胡艷茹

（寧夏師范學(xué)院 物理與電子信息工程學(xué)院，寧夏 固原 756000）

0 引 言

針對(duì)時(shí)常困擾人們的尋找日常生活用品的問(wèn)題，已有人嘗試采用貼標(biāo)簽、射頻識(shí)別等方法來(lái)解決[1-2]。市面上也出現(xiàn)了一些智能防丟器，但大多存在一些問(wèn)題，如：操作上必須單獨(dú)下載安裝APP 后才能使用；使用中常發(fā)生連接不上，無(wú)法準(zhǔn)確定位的現(xiàn)象；耗電量高、定位效果不好和效率低下等[3]。本文根據(jù)STM32 單片機(jī)控制技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于藍(lán)牙連接，利用RSSI 算法準(zhǔn)確定位，能夠代替門(mén)禁卡的智能防丟器。防丟器的體型小巧，方便攜帶，手機(jī)端操作簡(jiǎn)便，能夠真正地為人們提供便利[4-5]。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

智能防丟器采用STM32F103C8T6 作為主控芯片，通過(guò)2 顆3 V 鋰電池提供電源。實(shí)現(xiàn)的主要功能有：日常生活用品定位、聲光報(bào)警、門(mén)禁。圖1 是智能防丟器系統(tǒng)電路。

圖1 智能防丟器系統(tǒng)電路

2 硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路主要由電源模塊、RFID 模塊、藍(lán)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(hào)為STM32F103C8T6，由于其工作電壓為1.65 ～3.6 V，則選用AMS1117-3.3 穩(wěn)壓器，將電路電壓穩(wěn)定在3.3 V 左右[6]。電源轉(zhuǎn)換電路如圖2 所示。

圖2 電源轉(zhuǎn)換電路

2.2 藍(lán)牙模塊

本系統(tǒng)所選用的藍(lán)牙串口通信模塊是PW02 模塊，基于藍(lán)牙BLE5.0 協(xié)議架構(gòu)，封裝僅為6.8 mm×9.6 mm；功耗全部在毫安級(jí)以?xún)?nèi)，600 ms 廣播周期待機(jī)最高平均功耗僅為23 μA，全速傳輸時(shí)功耗僅為619 μA[7-8]。相比其他公司的藍(lán)牙模塊傳輸時(shí)的10 mA 功耗，PW02 功耗僅為它們的1/16。圖3 是PW02 藍(lán)牙串口通信模塊的實(shí)物圖，模塊尺寸比直徑為1.05 cm 的硬幣小很多。

圖3 PW02 藍(lán)牙串口通信模塊的實(shí)物圖

藍(lán)牙模塊采用的RSSI 算法主要是接收信號(hào)強(qiáng)度表示法。首先確定發(fā)射端的發(fā)射功率，并對(duì)接收端接收到的RSSI 數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)；再對(duì)接收器和接收器的距離進(jìn)行測(cè)量[9]。在此基礎(chǔ)上利用接收到的信號(hào)強(qiáng)度信息，求出接收器與發(fā)射端之間的距離，并利用三角重心方法求解被測(cè)點(diǎn)的位置，如圖4 所示。

圖4 RSSI 方法

藍(lán)牙測(cè)距方法主要是通過(guò)RSSI 和最小二乘迭代算法進(jìn)行計(jì)算，其基本公式為：

式中：RSSI 為接收到的信號(hào)強(qiáng)度；d為信號(hào)受環(huán)境影響的衰減程度系數(shù)；S0為發(fā)射器與接收器相距1 m 時(shí)的信號(hào)強(qiáng)度?？紤]到實(shí)際應(yīng)用環(huán)境的復(fù)雜程度，在藍(lán)牙定位功能投入使用之前進(jìn)行大量測(cè)試以進(jìn)行校準(zhǔn)[10]。設(shè)計(jì)中藍(lán)牙模塊P02 引腳連接MCU 模塊I/O1，復(fù)位RESET 引腳連接MCU 模塊I/O2，P05、P06 引腳分別為藍(lán)牙模塊收發(fā)信息引腳，需要與主控模塊TX、RX 引腳對(duì)應(yīng)連接；P03 引腳必須要接高電平，整個(gè)藍(lán)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(biāo)簽”，是一種非接觸的信息訪問(wèn)技術(shù)，是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的一個(gè)重要組成部分。射頻識(shí)別技術(shù)是通過(guò)無(wú)線通信來(lái)讀出被測(cè)對(duì)象所攜帶的信息[11]。RFID 是一種典型的電子標(biāo)簽、讀卡器和應(yīng)用軟件，其工作流程是首先通過(guò)讀卡機(jī)生成射頻磁場(chǎng)，然后通過(guò)天線發(fā)射出去。當(dāng)日常生活用品被放入讀卡機(jī)所產(chǎn)生的射頻場(chǎng)中，它就會(huì)得到工作所需要的電能，并產(chǎn)生一個(gè)工作電壓，然后激活電子標(biāo)簽，使其工作起來(lái)。電子標(biāo)簽接收到工作電能后，對(duì)自己內(nèi)存中的資料進(jìn)行調(diào)制，然后通過(guò)天線傳送到卡片閱讀機(jī)[12]。在收到電子標(biāo)簽所傳送的資料后，該資料被傳送到微處理器進(jìn)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(shè)計(jì)采用無(wú)源RFID，它是最早、最成熟、應(yīng)用最廣的一種RFID 產(chǎn)品。它是利用無(wú)線射頻識(shí)別裝置接收到微波信號(hào)，并利用電磁感應(yīng)線圈獲得電能，實(shí)現(xiàn)信息交流。由于省去了電力供應(yīng)，因此無(wú)源RFID 的體積可達(dá)毫米級(jí)或以下，其本身構(gòu)造簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉、故障率低、壽命長(zhǎng)。

2.4 核心電路模塊

本設(shè)計(jì)的核心處理器使用STM32 系列的STM32F103C8T6。它是內(nèi)核為32 位的ARM?Cortex?-M3 微處理器芯片，代碼效率高，配置的外設(shè)接口數(shù)量較多，并且集成度高、功能強(qiáng)、實(shí)時(shí)性良好、性?xún)r(jià)比高，常用于智能家居和智能設(shè)備上[13]。主控芯片通過(guò)采集藍(lán)牙定位信號(hào)找尋防丟器，發(fā)出聲光信號(hào)；當(dāng)有日常生活用品丟失情況發(fā)生時(shí)，也會(huì)通過(guò)燈光閃爍加蜂鳴器報(bào)警的方式提醒用戶(hù)，利用RFID 模塊還能夠?qū)崿F(xiàn)門(mén)禁功能，用戶(hù)入戶(hù)通過(guò)刷卡開(kāi)門(mén)。實(shí)物搭建的具體材料、數(shù)量及規(guī)格見(jiàn)表1所列。

表1 實(shí)物搭建材料

3 軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的軟件程序部分是通過(guò)Keil 公司開(kāi)發(fā)的MDK 軟件來(lái)完成的，Keil 擁有強(qiáng)大的代碼編譯器、宏匯編、鏈接器、庫(kù)管理以及一個(gè)強(qiáng)大的模擬調(diào)試器，利用μVision 把它們結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)了一套完整的聯(lián)機(jī)模擬調(diào)試。通過(guò)軟體或軟體的模擬，可以較快地進(jìn)行模擬和調(diào)試。本設(shè)計(jì)采用了Keil μVision5 的開(kāi)發(fā)環(huán)境，可以極大地減少開(kāi)發(fā)時(shí)間，使程序的開(kāi)發(fā)速度更快、更有效率[14-15]。

3.1 系統(tǒng)整體工作流程

系統(tǒng)首先進(jìn)行初始化，然后MCU 采集距離數(shù)據(jù)，藍(lán)牙連接主控芯片后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)定位。圖6 是本系統(tǒng)的軟件流程。

圖6 系統(tǒng)的軟件流程

3.2 藍(lán)牙串口通信設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)選取PW02 模塊作為藍(lán)牙通信模塊，通過(guò)串口與STM32 的USART3 進(jìn)行通信，完成數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。當(dāng)藍(lán)牙連接成功時(shí)，指示燈常亮藍(lán)色；STM32 對(duì)防丟器與手機(jī)所處距離進(jìn)行判斷，如果大于1 m，防丟器進(jìn)行聲光報(bào)警，提醒用戶(hù)。藍(lán)牙模塊工作流程如圖7 所示。

圖7 藍(lán)牙模塊工作流程

STM32 與藍(lán)牙模塊進(jìn)行通信時(shí)，先配置中斷收發(fā)器的I/O 口，將USART3 中的TX 引腳設(shè)置為推挽輸出模式，同時(shí)將引腳輸出時(shí)鐘頻率設(shè)為50 MHz，將RX 引腳設(shè)置為推挽浮空輸入模式，此處不需要設(shè)置切換速率。本系統(tǒng)中的波特率一致配置成9 600 b/s，并且藍(lán)牙模塊的波特率也是9 600 b/s，兩者的配置應(yīng)當(dāng)相同，這是很重要的一點(diǎn)，否則后續(xù)無(wú)法進(jìn)行正常的通信。此外還需要在幀結(jié)尾傳輸1 個(gè)停止位，設(shè)置為無(wú)奇偶校驗(yàn)位，接著打開(kāi)使能串口1 的中斷，驅(qū)動(dòng)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(huì)顯示“讀卡成功”字樣。

圖8 RFID 模塊通信流程

4 系統(tǒng)測(cè)試

將程序經(jīng)燒錄軟件下載至成型硬件電路中，并進(jìn)行調(diào)試。調(diào)試完成后對(duì)電路板進(jìn)行固定并美化成品，實(shí)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(duì)完整的智能防丟器系統(tǒng)進(jìn)行功能測(cè)試，藍(lán)牙模塊測(cè)試內(nèi)容包括藍(lán)牙連接、響鈴情況、燈光閃爍情況。藍(lán)牙連接完成后藍(lán)色燈光會(huì)閃爍，指示藍(lán)牙已經(jīng)連接，如圖10 所示代表藍(lán)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(yīng)區(qū)，收集得到完整的數(shù)據(jù)信息后，OLED 屏幕上就會(huì)顯示刷卡成功，如圖12 所示。如果沒(méi)有顯示，則可能原因?yàn)椋海?）防丟器離傳感器距離過(guò)遠(yuǎn)；（2）硬件發(fā)生故障。

圖12 RFID 模塊刷卡成功顯示

5 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的基于STM32 的智能防丟器，可以通過(guò)采集藍(lán)牙定位信息找尋防丟器，當(dāng)人與物品距離超過(guò)1 m 時(shí)，蜂鳴器會(huì)發(fā)出聲音，模塊會(huì)閃爍紅色燈光，提醒用戶(hù)防丟器丟失。另外，還可以通過(guò)RFID 模塊實(shí)現(xiàn)刷卡，當(dāng)防丟器未接觸到模塊時(shí)，屏幕顯示讀卡器；當(dāng)防丟器接觸到模塊時(shí)，顯示刷卡成功。防丟器小巧輕便，可輕松放入錢(qián)包、卡包等隨身小包中，隨時(shí)隨地追蹤需要查找的物品，基于近距離定位技術(shù)快速找回失物。