基于嵌入式STM32的背包防盗系统设计

秦立静，段奇凯，朱美芬，王瑞鹏，高 程，刘 欢

（甘肃农业大学 信息科学技术学院，甘肃 兰州 730000）

0 引 言

背包是人们日常生活中必不可少的东西，其可以随身携带一些出行必备的物品，给人们提供了很大的便利。然而，丢失背包和背包失窃的事情时有发生。背包通常情况下背在人身后，人们无法随时看到自己的背包，绝大多数的背包失窃就是因为这个原因。

本项目针对丢失背包和背包失窃这一热议话题 ，设计了一种基于嵌入式STM32的防盗背包。实验表明，该防盗系统可以较好的处理背包丢失和背包失窃问题，并且通过警报提醒用户。

1 设计方案

1.1 总体设计

本系统由射频识别技术（Radio Frequency Identification,RFID）、STM32单片机、TTS报警器等组成，系统拓扑结构如图1所示。

图1 系统拓扑结构

RFID是自动识别技术的一种，通过无线射频方式进行非接触双向数据通信，利用无线射频方式对记录媒体（电子标签或射频卡）进行读/写，达到识别目标和数据交换的目的。RFID通过无线电波不接触快速信息交换和存储技术，通过无线通信结合数据访问技术，然后将其连接至数据库系统，并实现非接触式的双向通信，从而达到了识别的目的。RFID用于板块之间的数据交换，串联起一个极其复杂的系统[1]。RFID有着方便快捷、识别速度快、数据容量大、使用寿命长、标签数据可动态更改、较条码而言具有更好的安全性、动态实时通信等的优点[2]。Curtin（2007）提出RFID技术具有机动性、组织性、系统性、技术性等特征，RFID使装备其标签的物体变得智能，且与信息系统进行实时交流，这些特征使该技术得到极大关注，且被认为将带来下一次信息技术革命[3]。本项目通过RFID读卡器读取的信息，判断RFID卡是否存在，若卡存在，说明背包依旧在，若卡不存在，则说明背包已丢失。

通过STM32单片机控制RFID读卡器对RFID卡的读取，若卡不存在，再次通过单片机将信息传输到TTS报警器。

文本到语音（Text to Speech, TTS）在内置芯片的支持之下，通过神经网络的设计，把文字智能地转化为自然语音流。这个处理过程为：首先对文本内容进行分析；然后调用语音合成引擎，调用语音库，合成语音；最后通过扬声器播放语音[4]。本文采用TTS技术对文本文件进行实时转换，转换时间之短可以以秒计算。

TTS接收来自STM32单片机的信息，若信息中RFID卡存在，则不报警，反之，则进行报警，提醒使用者背包丢失。

1.2 系统优势

本设计所使用的STM32单片机相比较于其他系列来说，具有以下几点优势：

（1）与51系列单片机相比，STM32采用当前移动端广泛使用的ARM构架，有着较低的功耗和较为成熟的技术，运算速度是51单片机的几十倍，且外围接口功能比51系列强大太多。

（2）与MSP430相比，STM32可以进行位操作，并且其程序都是模块化的，接口的使用更为方便简单，学习难度小。处理运算时，STM32的速度略快于MSP430，做浮点运算时，速度更是远快于MSP430，在需要复杂运算的环境中，STM32的优势极大。

（3）与其他8/16位单片机相比，STM32内存更大、处理速度快，可开发潜力也更大。

1.3 性能要求

针对此款防盗背包系统的特性，本文在设计防盗背包系统的过程中充分考虑了以下性能需求：

（1）稳定性。作为防盗背包系统，保证其正常工作非常重要，系统运行的稳定程度，是判断此防盗背包系统优良性能的一个重要指标。

（2）实时性。防盗背包系统最为重要的一点是实时性。背包丢失时，使用者应在第一时间接收到系统的反馈，发现背包丢失，因此其响应时间应控制在1 s以内。

（3）易携带性。防盗背包系统是一种嵌入背包内部的系统，应当简单易携带质量小。

（4）准确性。防盗背包系统为使用者提供安全保障，须保证背包丢失时使用者第一时间得知，且不允许出任何错误。

（5）易操作性。防盗背包适用于各个年龄阶段的人，使用者只需将该系统放入背包内部，就可起到防盗的作用。

2 硬件架构

2.1 总体设计理念

本系统是通过将RFID卡放入背包中实现防盗。因此，需要在STM32单片机的控制下，在源代码中编写RFID读卡器对RFID卡的循环读取代码，由单片机识别读取信息。若信息中显示RFID读卡器显示“BAG EXIST”，说明卡仍然在背包没有丢失，TTS语音报警器不会响应报警；若读卡器读取到的信息显示“BAG LOST”，说明RFID卡不在背包已丢失，从而单片机控制TTS语音报警进行报警提醒。

2.2 STM32模块

STM32F103单片机是基于ARM的32位通用增强型微控制器，支持实时仿真和跟踪[5]。STM32F103单片机当下最流行的单片机之一，其广泛地运用于各种智能设计以及各种嵌入式开发。该控制器实时性能好、功耗低、数据处理能力强和集成整合能力强大，并且易于开发。在STM32单片机中，采用了ARM较为先进架构的内核，其实时性能和功耗控制等方面都较为优良，能够最大限度地进行整合与集成，同时便于开发，能够使产品更快速的进入市场[6]。

2.3 TTS语音模快

TTS文字转语音用途很广，比如电子邮件、手机短信的阅读、以及人工智能方面的应用等。在本项目中TTS语音模块主要通过接收单片机所传输的信息，对所接收的信息进行数据分析、判断。如果背包未丢失，则不发出警报，同时将此信息返回单片机；反之，则发出警报，提醒用户。

2.4 RFID模块

RFID射频识别技术，是一种非接触式的自动识别技术，包括RFID读卡器和RFID卡两部分[7]。RFID读卡器是一种能自动阅读电子标签数据的识别设备。RFID卡是一个储存相关数据的射频识别卡，当与RFID读卡器距离达到检测距离时，RFID读卡器就会自动读取RFID卡中所包含的信息，数据。如果距离超出检测范围，则读卡器会自己返回相关数据，单片机接收到后会对数据进行分析，以此来判断RFID卡是否存在。而RFID模块工作频率大概为13.56 MHz，该频率的波长大概为22 m。除了金属材料外，该频率的波长可以直接穿过液体等大多数的材料。因此对于本项目而言，波长足够穿过背包材料，同而增强了此项目的反应敏捷性，以及提高了此项目的抗干扰能力。但是现有的RFID读卡器在大规模的移动应用中仍存在着一些不足。例如处理速度较慢，人机交互不够友好，成本较高，不能方便与上位机进行通信等[8]。

3 软件系统

本文在完善的硬件系统的基础上，利用Keil μVision 5开发环境，使用C语言编写应用程序。

3.1 系统的主程序设计

首先为硬件系统通电，并且连接至计算机，打开串口1和串口4。接下来观察计算机串口1和串口4发送的数据和接受的数据是否异常。若异常，则重新调试串口和接线；若正常，串口1返回数据的第四位为“00”。此时未放置卡片，串口1返回的数据为“bag lost”；此时将卡片放置在RFID模块上，观察返回数据：串口1返回的数据第四位为“01”，并且串口4返回的数据为“bag exist”，说明背包丢失。具体步骤如下所示：

（1）连接硬件系统至计算机并为整个系统通电；

（2）打开串口1和串口4；

（3）检测连接是否异常；

（4）通过放置卡片和不放置卡片返回的数据判断背包是否丢失。

软件系统流程如图2所示。

图2 软件系统流程

3.2 程序优越性

该程序通过简单的硬件连接和两个串口的发送、接收数据来判断背包是否丢失。系统简单易操作，且在程序的设计上采用了多种C语言模式构成的一种独特的防盗系统，使用者只需在背包中装入RFID识别卡，就可以轻松的解决背包被盗的问题。

4 结 语

本文设计了一种基于STM32的防盗背包。该背包由RFID识别器、STM32单片机和TTS报警器三部分构成。实验表明，该系统简单易操作、易于维护，系统的整体性能稳定可靠，可最大限度地满足人们对便携性和安全性的需要，有着广阔的市场前景。该系统不仅可以用于背包，稍作修改，还可以扩展到各式各样的包。