基于BLE和NFC的防丟卡套研制

張金玉 唐元廣

摘 ? 要：文章涉及生活用品技術領域，具體論述了一種防丟卡套，包括卡套主體和設在卡套主體上的防丟器，卡套主體設有一個開口端。防丟器包括由電路連接的藍牙4.0模塊、蜂鳴器、開關和電源。本防丟卡套將智能防丟器的功能與傳統卡套相結合，根據使用者不同的使用需求可以實現防丟卡套功能以及便攜定位器的功能。同時，該防丟卡套超低功耗，待機時間長達3～5個月，而且具有如NFC能量收集等新功能，可有效延長電池的壽命，無需頻繁更換電池，節能環保，實用性強，為防丟器設備的研究提供技術支持。

關鍵詞：防丟卡套;低功耗藍牙技術;近距離無線通信技術

目前，國內外對銀行卡和證件卡等卡片的防丟裝置處于一個比較空白的狀態，相似產品主要分為兩類：一類是純機械式的卡套，另一類是單獨的防丟器。現有的防丟器都有一個共同特點：定位不精準，看似功能有用，使用場景卻十分模糊。

隨著時代的發展，在中國現金的使用越來越少，更多的是使用刷卡、手機支付以及搭乘公共交通設備使用刷卡操作，加上用戶必帶的身份證、駕駛證以及其他銀行卡等卡片，需要一種專用的卡套，來替代原本錢包的功能。而現有技術中個人防丟器通常是為了防止錢包等物品遺失，需要單獨放置的裝置，并且續航時間短、功能單一、定位不精準。

本文的目的是提供一種防丟卡套，以克服現有技術中所沒有的卡片防丟器問題。所設計的防丟卡套實現了智能防丟器功能與傳統卡套的結合，根據使用者不同的使用需求可以實現普通防丟卡套功能以及便攜定位器功能，卡套的可替換機械結構使外觀更加美觀，電池更換更加方便，采用近距離無線通信技術（Near Field Communication，NFC）能量收集技術，延長續航時間，卡套內部自鎖設計，插卡更牢靠，拔卡更方便，為防丟器設備的研究提供技術參考。

1 ? ?基本原理

本防丟卡套采用藍牙4.0[1]和NFC能量收集的技術，具有待機時間超長、雙向防丟、自動報警等優點。核心的器件是藍牙模塊，選擇nRF51822芯片，通過使用低功耗藍牙技術（Bluetooth Low Energy，BLE），也就是通常所說的Bluetooth 4.0或者Bluetooth Smart，防丟器可以創造一個Beacon基站來創建一個信號區域，當設備進入該區域時，APP便會提示用戶。通過放置在防丟卡套中的小型無線傳感器和低功耗藍牙技術，來判斷卡套與手機的距離，并進行定位。系統采用Java EE，JSP開發、MySQL數據庫和Android手機APP開發技術[2]，服務器采用Servlet和JSP運行在Tomcat 7.0上，利用手機終端采集藍牙的位置，根據未知變化決定是否發出警報。卡套外型上，采用Solidworks三維制圖軟件進行工業設計，結構上，類似于彈簧自鎖結構，用戶只需要按鍵便可取出校園卡、員工卡等，操作簡單，使用方便。這種結構在防丟設備上的應用是一種創新，卡片不易從卡槽中掉出，厚度比傳統防丟器薄得多。

該卡套防丟器是采用藍牙技術專門為智能手機設計的，通過距離變化來判斷物品是否還控制在用戶的安全范圍，主要應用于防止大學生校園卡、公司員工卡、身份證等卡證丟失。防丟器的原理是在手機和藍牙之間建立連接，每15 s自動檢測一次連接狀態，將藍牙放在校園卡、員工卡、身份證上，一旦藍牙與手機的距離超過一定范圍，手機立即發出報警聲。用手機掃描防丟器名稱，點擊設備綁定后自動連接，連接后可以對設備進行手機以及設備報警設置。

2 ? ?關鍵技術

2.1 ?nRF51822芯片

nRF51822芯片是集成nRF51系列2.4 GHz收發器、32位ARM?-M0處理器、閃存、模擬和數字處理器的超低功耗2.4 GHz無線系統芯片。nRF51822可以支持藍牙低能量和一系列專有的2.4 GHz協議，例如北歐半導體公司的Gazell協議，在集成了普通單片機功能的同時，還有低功耗藍牙4.0的功能。圍繞此芯片根據功能需要自行設計電路，除了保證其正常運行的基本電路構造和供電電路外，還引出了4個引腳，其中兩個分別外接蜂鳴器和按鍵，由芯片直接控制其發揮作用，另外兩個為程序下載口。

2.2 ?NFC以及藍牙程序原理

（1）NFC[3-4]模塊。能夠允許電子設備之間進行非接觸式點對點數據傳輸、交換。本實施例采取另一種使用方式，用來給低功耗藍牙系統供電。具體設計思路如下：測定NFC讀卡器端場強，采用匹配頻率合適的線圈進行一次采集，線圈置于卡槽背面避免干擾，在NFC天線端經過整流穩壓電路穩定電壓值，與芯片電路板連接來對可充電電池進行充電。該技術方案可提高防丟器使用時間，有效解決續航時間短的問題。該技術在傳統防丟器中是無法應用的，傳統防丟器的供電壽命有一定的限制，NFC技術可以在用戶刷卡的時候自動收集能量將其轉化為電能，產品的壽命對于防丟設備是至關重要的，因此該技術的應用可大大提高防丟器的性能。

（2）藍牙程序原理。連接程序由ARM公司提供，通過藍牙連接協議連接其他藍牙設備。通過檢測信號失真率檢測顯示。在信號過低或斷開連接時會驅動蜂鳴器進行報警。

3 ? ?整體外形架構

本防丟卡套包括：卡套主體1和設在卡套主體1上的防丟器3，卡套主體1設有一個開口端2;防丟器3包括：由電路連接的藍牙4.0模塊、蜂鳴器、開關和電源。卡套主體1內部的兩側設有彈性鋼片，用于夾緊卡套主體1內的卡片。彈性鋼片和卡套主體1之間設有海綿。卡套主體1采用單孔空腔結構，卡由開口端2插入卡套，最多可插入5張卡片，卡套主體1內部兩側可以安插著彈性鋼片，彈性鋼片中部貼著小片海綿，用于夾緊卡片防止其滑出。卡套主體1的一側設有與人手指寬度對應的槽口4。使用者可以用手指從槽口4將卡片滑出。防丟器3以可拆卸連接的方式設在卡套主體1的一側，內部裝有防丟器的電路元件，被設計為卡通動物的形狀，使卡套整體更為美觀，且底部設有能與卡套配合的卡扣，此設計不但可以使得防丟器安裝在卡套上與其配合使用，而且可以單獨作為防丟器使用。本防丟卡套的正面結構示意如圖1所示，背面結構示意如圖2所示。

4 ? ?結語

（1）本防丟卡套采用自鎖設計，插卡牢固，取卡方便，且巧妙地將卡套和防丟器進行可拆卸式設計，防丟器和裝飾融為一體。防丟器可以拆卸單獨使用，兼具裝飾功能。卡套本身可以單獨起收納作用，也可組合成防丟卡套使用。

（2）本防丟卡套選擇nRF51822芯片，經過多次實驗、功能、價格的橫縱對比發現其功能、價格與功耗綜合來看最佳。除了芯片本身具有低功耗功能外，為了進一步提高產品的續航能力，卡套中具有大量線圈纏繞，采用NFC即“近場通信”，也叫“近距離無線通信”能量收集技術，防丟器和卡套組合使用可以在用戶刷卡的時候自動收集能量并將其轉化為電能，大大延長產品的續航時間，同時延長產品的使用壽命。

（3）本防丟卡套可以有兩種工作模式：一種普通模式，一種Beacon廣播模式。兩種模式功耗和功能都有不同。普通模式耗能少，具有雙相尋物以及防丟功能。Beacon廣播模式除了普通模式的功能外，還有定位和自定義廣播功能，功耗相對增加。

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Abstract：This paper relates to the technical field of daily necessities， and specifically discusses a kind of anti loss card cover， including the card cover main body and the anti loss device set on the card cover main body. The card cover main body is provided with an opening end. The anti loss device includes the Bluetooth 4.0 module， buzzer， switch and power supply connected by the circuit. The function of the intelligent anti loss device is combined with the traditional one， and the function of the anti loss device and the function of the portable positioner can be realized according to the different needs of users. At the same time， the anti loss card cover has ultra-low power consumption， standby time of up to 3～5 months， and has new functions such as NFC energy collection function， which can effectively extend the battery life without frequent battery replacement， energy conservation and environmental protection， strong practicability， and provides technical support for the research of anti loss device.

Key words：anti dropping card sleeve; Bluetooth low energy; near field communication