基于嵌入式STM32的智能安全背包的设计

吴小宇 周文浩 张冠 邹静

摘 要：背包是人们每天上下班或是出门时必不可少的装备之一，其能帮助人们轻松携带各种工具或其他物品。随着科技日新月异的发展，人们每天携带的设备越来越沉重，也越来越智能，同样也越来越贵重，因此，有一个安全系数高、功能相对较强的背包尤为必要。本设计以STM32F103ZET6为主控芯片，采用电源、指纹、电磁锁和蓝牙模块，通过指纹模块和手机APP发送指令解锁背包，背包与手机分离时向手机发出警告以此来达到防偷窃的效果。同时，背包携带大容量锂电池，多路不同电压输出，可随时为移动电子设备提供能源。

关键词： STM32F103ZET6;指纹;智能背包;移动电源

中图分类号：TP368.12 文献标识码：A 文章编号：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

随着生活水平的不断提高，人们对电子设备的性能要求也越来越高，每天出门携带的电子设备也越来越多。如果出门在外乘坐公交或地铁，抑或是经常出入公共场合，此时携带的电子设备若不慎遗失，将会造成严重的后果，轻则造成财产损失，重则丢失重要文件、资料等。

目前，虽然电子设备发展迅速，但其供电续航能力不足，在外总担心手机、平板电脑等电子设备没电。例如，有些成天在外工作的摄影师有需要在办公现场用电脑进行图片或视频处理的需求;又如，在外奔波的上班族，在城市之间穿梭时，需要处理其他业务，常常因为电子设备续航能力不足，造成不良后果。

针对上述问题，本文以STM32F103ZET6为主控芯片，通过指纹采集传感器采集背包使用人的指纹，发送给主控芯片核对特征码，主控芯片再向电磁锁扣发送相应指令来快速识别背包使用人，达到防偷盗效果 [1]。即使使用者注意力没有在背包上，也能放心地将心思专注于其他事情上。背包内置的锂电可通过无线充电来补充电能，回到家中放到固定的底座上即可补充电能。在外时，其有多路不同的电压输出，能作为电子设备充电电源使用，使电子设备的使用不再受电源不足的制约。

2 整体设计方案

本项目主要包含两方面的工作：一方面是电路元件的连接和组装;另一方面则是运算程序的编写。智能安全背包的总体框架如图1所示。

智能安全背包的工作原理为：使用背包前，将惯用的指纹录入指纹模块中，使用背包时将提前录入好指纹的手指置于指纹传感器上，指纹模块识别指纹特征码正确时，向单片机发送数据，单片机接受到数据后向电磁锁模块发送开锁指令，让电磁锁模块解锁，5s后单片机发送关闭指令，等电磁锁合上时，电磁锁将处于关闭状态。手机能通过蓝牙模块与单片机相互通信，其将作为直观显示设备，实时读取当前背包状态，如剩余电量等。此外，也可通过手机向电磁锁发送开启指令。同时，蓝牙模块与手机连上后如若断开，手机将立刻发出提醒以告知用户背包与手机连接中断。无线充电模块启动时，可利用电源模块为锂电池充电，锂电池用作整个电路的电源。同时，电源模块也可向其他用电设备供电 [2]。

3 功能电路设计

3.1 指纹识别电路

指纹识别电路采用AS608光学指纹识别模块。该模块集成了光路和指纹处理部分，为一体化指纹处理模块，具有体积小、功耗低、接口简单、可靠性高、识别速度快、干湿手指适应性好和指纹搜索速度快等优势。

3.2 电磁锁电路

电磁锁电路结构简单，采用拉力式电磁锁，由一块拉力电磁锁和插入式锁扣结合工作。当锁扣插入拉力电磁锁中时，电磁锁处于未通电状态，锁扣无法由外力拔出。当单片机接收到指纹识别电路正确的指纹特征码时，单片机连接继电器的I/O口输出高电平，电磁锁与电源电路间继电器打开，电磁锁接通电源，将电磁锁中轴拉开，释放锁扣，此时可打开背包。程序设定若干秒后，单片机输出低电平，继电器关闭，电磁锁断开电源，中轴弹出。中轴靠外一侧为一斜切面，将锁扣往斜切面垂直向内用力，中轴将缓慢打开直至電磁锁中轴重新插入锁扣。电磁锁结构图如图2所示。

3.3 无线数据传输电路

无线数据传输电路采用JDY-31蓝牙模块，基于蓝牙3.0 SPP设计，可以支持Windows、Linux、Android数据透传，工作频段2.4GHz，调制方式为GFSK，最大发射功率8dB，最大发射距离30m。

通过手机发送数据，蓝牙模块接收到数据后发送给单片机，单片机识别到数据后产生相对应的指令返还给各个模块。例如，当手机向蓝牙模块发送背包解锁指令后，蓝牙接收到指令发送至单片机，单片机读取数据后对应I/O口拉高，磁力锁打开。

3.4 无线充电电路

无线充电电路由两部分组成，分别是无线发射模块和无线接收模块。将220V家用电压通过中间转换电路转换到24V无线发射模块上，无线发送模块再连接到电感线圈产生磁场共振。接收模块的电感线圈感应到磁场共振后通过接收模块再输出5V 4A为锂电池充电。无线充电原理图如图3所示。

3.5 电源电路

电源电路连接锂电池与无线充电和主控板，其用于输出较为稳定的电压，让整个背包系统工作稳定。电源电路具有两路输入口和三路输出口，其中一路输入口接无线充电电路为锂电池充电，另一路输入口接电源适配器同样为锂电池充电。三路输出口输出不同的电压值，其中一路接继电器连通磁力锁，另两路分别为不同的电子设备充电。三路输出口对应的电压分别为12、5V和20V。其中12V接继电器到磁力锁，5V 2A输出接手机、数码相机等低功耗设备，20V 3.25A接市面上常见的笔记本电脑 [3]。

4 结语

智能安全背包是一款涉及电子、机械等多个学科领域的设计，是一个综合性的应用研究课题。本文从方便出行、安全保管重要物品等多个方面考虑，设计了一款多功能的双肩背包。经验证，背包功能稳定，易于维护，是一个比较实用的穿戴式智能设备。

参考文献：

[1]黄智伟.全国大学生电子设计竞赛教程[M].北京：电子工业出版社，2005.

[2]刘军，张洋，严汉宇.例说STM32[M].北京：北京航空航天大学出版社，2014.

[3]梁森.自动检测技术及应用[M].3版.北京：机械工业出版社，2018.