基于BLE和NFC的防丢卡套研制

张金玉 唐元广

摘   要：文章涉及生活用品技术领域，具体论述了一种防丢卡套，包括卡套主体和设在卡套主体上的防丢器，卡套主体设有一个开口端。防丢器包括由电路连接的蓝牙4.0模块、蜂鸣器、开关和电源。本防丢卡套将智能防丢器的功能与传统卡套相结合，根据使用者不同的使用需求可以实现防丢卡套功能以及便携定位器的功能。同时，该防丢卡套超低功耗，待机时间长达3～5个月，而且具有如NFC能量收集等新功能，可有效延长电池的寿命，无需频繁更换电池，节能环保，实用性强，为防丢器设备的研究提供技术支持。

关键词：防丢卡套;低功耗蓝牙技术;近距离无线通信技术

目前，国内外对银行卡和证件卡等卡片的防丢装置处于一个比较空白的状态，相似产品主要分为两类：一类是纯机械式的卡套，另一类是单独的防丢器。现有的防丢器都有一个共同特点：定位不精准，看似功能有用，使用场景却十分模糊。

随着时代的发展，在中国现金的使用越来越少，更多的是使用刷卡、手机支付以及搭乘公共交通设备使用刷卡操作，加上用户必带的身份证、驾驶证以及其他银行卡等卡片，需要一种专用的卡套，来替代原本钱包的功能。而现有技术中个人防丢器通常是为了防止钱包等物品遗失，需要单独放置的装置，并且续航时间短、功能单一、定位不精准。

本文的目的是提供一种防丢卡套，以克服现有技术中所没有的卡片防丢器问题。所设计的防丢卡套实现了智能防丢器功能与传统卡套的结合，根据使用者不同的使用需求可以实现普通防丢卡套功能以及便携定位器功能，卡套的可替换机械结构使外观更加美观，电池更换更加方便，采用近距离无线通信技术（Near Field Communication，NFC）能量收集技术，延长续航时间，卡套内部自锁设计，插卡更牢靠，拔卡更方便，为防丢器设备的研究提供技术参考。

1    基本原理

本防丢卡套采用蓝牙4.0[1]和NFC能量收集的技术，具有待机时间超长、双向防丢、自动报警等优点。核心的器件是蓝牙模块，选择nRF51822芯片，通过使用低功耗蓝牙技术（Bluetooth Low Energy，BLE），也就是通常所说的Bluetooth 4.0或者Bluetooth Smart，防丢器可以创造一个Beacon基站来创建一个信号区域，当设备进入该区域时，APP便会提示用户。通过放置在防丢卡套中的小型无线传感器和低功耗蓝牙技术，来判断卡套与手机的距离，并进行定位。系統采用Java EE，JSP开发、MySQL数据库和Android手机APP开发技术[2]，服务器采用Servlet和JSP运行在Tomcat 7.0上，利用手机终端采集蓝牙的位置，根据未知变化决定是否发出警报。卡套外型上，采用Solidworks三维制图软件进行工业设计，结构上，类似于弹簧自锁结构，用户只需要按键便可取出校园卡、员工卡等，操作简单，使用方便。这种结构在防丢设备上的应用是一种创新，卡片不易从卡槽中掉出，厚度比传统防丢器薄得多。

该卡套防丢器是采用蓝牙技术专门为智能手机设计的，通过距离变化来判断物品是否还控制在用户的安全范围，主要应用于防止大学生校园卡、公司员工卡、身份证等卡证丢失。防丢器的原理是在手机和蓝牙之间建立连接，每15 s自动检测一次连接状态，将蓝牙放在校园卡、员工卡、身份证上，一旦蓝牙与手机的距离超过一定范围，手机立即发出报警声。用手机扫描防丢器名称，点击设备绑定后自动连接，连接后可以对设备进行手机以及设备报警设置。

2    关键技术

2.1  nRF51822芯片

nRF51822芯片是集成nRF51系列2.4 GHz收发器、32位ARM?-M0处理器、闪存、模拟和数字处理器的超低功耗2.4 GHz无线系统芯片。nRF51822可以支持蓝牙低能量和一系列专有的2.4 GHz协议，例如北欧半导体公司的Gazell协议，在集成了普通单片机功能的同时，还有低功耗蓝牙4.0的功能。围绕此芯片根据功能需要自行设计电路，除了保证其正常运行的基本电路构造和供电电路外，还引出了4个引脚，其中两个分别外接蜂鸣器和按键，由芯片直接控制其发挥作用，另外两个为程序下载口。

2.2  NFC以及蓝牙程序原理

（1）NFC[3-4]模块。能够允许电子设备之间进行非接触式点对点数据传输、交换。本实施例采取另一种使用方式，用来给低功耗蓝牙系统供电。具体设计思路如下：测定NFC读卡器端场强，采用匹配频率合适的线圈进行一次采集，线圈置于卡槽背面避免干扰，在NFC天线端经过整流稳压电路稳定电压值，与芯片电路板连接来对可充电电池进行充电。该技术方案可提高防丢器使用时间，有效解决续航时间短的问题。该技术在传统防丢器中是无法应用的，传统防丢器的供电寿命有一定的限制，NFC技术可以在用户刷卡的时候自动收集能量将其转化为电能，产品的寿命对于防丢设备是至关重要的，因此该技术的应用可大大提高防丢器的性能。

（2）蓝牙程序原理。连接程序由ARM公司提供，通过蓝牙连接协议连接其他蓝牙设备。通过检测信号失真率检测显示。在信号过低或断开连接时会驱动蜂鸣器进行报警。

3    整体外形架构

本防丢卡套包括：卡套主体1和设在卡套主体1上的防丢器3，卡套主体1设有一个开口端2;防丢器3包括：由电路连接的蓝牙4.0模块、蜂鸣器、开关和电源。卡套主体1内部的两侧设有弹性钢片，用于夹紧卡套主体1内的卡片。弹性钢片和卡套主体1之间设有海绵。卡套主体1采用单孔空腔结构，卡由开口端2插入卡套，最多可插入5张卡片，卡套主体1内部两侧可以安插着弹性钢片，弹性钢片中部贴着小片海绵，用于夹紧卡片防止其滑出。卡套主体1的一侧设有与人手指宽度对应的槽口4。使用者可以用手指从槽口4将卡片滑出。防丢器3以可拆卸连接的方式设在卡套主体1的一侧，内部装有防丢器的电路元件，被设计为卡通动物的形状，使卡套整体更为美观，且底部设有能与卡套配合的卡扣，此设计不但可以使得防丢器安装在卡套上与其配合使用，而且可以单独作为防丢器使用。本防丢卡套的正面结构示意如图1所示，背面结构示意如图2所示。

4    结语

（1）本防丢卡套采用自锁设计，插卡牢固，取卡方便，且巧妙地将卡套和防丢器进行可拆卸式设计，防丟器和装饰融为一体。防丢器可以拆卸单独使用，兼具装饰功能。卡套本身可以单独起收纳作用，也可组合成防丢卡套使用。

（2）本防丢卡套选择nRF51822芯片，经过多次实验、功能、价格的横纵对比发现其功能、价格与功耗综合来看最佳。除了芯片本身具有低功耗功能外，为了进一步提高产品的续航能力，卡套中具有大量线圈缠绕，采用NFC即“近场通信”，也叫“近距离无线通信”能量收集技术，防丢器和卡套组合使用可以在用户刷卡的时候自动收集能量并将其转化为电能，大大延长产品的续航时间，同时延长产品的使用寿命。

（3）本防丢卡套可以有两种工作模式：一种普通模式，一种Beacon广播模式。两种模式功耗和功能都有不同。普通模式耗能少，具有双相寻物以及防丢功能。Beacon广播模式除了普通模式的功能外，还有定位和自定义广播功能，功耗相对增加。

[参考文献]

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[2]陈菁，李昱钊.基于Android平台的智能蓝牙防丢器的设计[J].数字技术与应用，2018（36）：205-206，208，337.

[3]阚力丰，郭明明，韩洋，等.基于蓝牙技术的双向防丢器的研究与设计[J].电子制作，2014（15）：17-18.

[4]张相飞，周芝梅，王永刚，等.NFC技术原理及应用[J].科技风，2019（5）：75-76，81.

Abstract：This paper relates to the technical field of daily necessities， and specifically discusses a kind of anti loss card cover， including the card cover main body and the anti loss device set on the card cover main body. The card cover main body is provided with an opening end. The anti loss device includes the Bluetooth 4.0 module， buzzer， switch and power supply connected by the circuit. The function of the intelligent anti loss device is combined with the traditional one， and the function of the anti loss device and the function of the portable positioner can be realized according to the different needs of users. At the same time， the anti loss card cover has ultra-low power consumption， standby time of up to 3～5 months， and has new functions such as NFC energy collection function， which can effectively extend the battery life without frequent battery replacement， energy conservation and environmental protection， strong practicability， and provides technical support for the research of anti loss device.

Key words：anti dropping card sleeve; Bluetooth low energy; near field communication