性高、識別速度快、干濕手指適應性好和指紋搜索速度快等優勢。

3.2 電磁鎖電路

電磁鎖電路結構簡單，采用拉力式電磁鎖，由一塊拉力電磁鎖和插入式鎖扣結合工作。當鎖扣插入拉力電磁鎖中時，電磁鎖處于未通電狀態，鎖扣無法由外力拔出。當單片機接收到指紋識別電路正確的指紋特征碼時，單片機連接繼電器的I/O口輸出高電平，電磁鎖與電源電路間繼電器打開，電磁鎖接通電源，將電磁鎖中軸拉開，釋放鎖扣，此時可打開背包。程序設定若干秒后，單片機輸出低電平，繼電器關閉，電磁鎖斷開電源，中軸彈出。中軸靠外一側為一斜切面，將鎖扣往斜切面垂直向內用力，中軸將緩慢打開直至電磁鎖中軸重新插入鎖扣。電磁鎖結構圖如圖2所示。

3.3 無線數據傳輸電路

無線數據傳輸電路采用JDY-31藍牙模塊，基于藍牙3.0 SPP設計，可以支持Windows、Linux、Android數據透傳，工作頻段2.4GHz，調制方式為GFSK，最大發射功率8dB，最大發射距離30m。

通過手機發送數據，藍牙模塊接收到數據后發送給單片機，單片機識別到數據后產生相對應的指令返還給各個模塊。例如，當手機向藍牙模塊發送背包解鎖指令后，藍牙接收到指令發送至單片機，單片機讀取數據后對應I/O口拉高，磁力鎖打開。

3.4 無線充電電路

無線充電電路由兩部分組成，分別是無線發射模塊和無線接收模塊。將220V家用電壓通過中間轉換電路轉換到24V無線發射模塊上，無線發送模塊再連接到電感線圈產生磁場共振。接收模塊的電感線圈感應到磁場共振后通過接收模塊再輸出5V 4A為鋰電池充電。無線充電原理圖如圖3所示。

3.5 電源電路

電源電路連接鋰電池與無線充電和主控板，其用于輸出較為穩定的電壓，讓整個背包系統工作穩定。電源電路具有兩路輸入口和三路輸出口，其中一路輸入口接無線充電電路為鋰電池充電，另一路輸入口接電源適配器同樣為鋰電池充電。三路輸出口輸出不同的電壓值，其中一路接繼電器連通磁力鎖，另兩路分別為不同的電子設備充電。三路輸出口對應的電壓分別為12、5V和20V。其中12V接繼電器到磁力鎖，5V 2A輸出接手機、數碼相機等低功耗設備，20V 3.25A接市面上常見的筆記本電腦 [3]。

4 結語

智能安全背包是一款涉及電子、機械等多個學科領域的設計，是一個綜合性的應用研究課題。本文從方便出行、安全保管重要物品等多個方面考慮，設計了一款多功能的雙肩背包。經驗證，背包功能穩定，易于維護，是一個比較實用的穿戴式智能設備。

參考文獻：

[1]黃智偉.全國大學生電子設計競賽教程[M].北京：電子工業出版社，2005.

[2]劉軍，張洋，嚴漢宇.例說STM32[M].北京：北京航空航天大學出版社，2014.

[3]梁森.自動檢測技術及應用[M].3版.北京：機械工業出版社，2018.