基于藍牙射頻的智能防丟器設計與實現

胡艷茹

（寧夏師范學院 物理與電子信息工程學院，寧夏 固原 756000）

0 引 言

針對時常困擾人們的尋找日常生活用品的問題，已有人嘗試采用貼標簽、射頻識別等方法來解決[1-2]。市面上也出現了一些智能防丟器，但大多存在一些問題，如：操作上必須單獨下載安裝APP 后才能使用；使用中常發生連接不上，無法準確定位的現象；耗電量高、定位效果不好和效率低下等[3]。本文根據STM32 單片機控制技術的優點，設計實現了一種基于藍牙連接，利用RSSI 算法準確定位，能夠代替門禁卡的智能防丟器。防丟器的體型小巧，方便攜帶，手機端操作簡便，能夠真正地為人們提供便利[4-5]。

1 系統整體設計

智能防丟器采用STM32F103C8T6 作為主控芯片，通過2 顆3 V 鋰電池提供電源。實現的主要功能有：日常生活用品定位、聲光報警、門禁。圖1 是智能防丟器系統電路。

圖1 智能防丟器系統電路

2 硬件電路設計

硬件電路主要由電源模塊、RFID 模塊、藍牙模塊、核心模塊組成。

2.1 電源模塊

防丟器主控芯片選取型號為STM32F103C8T6，由于其工作電壓為1.65 ～3.6 V，則選用AMS1117-3.3 穩壓器，將電路電壓穩定在3.3 V 左右[6]。電源轉換電路如圖2 所示。

圖2 電源轉換電路

2.2 藍牙模塊

本系統所選用的藍牙串口通信模塊是PW02 模塊，基于藍牙BLE5.0 協議架構，封裝僅為6.8 mm×9.6 mm；功耗全部在毫安級以內，600 ms 廣播周期待機最高平均功耗僅為23 μA，全速傳輸時功耗僅為619 μA[7-8]。相比其他公司的藍牙模塊傳輸時的10 mA 功耗，PW02 功耗僅為它們的1/16。圖3 是PW02 藍牙串口通信模塊的實物圖，模塊尺寸比直徑為1.05 cm 的硬幣小很多。

圖3 PW02 藍牙串口通信模塊的實物圖

藍牙模塊采用的RSSI 算法主要是接收信號強度表示法。首先確定發射端的發射功率，并對接收端接收到的RSSI 數據進行檢測；再對接收器和接收器的距離進行測量[9]。在此基礎上利用接收到的信號強度信息，求出接收器與發射端之間的距離，并利用三角重心方法求解被測點的位置，如圖4 所示。

圖4 RSSI 方法

藍牙測距方法主要是通過RSSI 和最小二乘迭代算法進行計算，其基本公式為：

式中：RSSI 為接收到的信號強度；d為信號受環境影響的衰減程度系數；S0為發射器與接收器相距1 m 時的信號強度。考慮到實際應用環境的復雜程度，在藍牙定位功能投入使用之前進行大量測試以進行校準[10]。設計中藍牙模塊P02 引腳連接MCU 模塊I/O1，復位RESET 引腳連接MCU 模塊I/O2，P05、P06 引腳分別為藍牙模塊收發信息引腳，需要與主控模塊TX、RX 引腳對應連接；P03 引腳必須要接高電平，整個藍牙模塊才能接通。

2.3 RFID 射頻模塊

RFID（Radio Frequency Identification），也就是所謂的“電子標簽”，是一種非接觸的信息訪問技術，是物聯網技術的一個重要組成部分。射頻識別技術是通過無線通信來讀出被測對象所攜帶的信息[11]。RFID 是一種典型的電子標簽、讀卡器和應用軟件，其工作流程是首先通過讀卡機生成射頻磁場，然后通過天線發射出去。當日常生活用品被放入讀卡機所產生的射頻場中，它就會得到工作所需要的電能，并產生一個工作電壓，然后激活電子標簽，使其工作起來。電子標簽接收到工作電能后，對自己內存中的資料進行調制，然后通過天線傳送到卡片閱讀機[12]。在收到電子標簽所傳送的資料后，該資料被傳送到微處理器進行處理，以顯示刷卡成功。其通信原理如圖5 所示。

圖5 RFID 通信原理

本設計采用無源RFID，它是最早、最成熟、應用最廣的一種RFID 產品。它是利用無線射頻識別裝置接收到微波信號，并利用電磁感應線圈獲得電能，實現信息交流。由于省去了電力供應，因此無源RFID 的體積可達毫米級或以下，其本身構造簡單、造價低廉、故障率低、壽命長。

2.4 核心電路模塊

本設計的核心處理器使用STM32 系列的STM32F103C8T6。它是內核為32 位的ARM?Cortex?-M3 微處理器芯片，代碼效率高，配置的外設接口數量較多，并且集成度高、功能強、實時性良好、性價比高，常用于智能家居和智能設備上[13]。主控芯片通過采集藍牙定位信號找尋防丟器，發出聲光信號；當有日常生活用品丟失情況發生時，也會通過燈光閃爍加蜂鳴器報警的方式提醒用戶，利用RFID 模塊還能夠實現門禁功能，用戶入戶通過刷卡開門。實物搭建的具體材料、數量及規格見表1所列。

表1 實物搭建材料

3 軟件設計

本設計的軟件程序部分是通過Keil 公司開發的MDK 軟件來完成的，Keil 擁有強大的代碼編譯器、宏匯編、鏈接器、庫管理以及一個強大的模擬調試器，利用μVision 把它們結合起來，實現了一套完整的聯機模擬調試。通過軟體或軟體的模擬，可以較快地進行模擬和調試。本設計采用了Keil μVision5 的開發環境，可以極大地減少開發時間，使程序的開發速度更快、更有效率[14-15]。

3.1 系統整體工作流程

系統首先進行初始化，然后MCU 采集距離數據，藍牙連接主控芯片后，對數據進行分析處理，進而實現定位。圖6 是本系統的軟件流程。

圖6 系統的軟件流程

3.2 藍牙串口通信設計

本系統設計選取PW02 模塊作為藍牙通信模塊，通過串口與STM32 的USART3 進行通信，完成數據的發送和接收。當藍牙連接成功時，指示燈常亮藍色；STM32 對防丟器與手機所處距離進行判斷，如果大于1 m，防丟器進行聲光報警，提醒用戶。藍牙模塊工作流程如圖7 所示。

圖7 藍牙模塊工作流程

STM32 與藍牙模塊進行通信時，先配置中斷收發器的I/O 口，將USART3 中的TX 引腳設置為推挽輸出模式，同時將引腳輸出時鐘頻率設為50 MHz，將RX 引腳設置為推挽浮空輸入模式，此處不需要設置切換速率。本系統中的波特率一致配置成9 600 b/s，并且藍牙模塊的波特率也是9 600 b/s，兩者的配置應當相同，這是很重要的一點，否則后續無法進行正常的通信。此外還需要在幀結尾傳輸1 個停止位，設置為無奇偶校驗位，接著打開使能串口1 的中斷，驅動部分代碼如下：

3.3 射頻模塊

射頻模塊與主控模塊通信流程如圖8 所示，刷卡成功后顯示器上會顯示“讀卡成功”字樣。

圖8 RFID 模塊通信流程

4 系統測試

將程序經燒錄軟件下載至成型硬件電路中，并進行調試。調試完成后對電路板進行固定并美化成品，實物完成上電后整體效果如圖9 所示。

圖9 成品正反面效果

針對完整的智能防丟器系統進行功能測試，藍牙模塊測試內容包括藍牙連接、響鈴情況、燈光閃爍情況。藍牙連接完成后藍色燈光會閃爍，指示藍牙已經連接，如圖10 所示代表藍牙模塊連接成功。

如圖11 所示，RFID 模塊初始化后，指示燈常亮紅色。

圖11 RFID 模塊初始化顯示

將防丟器貼近刷卡感應區，收集得到完整的數據信息后，OLED 屏幕上就會顯示刷卡成功，如圖12 所示。如果沒有顯示，則可能原因為：（1）防丟器離傳感器距離過遠；（2）硬件發生故障。

圖12 RFID 模塊刷卡成功顯示

5 結 語

本文設計的基于STM32 的智能防丟器，可以通過采集藍牙定位信息找尋防丟器，當人與物品距離超過1 m 時，蜂鳴器會發出聲音，模塊會閃爍紅色燈光，提醒用戶防丟器丟失。另外，還可以通過RFID 模塊實現刷卡，當防丟器未接觸到模塊時，屏幕顯示讀卡器；當防丟器接觸到模塊時，顯示刷卡成功。防丟器小巧輕便，可輕松放入錢包、卡包等隨身小包中，隨時隨地追蹤需要查找的物品，基于近距離定位技術快速找回失物。