基于嵌入式STM32的防盜錢包設(shè)計(jì)

王瑞鵬，段奇凱，高程，朱美芬，劉歡

（甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，甘肅蘭州 730070）

隨著科技的發(fā)展以及人們?nèi)找嬖鰪?qiáng)的防盜意識(shí)，利用單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)錢包的防盜功能已成為可能。錢包是人們?nèi)粘３鲂械闹匾锲分唬w積較小，極易被竊。防盜錢包在國內(nèi)研究已有一定的基礎(chǔ)，上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院設(shè)計(jì)了一種基于無線電發(fā)射與接收技術(shù)為主控器的無線防盜系統(tǒng)，利用無線技術(shù)設(shè)計(jì)了一種基于無線電發(fā)射與接收技術(shù)為主控器的裝置，將其應(yīng)用于錢包防盜報(bào)警器，結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)，可以有效地解決人們在公共場合財(cái)物的安全問題[1]。而最新的研究是基于GPS 模塊的新型防盜智能錢包模型設(shè)計(jì)，通過鑲嵌的防水膜以及自密封卡接結(jié)構(gòu)，能夠有效防止錢包內(nèi)部受潮，設(shè)置的硬幣卡槽能夠輔助固定硬幣，避免硬幣堆積而造成錢包損壞，在儲(chǔ)存槽底部內(nèi)壁的左右兩端及中部分別通過彈簧連接橡膠條對放入手機(jī)的寬度進(jìn)行調(diào)整，提高錢包的空間利用率，GPS 定位防盜模塊可以對該錢包進(jìn)行定位，具有很好的防盜性[2-3]。而近年來，STM32 單片機(jī)在國內(nèi)外迅猛發(fā)展，頻繁地運(yùn)用于各種智能設(shè)計(jì)。文中設(shè)計(jì)了一款基于STM32 單片機(jī)的防盜錢包，同時(shí)運(yùn)用了射頻識(shí)別技術(shù)、TTS 文本轉(zhuǎn)語音技術(shù)及紅外傳感器等硬件設(shè)備實(shí)現(xiàn)了錢包的防盜功能。

1 設(shè)計(jì)方案

1.1 總體設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的系統(tǒng)由RFID 讀卡器、人體熱釋電紅外傳感器等組成數(shù)據(jù)采集部分，STM32 單片機(jī)作為數(shù)據(jù)分析部分，將采集得到的信息進(jìn)行分析，然后傳輸?shù)絋TS 語音報(bào)警器，報(bào)警器根據(jù)所接收到的信息，判斷是否報(bào)警，如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

RFID（射頻識(shí)別技術(shù)）是一種自動(dòng)識(shí)別技術(shù)[5]，通過無線射頻進(jìn)行非接觸式的數(shù)據(jù)傳輸，利用無線射頻方式[6]對射頻卡（RFID 卡）進(jìn)行讀寫[7]，當(dāng)與RFID 讀卡器距離達(dá)到檢測距離時(shí)，RFID 讀卡器就會(huì)自動(dòng)讀取RFID 卡中所包含的信息、數(shù)據(jù)。如果距離超出檢測范圍，則讀卡器會(huì)自己返回相關(guān)數(shù)據(jù)，單片機(jī)接收到后會(huì)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以此來判斷RFID卡是否存在。在該項(xiàng)目中，將RFID 讀卡器置于錢包中，將RFID 卡放于口袋，利用RFID 讀卡器對RFID卡進(jìn)行信息循環(huán)讀取，循環(huán)發(fā)送數(shù)據(jù)給單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

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(shù)材料。因此對于該項(xiàng)目而言，波長足夠穿過背包材料，同而增強(qiáng)了此項(xiàng)目的反映敏捷性，以及提高了此項(xiàng)目的抗干擾能力。

人體熱釋電紅外傳感器是一種將人體溫度轉(zhuǎn)換為高低電平的傳感器，將傳感器置于錢包內(nèi)，錢包放在口袋中，此傳感器將對人體進(jìn)行紅外測溫，若溫度為人體正常體溫（36～37 ℃），則傳感器輸出高電平；若不在此溫度區(qū)間，則電路自動(dòng)延時(shí)關(guān)閉高電平[8]，輸出低電平。再將此數(shù)據(jù)傳輸?shù)絊TM32 單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)行下一步的分析和傳輸[9]。

STM32 單片機(jī)是基于ARM的32 位通用增強(qiáng)型微控制器，支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤[10-11]，是當(dāng)下最流行的單片機(jī)之一，頻繁地運(yùn)用于各種智能設(shè)計(jì)以及各種嵌入式開發(fā)。STM32 單片機(jī)之所以如此火爆，是因?yàn)樵摽刂破鲗?shí)時(shí)性能好、功耗低、數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)和集成整合能力強(qiáng)大，并且易于開發(fā)。STM32 單片機(jī)對于所接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理，然后將其發(fā)送到下一模塊。

TTS 是Text-To-Speech的縮寫,即文本到語音合成，處理過程：首先對文本內(nèi)容進(jìn)行分析；然后調(diào)用語音合成引擎,調(diào)用語音庫,合成語音；最后通過揚(yáng)聲器播放語音[12]。TTS 文字轉(zhuǎn)語音用途很廣，比如電子郵件、手機(jī)短信的閱讀以及人工智能方面的應(yīng)用等。在該項(xiàng)目中，TTS 語音模塊主要通過接收單片機(jī)所傳輸?shù)男畔ⅲ瑢λ邮盏男畔⑦M(jìn)行數(shù)據(jù)分析、判斷。如果背包未丟失，則不發(fā)出警報(bào)，同時(shí)將該信息返回單片機(jī)，反之，則發(fā)出警報(bào)，提醒失主。

1.2 性能要求

針對防盜錢包的特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)當(dāng)充分考慮到其性能要求。

1）實(shí)時(shí)性：防盜錢包對于實(shí)時(shí)性要求較高，應(yīng)當(dāng)將反饋時(shí)間控制在1 s 內(nèi)，這樣可以最大程度地保證錢包丟失之后報(bào)警的及時(shí)性。

2）方便性：防盜系統(tǒng)置于錢包中不能影響錢包的正常使用，同時(shí)也要方便用戶攜帶。

3）準(zhǔn)確性：防盜系統(tǒng)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)必須準(zhǔn)確，否則無法為用戶提供一個(gè)安全的使用環(huán)境。

2 硬件架構(gòu)

2.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集部分主要包括紅外傳感器對周圍溫度的采集，以及RFID 讀卡器對RFID 卡是否存在的信息采集。其數(shù)據(jù)采集真值表如表1 所示。

表1 數(shù)據(jù)采集真值表

2.2 數(shù)據(jù)處理及傳輸

STM32 單片機(jī)通過接收來自數(shù)據(jù)采集部分的數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的整理。項(xiàng)目使用STM32F103開發(fā)板作為核心數(shù)據(jù)處理主板，同時(shí)將配套的串口模塊與開發(fā)板相連，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)防盜系統(tǒng)的數(shù)據(jù)相連。之后STM32單片機(jī)將處理過后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絋TS語音警報(bào)器中，語音警報(bào)器再根據(jù)所接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，若結(jié)果為真，則不發(fā)出警報(bào)；反之，則發(fā)出警報(bào)提醒失主。

而STM32 單片機(jī)與TTS 語音警報(bào)器之間的數(shù)據(jù)傳輸采用了全雙工通信，STM32 單片機(jī)將采集到的數(shù)據(jù)處理后傳輸給警報(bào)器，同時(shí)警報(bào)器對得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，之后反饋到單片機(jī)，然后再次進(jìn)行循環(huán)，判定錢包是否丟失。

3 軟件系統(tǒng)

3.1 Keil開發(fā)環(huán)境的建立

Keil 開發(fā)環(huán)境所生成的目標(biāo)代碼效率高，匯編代碼很緊湊，便于理解，同時(shí)能體現(xiàn)出高級(jí)語言的優(yōu)勢[13]。與匯編相比，C 語言在結(jié)構(gòu)上、功能上、可讀性、可維護(hù)性上有明顯優(yōu)勢[14-15]。而KeilμVision5 是Keil 為Windows 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的集成開發(fā)環(huán)境，可以完成整個(gè)的開發(fā)流程，從編輯、編譯，一直到連接、調(diào)試、仿真等一系列開發(fā)流程，均可由KeilμVision5 完成，極大地方便了用戶，同時(shí)也最大限度地保證了開發(fā)過程的流暢性以及完整性。

3.2 軟件實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)通過紅外傳感器和RFID 射頻識(shí)別技術(shù)進(jìn)行雙重判定，二者之間若有一個(gè)條件不滿足，則TTS語音報(bào)警器會(huì)發(fā)出警報(bào)，如圖2 所示，這樣大大提高了防盜的成功率，并為錢包提供更好的保護(hù)。以下是二者的具體功能實(shí)現(xiàn)。

圖2 系統(tǒng)工作流程圖

3.2.1 RFID的具體功能實(shí)現(xiàn)

當(dāng)RFID 開始工作時(shí)，打開串口1，單片機(jī)會(huì)向RFID 模塊發(fā)送16 位的查詢碼（例如：xx xxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxxxxxxxx）當(dāng)RFID 收到查詢碼時(shí)，隨即會(huì)對RFID 卡進(jìn)行讀取，同時(shí)會(huì)通過串口1 將8 位數(shù)據(jù)碼發(fā)送到單片機(jī)上（例如：xx xxxx 00/01 xx xxxxxx）,而RFID 卡在與不在的區(qū)別是8 位數(shù)據(jù)碼第4 位的不同：當(dāng)?shù)? 位為01 時(shí)，說明RFID 卡存在；當(dāng)?shù)? 位為00 時(shí)，說明RFID 卡不存在。之后將打開串口4，將相關(guān)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，如若卡存在，則顯示“BAG EXIST”；反之，則顯示“BAG LOST”，同時(shí)將信息傳送到TTS 語音警報(bào)器，警報(bào)器通過對數(shù)據(jù)的判斷分析，發(fā)出警報(bào)，從而起到提醒失主的作用，如圖3所示。當(dāng)以上數(shù)據(jù)傳送結(jié)束后，單片機(jī)會(huì)繼續(xù)向RFID模塊發(fā)送查詢碼，持續(xù)循環(huán)，從而做到實(shí)時(shí)準(zhǔn)確。

圖3 RFID工作流程圖

3.2.2 人體熱釋電紅外傳感器的具體功能實(shí)現(xiàn)

首先，該紅外傳感器將對周圍環(huán)境溫度進(jìn)行自動(dòng)感應(yīng)，如果周圍溫度在設(shè)定范圍內(nèi)（36～37 ℃），說明該背包在人身上，則會(huì)產(chǎn)生高電平；如果不在此范圍內(nèi)，由高電平降為低電平，說明背包已經(jīng)丟失，同時(shí)將數(shù)據(jù)傳遞到TTS 語音警報(bào)器，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，然后發(fā)出警報(bào)，如圖4 所示。

圖4 人體熱釋電紅外傳感器工作流程圖

同時(shí)，該項(xiàng)目中所使用的HC-SR501 紅外傳感器還具有以下相關(guān)功能：

1）光敏控制，白天/光線強(qiáng)時(shí)不感應(yīng)，或者晚上/光線弱時(shí)不感應(yīng)，可以根據(jù)個(gè)人需求進(jìn)行設(shè)置。

2）溫度補(bǔ)償功能，在夏天當(dāng)環(huán)境溫度升高至30～32 ℃時(shí)，探測距離稍變短，溫度補(bǔ)償可作一定的性能補(bǔ)償。

3）感應(yīng)封鎖時(shí)間，感應(yīng)模塊在每一次感應(yīng)輸出后（高電平變成低電平），可以緊跟著設(shè)置一個(gè)封鎖時(shí)間段，在此時(shí)間段內(nèi)感應(yīng)器不接收任何感應(yīng)信號(hào)，此功能可以實(shí)現(xiàn)對于個(gè)人特殊需求的滿足[16]。

該項(xiàng)目需要RFID 模塊與人體熱釋電紅外傳感器同時(shí)進(jìn)行條件判定，只有二者的判定都為真時(shí)，報(bào)警器才不會(huì)發(fā)出警報(bào)；相反，若是二者中有一個(gè)條件不滿足，則報(bào)警器就會(huì)發(fā)出警報(bào)，以此來提醒失主。所以，在一定程度上，二者的相互協(xié)作以及對于數(shù)據(jù)的判斷處理是設(shè)計(jì)最核心的部分。

4 項(xiàng)目意義與實(shí)現(xiàn)功能

隨著信息、電子、通信技術(shù)的快速發(fā)展，便捷、安全的生活成為了人們追求美好生活的迫切需要。是否便捷和安全可以雙重提升或是只能選擇其中一個(gè)呢？放眼當(dāng)下，人們的生活水平不斷提高，在努力讓生活變得快速便捷的同時(shí)，身邊的安全隱患也愈加嚴(yán)重。例如汽車被盜或是汽車內(nèi)的財(cái)務(wù)被盜，小偷潛入房屋內(nèi)以至于家庭財(cái)產(chǎn)被盜，又或是隨身攜帶的物品在人們不留神的情況下被竊。截至目前，我國的財(cái)務(wù)失竊率處于逐年上升的狀態(tài)，預(yù)防財(cái)務(wù)失竊仍是亟待解決的問題。那么如何才能在自己視覺盲區(qū)有效地避免財(cái)務(wù)丟失呢？

根據(jù)以上敘述，需要解決的根本問題是在自己的視覺盲區(qū)避免財(cái)物丟失。換句話說，在人們看不見的情況下，要防止自己的財(cái)務(wù)被盜，而且要快速高效，在財(cái)務(wù)被盜的同時(shí)能迅速作出反應(yīng)，文中研究的是基于STM32的防盜錢包系統(tǒng)。在人們視線范圍之外，一旦有人竊取錢包，傳感器接收到信號(hào)，傳入STM32 單片機(jī)中，單片機(jī)再發(fā)送命令到TTS 語音報(bào)警器，此時(shí)，報(bào)警器工作發(fā)出警報(bào)，引起人們注意從而實(shí)現(xiàn)防盜。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了錢包的防盜，采用了紅外傳感器和RFID 雙重?cái)?shù)據(jù)反饋，對錢包進(jìn)行安全保護(hù)。當(dāng)紅外傳感器或RFID 有一個(gè)返回?cái)?shù)據(jù)為假時(shí)，單片機(jī)就會(huì)將信息傳輸?shù)秸Z音警報(bào)器，語音警報(bào)器發(fā)出警報(bào)，只有二者返回的數(shù)據(jù)都為真時(shí)，單片機(jī)將信息重新發(fā)送到開始端口，循環(huán)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析，最大限度地保證了錢包的安全性。同時(shí)，上位機(jī)也會(huì)顯示相關(guān)的數(shù)據(jù)，告訴用戶錢包是否丟失。

5 系統(tǒng)創(chuàng)新

該系統(tǒng)的創(chuàng)新之處有以下幾點(diǎn)：

1）該設(shè)計(jì)使用了STM32 單片機(jī)，在防盜設(shè)計(jì)中較為新穎，同時(shí)STM32 單片機(jī)采用當(dāng)前移動(dòng)端廣泛使用的ARM構(gòu)架，功耗低，技術(shù)成熟，并且STM32單片機(jī)相對于其他單片機(jī)而言，內(nèi)存更大，處理速度更快。

2）應(yīng)用了TTS 語音警報(bào)器，沒有了傳統(tǒng)警報(bào)器的機(jī)器生澀感，使聽者聽取信息時(shí)較為自然。

3）運(yùn)用射頻識(shí)別技術(shù)，對源代碼進(jìn)行循環(huán)識(shí)別，確保背包丟失后警報(bào)器報(bào)警的及時(shí)性。

4）運(yùn)用熱釋電紅外傳感器和RFID 進(jìn)行雙重保障，大大提高了錢包的安全性能。

5）運(yùn)用Keil 開發(fā)環(huán)境，保證了開發(fā)過程的完整性和流暢性。

6 結(jié)束語

系統(tǒng)基于STM32 單片機(jī)、射頻識(shí)別技術(shù)、熱釋電紅外傳感器、TTS 語音警報(bào)器以及Keil 開發(fā)環(huán)境構(gòu)成了防盜錢包系統(tǒng)，不僅實(shí)現(xiàn)了錢包的防盜功能，同時(shí)還可以對用戶發(fā)出錢包丟失的警報(bào)，并且上位機(jī)也可以準(zhǔn)確地觀察到相關(guān)的信息。該系統(tǒng)方便便捷，較為靈活，精準(zhǔn)度高且穩(wěn)定性好。