孫邦彥　劉冬冬　陳柱江　張婷

【摘 要】本項(xiàng)目所研制的系統(tǒng)以單片機(jī)MSP430為主控芯片，利用相關(guān)的傳感器技術(shù)，采用RFID電子標(biāo)簽以及射頻識(shí)別技術(shù)，在書(shū)包內(nèi)部裝有相應(yīng)頻段的讀卡器，通過(guò)藍(lán)牙技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在智能終端獲取書(shū)包信息的功能。結(jié)合創(chuàng)新思想，各傳感器之間相輔相成，彌補(bǔ)了現(xiàn)有書(shū)包的缺陷，達(dá)到親民化、智能化。

【關(guān)鍵詞】傳感控制技術(shù)；射頻識(shí)別；智能化；藍(lán)牙模塊

A Design of Intelligent Bag based on RFID Electronic Tag

SUN Bang-yan LIU Dong-dong CHEN Zhu-jiang ZHANG Ting

（Southeast University Chengxian College，Nanjing Jiangsu 210000，China）

【Abstract】The project which system developed by the MSP430 MCU as the main control chip， mostly uses the RFID electronic tag and radio frequency identification technology. It uses blue-tooth technology to realize the function of obtaining information in intelligent terminal， via the corresponding-frequency card reader in the bag. Meanwhile， this design combines a variety of sensor technologies and integrates them as a whole， which could make up the defects of the existing bags to realize man-of-the-people and intelligent indeed.

【Key words】Sensor control technology；Radio frequency identification；Intelligent；Blue-tooth module

1 作品介紹

1.1 作品背景

目前，背包這一事物，在物聯(lián)網(wǎng)日益普及的趨勢(shì)下并未誕生多少智能化的產(chǎn)物，少數(shù)作品也是走的精英路線，售價(jià)高昂。2014年香港研發(fā)出了一款智能書(shū)包，其配備了平板電腦、攝錄鏡頭、智能手帶，旨在培養(yǎng)學(xué)生養(yǎng)成收拾書(shū)包的習(xí)慣，讓家長(zhǎng)隨時(shí)知悉子女所在位置，目前還未投產(chǎn)，預(yù)計(jì)價(jià)格2000余元；2015年美國(guó)一開(kāi)發(fā)團(tuán)推出了一款公文包，其配有安全功能、數(shù)字存儲(chǔ)選項(xiàng)、GPS追蹤、藍(lán)牙揚(yáng)聲器、內(nèi)部照明燈，兼容IOS和Android，目前已經(jīng)面世，零售價(jià)為599美元。因此，較之這些市面上鮮少存在的智能書(shū)包，我們的項(xiàng)目可謂新穎而實(shí)用。

1.2 作品設(shè)計(jì)目的

背包，對(duì)于廣大社會(huì)群眾來(lái)說(shuō)，早已成為了生活必需品，是與自己朝夕相處的伙伴。但很多時(shí)候，由于這位貼身伙伴自身的原因，它也會(huì)給人們帶來(lái)不少困擾。相信很多人都有著這樣的經(jīng)歷：早上急匆匆地出門，好不容易到了目的地，卻發(fā)現(xiàn)自己把重要的東西忘在了家里。或是一時(shí)疏忽，忘記將背包的拉鏈拉上。結(jié)果包里的物件在公共場(chǎng)合散落一地，令人難堪。也有些時(shí)候，因?yàn)樾枰瑫?shū)包里不得不放上很多東西，但是因?yàn)闀?shū)包本身的局限性，長(zhǎng)此以往，就造成了年輕人骨骼的不健康發(fā)育，中老年人不堪重負(fù)。以上幾種情景，均是由于當(dāng)前背包的設(shè)計(jì)存在著缺陷與不足，不夠人性化而導(dǎo)致的。因此，設(shè)計(jì)一款足夠智能化的背包是有必要的。

1.3 作品特色概述

相較于世面上的書(shū)包，我們的設(shè)計(jì)更加智能化、人性化，且新穎且實(shí)用。它主要有以下特點(diǎn)：

（1）健康：該書(shū)包能夠檢測(cè)你所攜帶的東西是否超重，當(dāng)超出了你所能承受的重量范圍的話，書(shū)包會(huì)通過(guò)智能終端進(jìn)行提醒，一旦提醒超重，可自行手動(dòng)將肩帶拉開(kāi)。當(dāng)下，學(xué)生書(shū)包里書(shū)本的數(shù)量越來(lái)越多，書(shū)包的重量也與日俱增。為了避免影響身體發(fā)育，我們?cè)O(shè)計(jì)了書(shū)包的超重提醒系統(tǒng)，它能讓你的骨骼健康生長(zhǎng)。

（2）安全：如今，低頭一族隨處可見(jiàn)。因此，能夠檢測(cè)前方道路并提醒的功能可以有效地保障你的人身安全。除此之外，當(dāng)書(shū)包拉鏈沒(méi)拉上的時(shí)候它也會(huì)發(fā)出提醒，避免了疏忽大意忘記拉上拉鏈或是遭遇小偷的窘?jīng)r，保障了你的財(cái)產(chǎn)安全。

（3）高效：通過(guò)錄入的備忘系統(tǒng)，在書(shū)包中放入物品時(shí)，讀卡器會(huì)自動(dòng)識(shí)別你所帶物件，并自行進(jìn)行比對(duì)，當(dāng)發(fā)生缺漏時(shí)，通過(guò)手機(jī)終端發(fā)出提醒，提高行事效率。

2 系統(tǒng)方案

書(shū)包分為以下幾個(gè)部分：

主控芯片：MSP430f149

電源設(shè)計(jì)：繼電器、12V電池盒

射頻識(shí)別：13.56MHz高頻電子標(biāo)簽、RFID讀卡器

避障部分：超聲波測(cè)距傳感器、人體紅外傳感器

安全防范：紅外對(duì)管

稱重系統(tǒng)：壓力傳感器、全橋應(yīng)變片

智能終端：藍(lán)牙4.0模塊、手機(jī)app

系統(tǒng)框圖1如下：

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 CPU模塊

由于整體機(jī)械結(jié)構(gòu)以及控制的要求，我們采用MSP430這款超低功耗單片機(jī)作為主控芯片，降低我們的系統(tǒng)功耗，而且內(nèi)部資源豐富，處理速度快，能夠提供多路的PWM控制信號(hào)[1]。其工作電壓為1.8V-3.6V；采用16位精簡(jiǎn)指令結(jié)構(gòu)（RISC），只有27條核心指令，8MHz時(shí)鐘頻率指令速度可達(dá)8M/s，大多數(shù)指令1個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成；片內(nèi)寄存器數(shù)量多，存儲(chǔ)器可以實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)算；MSP430f149有較多的中斷源，且相互之間可以嵌套，當(dāng)系統(tǒng)處于省電狀態(tài)，用中斷請(qǐng)求喚醒只需6μs；它還具有豐富的片上圍模塊，如看門狗（WDT）、模擬比較器A、定時(shí)器A、定時(shí)器B、串口0和1、硬件乘法器及A/D轉(zhuǎn)換等，在目前所有單片機(jī)系列產(chǎn)品中顯尤為突出，便于方案的解決。其中，12位A/D轉(zhuǎn)換器帶有內(nèi)部參考源、采樣保持和自動(dòng)掃描等特性；16位定時(shí)器Timer A具有4種工作模式，可同時(shí)進(jìn)行多個(gè)捕獲/比較功能；有48個(gè)可獨(dú)立編程的I/O口；兩個(gè)串行通信接口USART0與USART1；Flash存儲(chǔ)器多達(dá)60KB，擦寫(xiě)次數(shù)可達(dá)10萬(wàn)次；片內(nèi)有JTAG調(diào)試接口，由JTAG口可以直接下載程序到Flash內(nèi)進(jìn)行調(diào)試，如此一來(lái)，僅一臺(tái)PC機(jī)和一個(gè)JTFG 仿真器就可以進(jìn)行程序調(diào)試。此外，可以使用匯編和C語(yǔ)言對(duì)其進(jìn)行開(kāi)發(fā)，有較強(qiáng)的通用性[2]。

3.2 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊主要負(fù)責(zé)來(lái)自壓力傳感器和應(yīng)變片的模擬信號(hào)進(jìn)行調(diào)理和A/D轉(zhuǎn)換。MSP430F149片內(nèi)集成了12位精度的A/D轉(zhuǎn)換模塊ADC12，具有高速、通用的優(yōu)點(diǎn)，它可以對(duì)8路外部模擬信號(hào)之一或4路內(nèi)部電壓之一進(jìn)行轉(zhuǎn)換[3]。因此，通過(guò)片內(nèi)AD通道實(shí)現(xiàn)模擬量的采集，避免了使用外加的模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置，降低了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，減少了外部硬件電路的搭建，并且能夠提高系統(tǒng)的可靠性。

3.3 射頻識(shí)別模塊

射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification，RFID）技術(shù)是一種非接觸自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，利用射頻信號(hào)通過(guò)空間耦合（電感或電磁耦合）實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸信息傳遞并通過(guò)所傳遞的信息達(dá)到識(shí)別目的[4]。

本系統(tǒng)采用MF RC522芯片，它是應(yīng)用于13.56MHz非接觸式通信中高集成度的讀寫(xiě)卡芯片，是一款低電壓、低成本、體積小的非接觸式讀寫(xiě)卡芯片，其利用了先進(jìn)的調(diào)制和解調(diào)概念，完全集成了在13.56MHz下所有類型的被動(dòng)非接觸式通信方式和協(xié)議。通過(guò)RS232串口，可以實(shí)現(xiàn)讀卡器與上位機(jī)的通信[5]。此外，MSP430單片機(jī)和MF RC522之間的通信采用SPI模式，有利于減少連線，縮小PCB板體積，降低成本，同時(shí)還有較遠(yuǎn)的讀卡距離。

3.4 藍(lán)牙通信模塊

本作品主要通過(guò)藍(lán)牙實(shí)現(xiàn)下位機(jī)與上位機(jī)的通信，即先下位機(jī)單片機(jī)系統(tǒng)負(fù)責(zé)將采集到的各個(gè)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，通過(guò)藍(lán)牙通信，將信息傳送到手機(jī)終端，通過(guò)手機(jī)APP推送通知給用戶。

4 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化的設(shè)計(jì)方案，各子功能模塊分割與硬件電路相對(duì)應(yīng)。在系統(tǒng)上電后，單片機(jī)系統(tǒng)程序運(yùn)行環(huán)境與一些功能寄存器的初始化，各傳感器并行工作：超聲波測(cè)距傳感器通過(guò)超聲波進(jìn)行定位反應(yīng)，動(dòng)過(guò)數(shù)據(jù)傳輸，進(jìn)入單片機(jī)中[6]，與設(shè)定值進(jìn)行比較，并與人體紅外傳感器檢測(cè)到的信號(hào)形成邏輯與的關(guān)系，從而進(jìn)行判斷是否需要避障；紅外對(duì)管通過(guò)一個(gè)紅外發(fā)送管與一個(gè)紅外接收管協(xié)同工作，將接收管接受到的信號(hào)輸入單片機(jī)，進(jìn)而判斷拉鏈的開(kāi)閉；壓力傳感器將采集到的模擬信號(hào)，通過(guò)單片機(jī)內(nèi)部12位A/D轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行處理，經(jīng)過(guò)相應(yīng)的算法轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，與設(shè)定值進(jìn)行比對(duì)，判斷是否超重以及是否需要將肩帶放開(kāi)；RFID讀卡器通過(guò)對(duì)電子標(biāo)簽的識(shí)別，將序列號(hào)與靜態(tài)備忘錄中包含物件進(jìn)行比對(duì)，判斷所攜帶物品是否產(chǎn)生缺漏。接著，將所有的數(shù)據(jù)信息，過(guò)藍(lán)牙模塊傳輸?shù)绞謾C(jī)終端，通過(guò)APP推送提醒消息。系統(tǒng)程序流程圖如圖2所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

總之，智能化將是未來(lái)的一種必然趨勢(shì)，本系統(tǒng)以“健康、安全、高效”為主題，彌補(bǔ)了現(xiàn)在傳統(tǒng)智能書(shū)包的不足，通過(guò)軟硬件結(jié)合的方式降低了功耗，減少了成本，更好地將科技運(yùn)用到生活中去。

【參考文獻(xiàn)】

[1]鞏鐸，曹響，陳楚坪，陳嘯林.通風(fēng)管道清掃機(jī)器人的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)[J].硅谷，2014（14）.

[2]沈建華，等.MSP430系統(tǒng)16位超低功耗單片機(jī)原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[3]張麗，李春茂，劉濤，唐春蓬.基于MSP430單片機(jī)的智能稱重控制系統(tǒng)[J].電氣應(yīng)用·石化電氣，2009（1）：52-55.

[4]賀利芳，范俊波.非接觸式IC技術(shù)及其發(fā)展和應(yīng)用[J].通信與信息技術(shù)，2003（06）.

[5]袁樂(lè)民.基于RC522的RFID讀卡器電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2014（12）：166-167.

[6]李念馳.智能車超聲波避障[J].科技展望，2015（3）.

[責(zé)任編輯：朱麗娜]