基于嵌入式STM32的背包防盜系統設計

秦立靜，段奇凱，朱美芬，王瑞鵬，高 程，劉 歡

（甘肅農業大學 信息科學技術學院，甘肅 蘭州 730000）

0 引 言

背包是人們日常生活中必不可少的東西，其可以隨身攜帶一些出行必備的物品，給人們提供了很大的便利。然而，丟失背包和背包失竊的事情時有發生。背包通常情況下背在人身后，人們無法隨時看到自己的背包，絕大多數的背包失竊就是因為這個原因。

本項目針對丟失背包和背包失竊這一熱議話題 ，設計了一種基于嵌入式STM32的防盜背包。實驗表明，該防盜系統可以較好的處理背包丟失和背包失竊問題，并且通過警報提醒用戶。

1 設計方案

1.1 總體設計

本系統由射頻識別技術（Radio Frequency Identification,RFID）、STM32單片機、TTS報警器等組成，系統拓撲結構如圖1所示。

圖1 系統拓撲結構

RFID是自動識別技術的一種，通過無線射頻方式進行非接觸雙向數據通信，利用無線射頻方式對記錄媒體（電子標簽或射頻卡）進行讀/寫，達到識別目標和數據交換的目的。RFID通過無線電波不接觸快速信息交換和存儲技術，通過無線通信結合數據訪問技術，然后將其連接至數據庫系統，并實現非接觸式的雙向通信，從而達到了識別的目的。RFID用于板塊之間的數據交換，串聯起一個極其復雜的系統[1]。RFID有著方便快捷、識別速度快、數據容量大、使用壽命長、標簽數據可動態更改、較條碼而言具有更好的安全性、動態實時通信等的優點[2]。Curtin（2007）提出RFID技術具有機動性、組織性、系統性、技術性等特征，RFID使裝備其標簽的物體變得智能，且與信息系統進行實時交流，這些特征使該技術得到極大關注，且被認為將帶來下一次信息技術革命[3]。本項目通過RFID讀卡器讀取的信息，判斷RFID卡是否存在，若卡存在，說明背包依舊在，若卡不存在，則說明背包已丟失。

通過STM32單片機控制RFID讀卡器對RFID卡的讀取，若卡不存在，再次通過單片機將信息傳輸到TTS報警器。

文本到語音（Text to Speech, TTS）在內置芯片的支持之下，通過神經網絡的設計，把文字智能地轉化為自然語音流。這個處理過程為：首先對文本內容進行分析；然后調用語音合成引擎，調用語音庫，合成語音；最后通過揚聲器播放語音[4]。本文采用TTS技術對文本文件進行實時轉換，轉換時間之短可以以秒計算。

TTS接收來自STM32單片機的信息，若信息中RFID卡存在，則不報警，反之，則進行報警，提醒使用者背包丟失。

1.2 系統優勢

本設計所使用的STM32單片機相比較于其他系列來說，具有以下幾點優勢：

（1）與51系列單片機相比，STM32采用當前移動端廣泛使用的ARM構架，有著較低的功耗和較為成熟的技術，運算速度是51單片機的幾十倍，且外圍接口功能比51系列強大太多。

（2）與MSP430相比，STM32可以進行位操作，并且其程序都是模塊化的，接口的使用更為方便簡單，學習難度小。處理運算時，STM32的速度略快于MSP430，做浮點運算時，速度更是遠快于MSP430，在需要復雜運算的環境中，STM32的優勢極大。

（3）與其他8/16位單片機相比，STM32內存更大、處理速度快，可開發潛力也更大。

1.3 性能要求

針對此款防盜背包系統的特性，本文在設計防盜背包系統的過程中充分考慮了以下性能需求：

（1）穩定性。作為防盜背包系統，保證其正常工作非常重要，系統運行的穩定程度，是判斷此防盜背包系統優良性能的一個重要指標。

（2）實時性。防盜背包系統最為重要的一點是實時性。背包丟失時，使用者應在第一時間接收到系統的反饋，發現背包丟失，因此其響應時間應控制在1 s以內。

（3）易攜帶性。防盜背包系統是一種嵌入背包內部的系統，應當簡單易攜帶質量小。

（4）準確性。防盜背包系統為使用者提供安全保障，須保證背包丟失時使用者第一時間得知，且不允許出任何錯誤。

（5）易操作性。防盜背包適用于各個年齡階段的人，使用者只需將該系統放入背包內部，就可起到防盜的作用。

2 硬件架構

2.1 總體設計理念

本系統是通過將RFID卡放入背包中實現防盜。因此，需要在STM32單片機的控制下，在源代碼中編寫RFID讀卡器對RFID卡的循環讀取代碼，由單片機識別讀取信息。若信息中顯示RFID讀卡器顯示“BAG EXIST”，說明卡仍然在背包沒有丟失，TTS語音報警器不會響應報警；若讀卡器讀取到的信息顯示“BAG LOST”，說明RFID卡不在背包已丟失，從而單片機控制TTS語音報警進行報警提醒。

2.2 STM32模塊

STM32F103單片機是基于ARM的32位通用增強型微控制器，支持實時仿真和跟蹤[5]。STM32F103單片機當下最流行的單片機之一，其廣泛地運用于各種智能設計以及各種嵌入式開發。該控制器實時性能好、功耗低、數據處理能力強和集成整合能力強大，并且易于開發。在STM32單片機中，采用了ARM較為先進架構的內核，其實時性能和功耗控制等方面都較為優良，能夠最大限度地進行整合與集成，同時便于開發，能夠使產品更快速的進入市場[6]。

2.3 TTS語音模快

TTS文字轉語音用途很廣，比如電子郵件、手機短信的閱讀、以及人工智能方面的應用等。在本項目中TTS語音模塊主要通過接收單片機所傳輸的信息，對所接收的信息進行數據分析、判斷。如果背包未丟失，則不發出警報，同時將此信息返回單片機；反之，則發出警報，提醒用戶。

2.4 RFID模塊

RFID射頻識別技術，是一種非接觸式的自動識別技術，包括RFID讀卡器和RFID卡兩部分[7]。RFID讀卡器是一種能自動閱讀電子標簽數據的識別設備。RFID卡是一個儲存相關數據的射頻識別卡，當與RFID讀卡器距離達到檢測距離時，RFID讀卡器就會自動讀取RFID卡中所包含的信息，數據。如果距離超出檢測范圍，則讀卡器會自己返回相關數據，單片機接收到后會對數據進行分析，以此來判斷RFID卡是否存在。而RFID模塊工作頻率大概為13.56 MHz，該頻率的波長大概為22 m。除了金屬材料外，該頻率的波長可以直接穿過液體等大多數的材料。因此對于本項目而言，波長足夠穿過背包材料，同而增強了此項目的反應敏捷性，以及提高了此項目的抗干擾能力。但是現有的RFID讀卡器在大規模的移動應用中仍存在著一些不足。例如處理速度較慢，人機交互不夠友好，成本較高，不能方便與上位機進行通信等[8]。

3 軟件系統

本文在完善的硬件系統的基礎上，利用Keil μVision 5開發環境，使用C語言編寫應用程序。

3.1 系統的主程序設計

首先為硬件系統通電，并且連接至計算機，打開串口1和串口4。接下來觀察計算機串口1和串口4發送的數據和接受的數據是否異常。若異常，則重新調試串口和接線；若正常，串口1返回數據的第四位為“00”。此時未放置卡片，串口1返回的數據為“bag lost”；此時將卡片放置在RFID模塊上，觀察返回數據：串口1返回的數據第四位為“01”，并且串口4返回的數據為“bag exist”，說明背包丟失。具體步驟如下所示：

（1）連接硬件系統至計算機并為整個系統通電；

（2）打開串口1和串口4；

（3）檢測連接是否異常；

（4）通過放置卡片和不放置卡片返回的數據判斷背包是否丟失。

軟件系統流程如圖2所示。

圖2 軟件系統流程

3.2 程序優越性

該程序通過簡單的硬件連接和兩個串口的發送、接收數據來判斷背包是否丟失。系統簡單易操作，且在程序的設計上采用了多種C語言模式構成的一種獨特的防盜系統，使用者只需在背包中裝入RFID識別卡，就可以輕松的解決背包被盜的問題。

4 結 語

本文設計了一種基于STM32的防盜背包。該背包由RFID識別器、STM32單片機和TTS報警器三部分構成。實驗表明，該系統簡單易操作、易于維護，系統的整體性能穩定可靠，可最大限度地滿足人們對便攜性和安全性的需要，有著廣闊的市場前景。該系統不僅可以用于背包，稍作修改，還可以擴展到各式各樣的包。