基于RFID電子標簽的智能書包的設計

孫邦彥　劉冬冬　陳柱江　張婷

【摘 要】本項目所研制的系統以單片機MSP430為主控芯片，利用相關的傳感器技術，采用RFID電子標簽以及射頻識別技術，在書包內部裝有相應頻段的讀卡器，通過藍牙技術，實現在智能終端獲取書包信息的功能。結合創新思想，各傳感器之間相輔相成，彌補了現有書包的缺陷，達到親民化、智能化。

【關鍵詞】傳感控制技術；射頻識別；智能化；藍牙模塊

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，在物聯網日益普及的趨勢下并未誕生多少智能化的產物，少數作品也是走的精英路線，售價高昂。2014年香港研發出了一款智能書包，其配備了平板電腦、攝錄鏡頭、智能手帶，旨在培養學生養成收拾書包的習慣，讓家長隨時知悉子女所在位置，目前還未投產，預計價格2000余元；2015年美國一開發團推出了一款公文包，其配有安全功能、數字存儲選項、GPS追蹤、藍牙揚聲器、內部照明燈，兼容IOS和Android，目前已經面世，零售價為599美元。因此，較之這些市面上鮮少存在的智能書包，我們的項目可謂新穎而實用。

1.2 作品設計目的

背包，對于廣大社會群眾來說，早已成為了生活必需品，是與自己朝夕相處的伙伴。但很多時候，由于這位貼身伙伴自身的原因，它也會給人們帶來不少困擾。相信很多人都有著這樣的經歷：早上急匆匆地出門，好不容易到了目的地，卻發現自己把重要的東西忘在了家里。或是一時疏忽，忘記將背包的拉鏈拉上。結果包里的物件在公共場合散落一地，令人難堪。也有些時候，因為需要，書包里不得不放上很多東西，但是因為書包本身的局限性，長此以往，就造成了年輕人骨骼的不健康發育，中老年人不堪重負。以上幾種情景，均是由于當前背包的設計存在著缺陷與不足，不夠人性化而導致的。因此，設計一款足夠智能化的背包是有必要的。

1.3 作品特色概述

相較于世面上的書包，我們的設計更加智能化、人性化，且新穎且實用。它主要有以下特點：

（1）健康：該書包能夠檢測你所攜帶的東西是否超重，當超出了你所能承受的重量范圍的話，書包會通過智能終端進行提醒，一旦提醒超重，可自行手動將肩帶拉開。當下，學生書包里書本的數量越來越多，書包的重量也與日俱增。為了避免影響身體發育，我們設計了書包的超重提醒系統，它能讓你的骨骼健康生長。

（2）安全：如今，低頭一族隨處可見。因此，能夠檢測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，當書包拉鏈沒拉上的時候它也會發出提醒，避免了疏忽大意忘記拉上拉鏈或是遭遇小偷的窘況，保障了你的財產安全。

（3）高效：通過錄入的備忘系統，在書包中放入物品時，讀卡器會自動識別你所帶物件，并自行進行比對，當發生缺漏時，通過手機終端發出提醒，提高行事效率。

2 系統方案

書包分為以下幾個部分：

主控芯片：MSP430f149

電源設計：繼電器、12V電池盒

射頻識別：13.56MHz高頻電子標簽、RFID讀卡器

避障部分：超聲波測距傳感器、人體紅外傳感器

安全防范：紅外對管

稱重系統：壓力傳感器、全橋應變片

智能終端：藍牙4.0模塊、手機app

系統框圖1如下：

3 硬件設計

3.1 CPU模塊

由于整體機械結構以及控制的要求，我們采用MSP430這款超低功耗單片機作為主控芯片，降低我們的系統功耗，而且內部資源豐富，處理速度快，能夠提供多路的PWM控制信號[1]。其工作電壓為1.8V-3.6V；采用16位精簡指令結構（RISC），只有27條核心指令，8MHz時鐘頻率指令速度可達8M/s，大多數指令1個時鐘周期內完成；片內寄存器數量多，存儲器可以實現多種運算；MSP430f149有較多的中斷源，且相互之間可以嵌套，當系統處于省電狀態，用中斷請求喚醒只需6μs；它還具有豐富的片上圍模塊，如看門狗（WDT）、模擬比較器A、定時器A、定時器B、串口0和1、硬件乘法器及A/D轉換等，在目前所有單片機系列產品中顯尤為突出，便于方案的解決。其中，12位A/D轉換器帶有內部參考源、采樣保持和自動掃描等特性；16位定時器Timer A具有4種工作模式，可同時進行多個捕獲/比較功能；有48個可獨立編程的I/O口；兩個串行通信接口USART0與USART1；Flash存儲器多達60KB，擦寫次數可達10萬次；片內有JTAG調試接口，由JTAG口可以直接下載程序到Flash內進行調試，如此一來，僅一臺PC機和一個JTFG 仿真器就可以進行程序調試。此外，可以使用匯編和C語言對其進行開發，有較強的通用性[2]。

3.2 數據采集模塊

數據采集模塊主要負責來自壓力傳感器和應變片的模擬信號進行調理和A/D轉換。MSP430F149片內集成了12位精度的A/D轉換模塊ADC12，具有高速、通用的優點，它可以對8路外部模擬信號之一或4路內部電壓之一進行轉換[3]。因此，通過片內AD通道實現模擬量的采集，避免了使用外加的模數轉換裝置，降低了系統設計的復雜性，減少了外部硬件電路的搭建，并且能夠提高系統的可靠性。

3.3 射頻識別模塊

射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）技術是一種非接觸自動識別技術，利用射頻信號通過空間耦合（電感或電磁耦合）實現無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息達到識別目的[4]。

本系統采用MF RC522芯片，它是應用于13.56MHz非接觸式通信中高集成度的讀寫卡芯片，是一款低電壓、低成本、體積小的非接觸式讀寫卡芯片，其利用了先進的調制和解調概念，完全集成了在13.56MHz下所有類型的被動非接觸式通信方式和協議。通過RS232串口，可以實現讀卡器與上位機的通信[5]。此外，MSP430單片機和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，同時還有較遠的讀卡距離。

3.4 藍牙通信模塊

本作品主要通過藍牙實現下位機與上位機的通信，即先下位機單片機系統負責將采集到的各個傳感器數據進行處理后，通過藍牙通信，將信息傳送到手機終端，通過手機APP推送通知給用戶。

4 軟件設計

系統軟件設計采用模塊化的設計方案，各子功能模塊分割與硬件電路相對應。在系統上電后，單片機系統程序運行環境與一些功能寄存器的初始化，各傳感器并行工作：超聲波測距傳感器通過超聲波進行定位反應，動過數據傳輸，進入單片機中[6]，與設定值進行比較，并與人體紅外傳感器檢測到的信號形成邏輯與的關系，從而進行判斷是否需要避障；紅外對管通過一個紅外發送管與一個紅外接收管協同工作，將接收管接受到的信號輸入單片機，進而判斷拉鏈的開閉；壓力傳感器將采集到的模擬信號，通過單片機內部12位A/D轉換模塊進行處理，經過相應的算法轉換成數字量，與設定值進行比對，判斷是否超重以及是否需要將肩帶放開；RFID讀卡器通過對電子標簽的識別，將序列號與靜態備忘錄中包含物件進行比對，判斷所攜帶物品是否產生缺漏。接著，將所有的數據信息，過藍牙模塊傳輸到手機終端，通過APP推送提醒消息。系統程序流程圖如圖2所示。

5 結束語

總之，智能化將是未來的一種必然趨勢，本系統以“健康、安全、高效”為主題，彌補了現在傳統智能書包的不足，通過軟硬件結合的方式降低了功耗，減少了成本，更好地將科技運用到生活中去。

【參考文獻】

[1]鞏鐸，曹響，陳楚坪，陳嘯林.通風管道清掃機器人的開發設計[J].硅谷，2014（14）.

[2]沈建華，等.MSP430系統16位超低功耗單片機原理與應用[M].北京：清華大學出版社，2004.

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

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

[5]袁樂民.基于RC522的RFID讀卡器電路設計實現[J].數字技術與應用，2014（12）：166-167.

[6]李念馳.智能車超聲波避障[J].科技展望，2015（3）.

[責任編輯：朱麗娜]