基于STM32單片機的智慧防丟失系統設計與實現

雷思睿

摘? ?要：基于STM32單片機，通過在相關物品身上安裝簡易藍牙防丟器，將防丟失裝置固定在易丟失的物品上，在手機與防丟器之間建立連接，利用安裝在手機的APP查看物品與人距離，超過預設距離后手機端響鈴馬上報警提醒用戶。同時利用手機APP呼叫防丟失器，裝置發出蜂鳴聲以達到示意指引用戶的目的。文章對此設計進行了闡述。

關鍵詞：藍牙技術;單片機;無線通信;防丟失器

1? ? 藍牙技術概述

藍牙的核心主要是利用跳頻技術。因超低功耗優勢，使得藍牙技術得以廣泛應用，從而誕生藍牙防丟器這種產品。為了滿足大眾的使用需求，新一代藍牙4.0防丟器產品已經出現。藍牙4.0防丟器即智能藍牙防丟器，采用最新藍牙4.0技術，專門為iPhone/iPad設計的防丟器。工作原理主要是通過距離變化來判斷物品是否還控制在用戶的安全范圍內，又因為設計簡單輕巧，攜帶方便，很快得到市場認可。

2? ? 無線防丟器主要代表設計

無線防丟器設計是基于物聯網技術基礎上設計的。目前按市場分類，當前主流的智能防丟器主要有兩種：一種是形式比較單一，主要以防丟貼片或防丟掛件形式存在的用于設備防丟的智能防丟器;一種是以智能穿戴設備、服飾、鞋等形式多樣的用于人防丟的防丟器。目前有關無線防丟器在實際生活中有以下兩種應用。

2.1? 基于雷達的追蹤器

基于雷達的追蹤器，也被稱為“無線電定位”，此類無線防丟器是利用電磁波探測目標的電子設備，雷達發射電磁波對目標物體進行照射并接收其返回波，由此獲得目標至電磁波發射點的距離、距離變化率、方位、高度等信息。美國的雷達追蹤器Stick-N-Find，將防丟器附著于物品表面，如果物品找不到了，可利用手機查看與之匹配的APP，并從APP顯示的數據了解物品與自己的距離，并根據APP的動態指引與距離的變化，即可找到失物[1]。

2.2? 虛擬牽引繩

用于預防認知癥老人、孩童走失，把貼片放在老人、孩子身上。用戶端APP自帶的藍牙功能與防丟器進行信號通信，當預防主體跑出手機端預先設置的安全距離，手機端接收不到信號則將發出警報。按技術分類，目前智能防丟器的種類有藍牙/WiFi智能防丟器、GPS智能防丟器、RFID智能防丟器等，比較新穎的是結合磁場或傳感器技術的智能防丟器。

3? ? 基于STM32單片機的智慧防丟失系統的設計

基于STM32單片機的智慧防丟失系統包含由單片機和通信模塊組成的防丟裝置與利用Android Studio開發的手機APP兩部分。通過藍牙通信可以知道附有藍牙標簽的物品距離，當距離超過一定程度，用戶手機端響鈴警報。還可利用匹配的手機APP的呼叫裝置，通過蜂鳴讓用戶知道物品的大致位置[2]。

3.1? 系統框架

智慧防丟失系統主要分為用戶端與藍牙防丟器兩部分。用戶端建立自帶在Android系統的手機端上，通過Java進行程序編寫。程序設計大體分為以下4個模塊：藍牙通信、人機交互界面、報警和信號處理。藍牙防丟器是一個由STM32單片機、藍牙模塊和蜂鳴器組成的防丟失硬件裝置，可進行無線信號采集、串口通信模塊和驅動模塊，收發信號進行數據交流并反饋到客戶端。

3.2? 系統設計主要任務

系統構成分為硬件電路設計和軟件設計。硬件中由一個STM32單片機作為主機連接藍牙模塊和蜂鳴警報器，構成一整個無外殼的藍牙防丟失裝置。手機端安裝基于Java語言自行開發的應用軟件，打開APP，預先設置安全距離，若用戶手機端與裝置的距離超過預設，則手機響鈴發出警報。藍牙范圍中，用戶還可通過APP呼叫防丟器，以確定失物大體位置。在整個過程中需要加強單片機對藍牙模塊進行功能控制。無線防丟失系統的硬件設計包含單片機、信號轉換電路和蜂鳴報警器等。

3.3? 系統設計技術分析

藍牙防丟器主要技術手段：網絡編程技術、Android開發技術、C語言與Java語言的運用等。通過低功耗藍牙的信號進行數據轉換傳輸，通過對無線傳感器網絡中的RSSI進行邏輯處理，計算失物與自己的距離。所使用到的編程工具有Android Studio，Keil;系統硬件分為3個部分，分別是STM32單片機、藍牙模塊及蜂鳴器。關于通信模塊的設計主要包括藍牙模塊串口通信，TCP/IP簇實現互聯，進行信號采集、藍牙模塊驅動程序的設計。軟件部分為帶有藍牙功能的APP設計，其中包括用戶界面設計、網絡編程、View繪制[3]。

3.4? 系統用戶端模塊方案設計

本系統用戶端功能主要分為藍牙連接和通信。APP與藍牙防丟器通信;藍牙信號處理和轉換：將掃描到藍牙信號強度指示（Received Signal Strength Indication，RSSI）通過后臺計算轉為距離;藍牙報警功能：當藍牙防丟器超出一定距離，用戶收到警報;同時用戶還可通過APP呼叫防丟器，此時防丟器發出蜂鳴聲進行回應。

4? ? 基于STM32單片機的智慧防丟失系統實現

4.1? 系統硬件設計

4.1.1? STM32F103C8T6單片機的設計

STM32F103C8T6有ARM公司的高性能“Cortex-M3”內核，是32位處理器，可以升頻到72 MHz。STM32單片機與藍牙模塊通過串口通信進行互連，串口通信是一種設備間十分常見的串行通行方式，其操作簡單便捷，且大部分電子設備都支持。

4.1.2? HC-05藍牙模塊的設計

選用藍牙模塊為HC-05，其采用CSR主流藍牙芯片，藍牙V2.0協議標準。自帶連接狀態指示燈，LED快閃表示沒有藍牙連接;LED慢閃表示進入AT命令模式。這款藍牙模塊可與自帶藍牙的筆記本電腦、藍牙適配器等設備進行無縫連接。HC-05藍牙通信模塊具有兩種工作模式：命令響應工作模式和自動連接工作模式。

藍牙實現的功能包括：（1）掃描其他藍牙設備。（2）為可配對的藍牙設備查詢藍牙適配器。（3）建立RFCOMM通道。（4）通過服務搜索來鏈接其他的設備。（5）與其他的設備進行數據傳輸。（6）管理多個連接。

4.1.3? 蜂鳴器電路的設計

主板通過USB數據線供電后，用戶通過手機進入系統藍牙配對HC-05，然后打開APP，此時即可以收到信號并計算距離，超過預設距離則報警。如果用戶要呼叫藍牙防丟裝置，則在APP最下面的列表點擊HC-05，然后點擊呼叫即可。

4.2? 系統軟件設計

4.2.1? APP開發介紹

智慧防丟失APP的設計主要基于Android平臺，通過APP可以看到綁定物品的距離和報警情況。

采用Android Studio進行手機端的程序編寫，單片機采用Keil進行程序編寫然后通過仿真器將代碼燒錄到目標板（PC端仿真器驅動已經安裝完畢為前提），當用戶端能通過藍牙模塊與單片機建立連接后，用STM32單片機進行程序測試。由于HC-05藍牙模塊可支持通用AT指令，所以單片機的串口中斷可對藍牙模塊進行一些操作。手機軟件通過藍牙連接到單片機，單片機根據接收到的不同的信號數據做出不同的響應。需要設計出一個有著友好界面UI，簡潔清晰，便于用戶的操作與體驗的APP。將布局中的選項按鈕賦予不同的服務任務，將其與通信模塊通過接口相連從而進行數據的傳輸與判斷。添加其他模塊功能按鈕，如報警模塊中的暫停蜂鳴警報。

4.2.2? APP程序設計

在主界面中，設計者可通過主界面整體設計的標簽來實現一個規范、模塊化界面，標簽在UI的結構優化中有至關重要的作用，它可以刪減多余的層級，優化UI。若要實現相對關系的布局，則可使用，其目的是通過刪減多余或者額外的層級，進而優化整個Android系統下布局Layout的結構。在RelativeLayout下包含了其他UI組建，代表了視圖切換組件，因此可以將多個圖層View層疊加在一起，便于用戶通過滑動來選擇相應的功能。

4.2.3? 報警模塊設計

報警模塊主要用于提示用戶，同時客戶利用手機端APP也可以呼叫藍牙防丟器。當藍牙防丟器超過安全距離，手機APP響鈴警報。Java中的鈴聲通過RingtoneManager管理，RingtoneManager管理來電鈴聲、提示音、鬧鐘鈴聲等，可根據實際應用需求通過定義不同的函數接口來實現不同的功能。

[參考文獻]

[1]刑子揚.基于手機APP的無線自動奶茶機[J].科學技術創新，2019（2）：25.

[2]何生毫，周川湖，劉宇昊，等.基于STM32的無線定位追蹤系統[J].計量與測試技術，2018（30）：15-78.

[3]何誠剛.安卓移動設備外部通信接口板的設計[J].電子設計工程，2017（1）：114-118.