基于蓝牙指纹定位的智能钥匙扣设计

王雨佳， 吴逸豪， 张 辉

(北京工业大学 信息学部，北京 100124 )

0 引 言

“找钥匙”在日常生活中几乎是困扰每个人的小问题，虽然不会严重影响生活，但确实给人们带来了不小的麻烦。目前市面上智能钥匙扣并不多见，且大多数智能钥匙扣用户体验感不佳。现存的智能钥匙扣大多存在一些问题如操作并不便捷，需要单独下载App安装后才可使用；使用过程中出现“断连”现象，导致智能钥匙扣的功能无法实现；没有充电功能，需要定期购买电池进行更换；定位不准确，手机内置地图上显示智能钥匙扣的位置与实际位置相差较大；功能比较单一，仅有查找钥匙扣的功能；外观过于笨重，没有设计感。

因此，针对这些问题，构思设计了一种基于蓝牙指纹定位的智能钥匙扣，实现了手机控制终端操作便捷、钥匙扣精确定位、蓝牙稳定连接、充电以及近场通信(near field communication，NFC)代替门禁卡等功能。同时选用尽可能小的元件，使智能钥匙扣的体型较小，满足大众的审美需求。

1 整体设计

智能钥匙扣的主要功能如下：位置查询、铃声提醒、电量提醒、一键报警、门禁功能。智能钥匙扣的核心模块采用STM32L151C8T6芯片，使用锂电池进行供电。STM32通过GPS模块，获取钥匙扣当前的位置信息，在使用过程中将钥匙扣的精确位置通过手机反馈给用户，同时可配合铃声功能对钥匙扣进行更快速定位[1]。系统框图如图1所示。

图1 系统框图

2 硬件电路设计

硬件电路部分主要分为电源模块、GPS模块、蓝牙模块、NFC模块、核心模块。

2.1 电源模块

钥匙扣主芯片选取STM32L151C8T6，其工作电压为1.65～3.6 V，因此，需要选取稳压器保证电池提供的电压稳定在其工作范围内。选用SPX1117三端稳压器将电池电压稳定在3.3 V左右。而且，在电源模块中设有两个稳压器，其中一个为单片机供电，另一个为外部设备供电，防止射频信号与被干扰。供电模块电路图如图2所示。

图2 供电模块电路

充电部分支持有线充电和无线充电两种方式。有线充电部分采用TP4054作为电源管理芯片，在钥匙扣背面嵌入两个金属触点作为充电接口，在充电时插头将与触点通过磁铁吸合。无线充电功能选取IDT—P9222—R作为该部分的芯片。无线充电是未来电子产品的发展趋势，也可以提高用户的体验感。在充电过程中，智能钥匙扣外部的白色指示灯点亮，提示正在充电。充电结束后熄灭。

2.2 GPS模块

GPS模块选用SKG08A，其具有超小尺寸及低功耗的特点，符合智能钥匙扣的设计理念。SKG08A是一个完整的GPS模块,具有高敏感性、超低功耗和小尺寸的特点而被广泛应用。它是基于高性能的单片机架构,其-162 dBm跟踪灵敏度使其能在以前的GPS模块不能定位的城市峡谷和茂盛的树荫这样的环境中定位，使得智能钥匙扣在任何角落都能被找到。

GPS模块在智能钥匙扣中主要实现的功能是提供钥匙扣的精确位置，并且在手机的内置地图App中显示其位置。在正常工作时，GPS模块将通过蓝牙模块将实时的位置信息发送到手机上，一旦蓝牙断开连接，手机App将自动锁定其最后一次握手时出现的位置。用户可以通过地图上显示的精确位置找到钥匙扣，使用户实现其最重要的查找功能[2,3]。GPS模块电路图如图3所示。

图3 GPS模块电路

2.3 蓝牙模块

MS50SF6有一个ARM内核Cortex—M4F的RF收发器，该蓝牙模块支持远程应用，采用蓝牙低功耗兼容技术，带屏蔽罩，精确的接收信号强度指示(received signal strength indication,RSSI)，可用于室内定位。钥匙扣与手机较远时保持连接，避免断连，使用户体验感达到最佳，符合智能钥匙扣与在较远距离时仍然能够实现查找功能的设计要求。

蓝牙模块的主要功能是使智能钥匙扣与用户的手机进行连接，在手机上对智能钥匙扣进行操作，实现其查找的功能，并且实现基本的室内定位功能。为了满足钥匙扣与手机通过蓝牙连接实现其主要功能，且保证钥匙扣的体积较小，选用小尺寸MS50SF6蓝牙模块。

智能钥匙扣中运用了室内蓝牙定位技术以便于使用者使用手机寻找钥匙扣的大致位置。手机App上会以雷达图的形式显示出钥匙扣与手机之间的距离、方位。蓝牙测距方法通过RSSI计算距离，使用最小乘迭代算法[4,5]。其基本公式为

RSSI=-10nlogd-S0

式中RSSI为接收到的信号强度，n为信号受环境影响的衰减程度系数，S0为发射器与接收器相距1 m时的信号强度。考虑到实际应用环境的复杂程度，在蓝牙定位功能投入使用之前大量进行测试以进行校准[6,7]。

2.4 NFC模块

NFC模块选用M24LR64E—R，该芯片有I2C接口以及非接触式接口，数字输出引脚，能量收集等主要特性。在单一芯片上集成了非接触式读卡，非接触智能卡和点对点的功能，在本系统的设计中主要实现读写功能[8]。该芯片体积较小，符合钥匙扣外观的设计要求。

NFC模块的主要功能分为两部分。可通过手机上对应的操作启用NFC模块的读取功能，对门禁卡开始“复制”，此时手机操作页面将提示正在进行复制操作，当NFC模块复制完成后手机操作页面将提示用户复制工作已完成，这时钥匙扣就可以代替门禁卡，开启门禁。实现钥匙扣和门禁卡“二合一”。另一方面，也可通过NFC的方式实现手机与钥匙扣之间的通信，例如辅助进行蓝牙连接而无需在手机上手动扫描蓝牙设备[9]。NFC模块电路图如图4所示。

图4 NFC模块电路

2.5 核心模块

核心模块以STM32L151C8T6为控制芯片，STM32L系列具有超低功耗的特点，STM32L系列产品基于超低功耗的ARMCortex—M3处理器内核，采用意法半导体独有的两大节能技术：130 nm专用低泄漏电流制造工艺和优化的节能架构，提供业界领先的节能性能[10]。其低功耗的特性及芯片的体积符合智能钥匙扣的设计初衷。

核心模块中包含一键报警模块、铃声模块以及电量提醒模块。一键报警模块中包含蜂鸣警报器，用户通过钥匙扣的外部按键可以实现“一键报警”功能发出警报声，在危机时刻可以引起他人的注意，为老人和孩子提供安全保障[11]。当查找智能钥匙扣位置时，可以配合GPS在手机上显示其定位的功能选择铃声提醒，更快速找到智能钥匙扣。同时，该模块会提示用户智能钥匙扣的电量，钥匙扣外部的指示灯在电量低于5 %时会亮起红色，提示用户及时充电，同时在智能钥匙扣连接手机后，会在手机上显示其剩余的具体电量，提示用户充电。核心模块电路图如图5所示。

图5 核心模块电路

3 软件部分设计

智能钥匙扣的硬件部分基于Keil平台进行开发，通过硬件编程实现其位置查询、铃声提醒、电量提醒、一键报警、门禁等功能。

软件部分分别为iOS系统和Android系统开发，基于现有的安卓系统上的“米家”等智能家居App，iOS系统中的“家庭”智能家居App进行开发，避免用户需要单独下载App，使智能钥匙扣的操作更加便捷[12]。后台数据库使用MySQL。

系统在初次使用时无需注册，可使用AppleID或者Android系统上已注册的ID。用户打开手机上的客户端App并开启蓝牙，使用手机NFC天线的位置触碰钥匙扣以建立连接，并绑定。完成后，可以为钥匙扣修改名称。此时，在地图上就可显示钥匙扣所在的位置，可以通过软件上的对应操作测试钥匙扣的主要功能。初次连接成功后，以后使用无需再次连接，只需打开蓝牙，钥匙扣便会与手机自动配对，并在手机系统上提示已连接的对应图标。

智能钥匙扣与手机连接时将处于正常工作模式，当钥匙扣与手机断开蓝牙连接后将处于低功耗模式，降低功耗，延长使用时间[13,14]。断开后手机App上将自动锁定最后一次连接时的位置，通过手机网络发送到服务器上。

4 系统测试

针对完整的智能钥匙扣系统在STM32开发板上完成测试，测试内容包括系统初始化、蓝牙连接、GPS定位等情形。测试结果如表1所示。

表1 防丢钥匙扣可靠性测试

测试结果表明，防丢钥匙扣能够正常与手机建立连接，并发送正确的定位信息。排除外部信号干扰和信号质量不佳等原因，蓝牙定位功能正常运作。在钥匙扣与手机连接时，可正常通过手机遥控钥匙扣发出声响。

5 结束语

本文基于STM32芯片、NFC、蓝牙定位等技术设计了智能钥匙扣，其具有位置查询、一键报警、门禁等功能。智能钥匙扣的诞生主要是为了帮助用户追踪定位钥匙的精确位置，大大减少了人们在寻找钥匙时所花费的时间和精力，避免因钥匙丢失而带来的损失和不必要的麻烦，甚至在一定程度上减少盗窃事件的发生。同时配合一键报警、门禁等功能，提升人们生活的舒适度与方便度。