基于嵌入式STM32的防盜錢包設計

王瑞鵬，段奇凱，高程，朱美芬，劉歡

（甘肅農業大學信息科學技術學院，甘肅蘭州 730070）

隨著科技的發展以及人們日益增強的防盜意識，利用單片機系統實現錢包的防盜功能已成為可能。錢包是人們日常出行的重要物品之一，而它體積較小，極易被竊。防盜錢包在國內研究已有一定的基礎，上海應用技術學院設計了一種基于無線電發射與接收技術為主控器的無線防盜系統，利用無線技術設計了一種基于無線電發射與接收技術為主控器的裝置，將其應用于錢包防盜報警器，結構簡單，易于實現，可以有效地解決人們在公共場合財物的安全問題[1]。而最新的研究是基于GPS 模塊的新型防盜智能錢包模型設計，通過鑲嵌的防水膜以及自密封卡接結構，能夠有效防止錢包內部受潮，設置的硬幣卡槽能夠輔助固定硬幣，避免硬幣堆積而造成錢包損壞，在儲存槽底部內壁的左右兩端及中部分別通過彈簧連接橡膠條對放入手機的寬度進行調整，提高錢包的空間利用率，GPS 定位防盜模塊可以對該錢包進行定位，具有很好的防盜性[2-3]。而近年來，STM32 單片機在國內外迅猛發展，頻繁地運用于各種智能設計。文中設計了一款基于STM32 單片機的防盜錢包，同時運用了射頻識別技術、TTS 文本轉語音技術及紅外傳感器等硬件設備實現了錢包的防盜功能。

1 設計方案

1.1 總體設計

設計的系統由RFID 讀卡器、人體熱釋電紅外傳感器等組成數據采集部分，STM32 單片機作為數據分析部分，將采集得到的信息進行分析，然后傳輸到TTS 語音報警器，報警器根據所接收到的信息，判斷是否報警，如圖1 所示。

圖1 系統設計方案拓撲結構

RFID（射頻識別技術）是一種自動識別技術[5]，通過無線射頻進行非接觸式的數據傳輸，利用無線射頻方式[6]對射頻卡（RFID 卡）進行讀寫[7]，當與RFID 讀卡器距離達到檢測距離時，RFID 讀卡器就會自動讀取RFID 卡中所包含的信息、數據。如果距離超出檢測范圍，則讀卡器會自己返回相關數據，單片機接收到后會對數據進行分析，以此來判斷RFID卡是否存在。在該項目中，將RFID 讀卡器置于錢包中，將RFID 卡放于口袋，利用RFID 讀卡器對RFID卡進行信息循環讀取，循環發送數據給單片機，單片機進行數據分析。

RFID 模塊工作頻率大概為13.56 MHz，該頻率的波長大概為22 m。除了金屬材料外，該頻率的波長可以直接穿過液體等大多數材料。因此對于該項目而言，波長足夠穿過背包材料，同而增強了此項目的反映敏捷性，以及提高了此項目的抗干擾能力。

人體熱釋電紅外傳感器是一種將人體溫度轉換為高低電平的傳感器，將傳感器置于錢包內，錢包放在口袋中，此傳感器將對人體進行紅外測溫，若溫度為人體正常體溫（36～37 ℃），則傳感器輸出高電平；若不在此溫度區間，則電路自動延時關閉高電平[8]，輸出低電平。再將此數據傳輸到STM32 單片機，單片機進行下一步的分析和傳輸[9]。

STM32 單片機是基于ARM的32 位通用增強型微控制器，支持實時仿真和跟蹤[10-11]，是當下最流行的單片機之一，頻繁地運用于各種智能設計以及各種嵌入式開發。STM32 單片機之所以如此火爆，是因為該控制器實時性能好、功耗低、數據處理能力強和集成整合能力強大，并且易于開發。STM32 單片機對于所接收的數據進行分析整理，然后將其發送到下一模塊。

TTS 是Text-To-Speech的縮寫,即文本到語音合成，處理過程：首先對文本內容進行分析；然后調用語音合成引擎,調用語音庫,合成語音；最后通過揚聲器播放語音[12]。TTS 文字轉語音用途很廣，比如電子郵件、手機短信的閱讀以及人工智能方面的應用等。在該項目中，TTS 語音模塊主要通過接收單片機所傳輸的信息，對所接收的信息進行數據分析、判斷。如果背包未丟失，則不發出警報，同時將該信息返回單片機，反之，則發出警報，提醒失主。

1.2 性能要求

針對防盜錢包的特點，在設計過程中應當充分考慮到其性能要求。

1）實時性：防盜錢包對于實時性要求較高，應當將反饋時間控制在1 s 內，這樣可以最大程度地保證錢包丟失之后報警的及時性。

2）方便性：防盜系統置于錢包中不能影響錢包的正常使用，同時也要方便用戶攜帶。

3）準確性：防盜系統所傳輸的數據必須準確，否則無法為用戶提供一個安全的使用環境。

2 硬件架構

2.1 數據采集

數據采集部分主要包括紅外傳感器對周圍溫度的采集，以及RFID 讀卡器對RFID 卡是否存在的信息采集。其數據采集真值表如表1 所示。

表1 數據采集真值表

2.2 數據處理及傳輸

STM32 單片機通過接收來自數據采集部分的數據，進行數據的整理。項目使用STM32F103開發板作為核心數據處理主板，同時將配套的串口模塊與開發板相連，實現了整個防盜系統的數據相連。之后STM32單片機將處理過后的數據傳輸到TTS語音警報器中，語音警報器再根據所接收的數據進行判斷，若結果為真，則不發出警報；反之，則發出警報提醒失主。

而STM32 單片機與TTS 語音警報器之間的數據傳輸采用了全雙工通信，STM32 單片機將采集到的數據處理后傳輸給警報器，同時警報器對得到的數據進行分析，之后反饋到單片機，然后再次進行循環，判定錢包是否丟失。

3 軟件系統

3.1 Keil開發環境的建立

Keil 開發環境所生成的目標代碼效率高，匯編代碼很緊湊，便于理解，同時能體現出高級語言的優勢[13]。與匯編相比，C 語言在結構上、功能上、可讀性、可維護性上有明顯優勢[14-15]。而KeilμVision5 是Keil 為Windows 系統設計的集成開發環境，可以完成整個的開發流程，從編輯、編譯，一直到連接、調試、仿真等一系列開發流程，均可由KeilμVision5 完成，極大地方便了用戶，同時也最大限度地保證了開發過程的流暢性以及完整性。

3.2 軟件實現

系統通過紅外傳感器和RFID 射頻識別技術進行雙重判定，二者之間若有一個條件不滿足，則TTS語音報警器會發出警報，如圖2 所示，這樣大大提高了防盜的成功率，并為錢包提供更好的保護。以下是二者的具體功能實現。

圖2 系統工作流程圖

3.2.1 RFID的具體功能實現

當RFID 開始工作時，打開串口1，單片機會向RFID 模塊發送16 位的查詢碼（例如：xx xxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxxxxxxxx）當RFID 收到查詢碼時，隨即會對RFID 卡進行讀取，同時會通過串口1 將8 位數據碼發送到單片機上（例如：xx xxxx 00/01 xx xxxxxx）,而RFID 卡在與不在的區別是8 位數據碼第4 位的不同：當第4 位為01 時，說明RFID 卡存在；當第4 位為00 時，說明RFID 卡不存在。之后將打開串口4，將相關的數據傳輸到上位機，如若卡存在，則顯示“BAG EXIST”；反之，則顯示“BAG LOST”，同時將信息傳送到TTS 語音警報器，警報器通過對數據的判斷分析，發出警報，從而起到提醒失主的作用，如圖3所示。當以上數據傳送結束后，單片機會繼續向RFID模塊發送查詢碼，持續循環，從而做到實時準確。

圖3 RFID工作流程圖

3.2.2 人體熱釋電紅外傳感器的具體功能實現

首先，該紅外傳感器將對周圍環境溫度進行自動感應，如果周圍溫度在設定范圍內（36～37 ℃），說明該背包在人身上，則會產生高電平；如果不在此范圍內，由高電平降為低電平，說明背包已經丟失，同時將數據傳遞到TTS 語音警報器，進行數據分析，然后發出警報，如圖4 所示。

圖4 人體熱釋電紅外傳感器工作流程圖

同時，該項目中所使用的HC-SR501 紅外傳感器還具有以下相關功能：

1）光敏控制，白天/光線強時不感應，或者晚上/光線弱時不感應，可以根據個人需求進行設置。

2）溫度補償功能，在夏天當環境溫度升高至30～32 ℃時，探測距離稍變短，溫度補償可作一定的性能補償。

3）感應封鎖時間，感應模塊在每一次感應輸出后（高電平變成低電平），可以緊跟著設置一個封鎖時間段，在此時間段內感應器不接收任何感應信號，此功能可以實現對于個人特殊需求的滿足[16]。

該項目需要RFID 模塊與人體熱釋電紅外傳感器同時進行條件判定，只有二者的判定都為真時，報警器才不會發出警報；相反，若是二者中有一個條件不滿足，則報警器就會發出警報，以此來提醒失主。所以，在一定程度上，二者的相互協作以及對于數據的判斷處理是設計最核心的部分。

4 項目意義與實現功能

隨著信息、電子、通信技術的快速發展，便捷、安全的生活成為了人們追求美好生活的迫切需要。是否便捷和安全可以雙重提升或是只能選擇其中一個呢？放眼當下，人們的生活水平不斷提高，在努力讓生活變得快速便捷的同時，身邊的安全隱患也愈加嚴重。例如汽車被盜或是汽車內的財務被盜，小偷潛入房屋內以至于家庭財產被盜，又或是隨身攜帶的物品在人們不留神的情況下被竊。截至目前，我國的財務失竊率處于逐年上升的狀態，預防財務失竊仍是亟待解決的問題。那么如何才能在自己視覺盲區有效地避免財務丟失呢？

根據以上敘述，需要解決的根本問題是在自己的視覺盲區避免財物丟失。換句話說，在人們看不見的情況下，要防止自己的財務被盜，而且要快速高效，在財務被盜的同時能迅速作出反應，文中研究的是基于STM32的防盜錢包系統。在人們視線范圍之外，一旦有人竊取錢包，傳感器接收到信號，傳入STM32 單片機中，單片機再發送命令到TTS 語音報警器，此時，報警器工作發出警報，引起人們注意從而實現防盜。

系統設計實現了錢包的防盜，采用了紅外傳感器和RFID 雙重數據反饋，對錢包進行安全保護。當紅外傳感器或RFID 有一個返回數據為假時，單片機就會將信息傳輸到語音警報器，語音警報器發出警報，只有二者返回的數據都為真時，單片機將信息重新發送到開始端口，循環進行數據采集和數據分析，最大限度地保證了錢包的安全性。同時，上位機也會顯示相關的數據，告訴用戶錢包是否丟失。

5 系統創新

該系統的創新之處有以下幾點：

1）該設計使用了STM32 單片機，在防盜設計中較為新穎，同時STM32 單片機采用當前移動端廣泛使用的ARM構架，功耗低，技術成熟，并且STM32單片機相對于其他單片機而言，內存更大，處理速度更快。

2）應用了TTS 語音警報器，沒有了傳統警報器的機器生澀感，使聽者聽取信息時較為自然。

3）運用射頻識別技術，對源代碼進行循環識別，確保背包丟失后警報器報警的及時性。

4）運用熱釋電紅外傳感器和RFID 進行雙重保障，大大提高了錢包的安全性能。

5）運用Keil 開發環境，保證了開發過程的完整性和流暢性。

6 結束語

系統基于STM32 單片機、射頻識別技術、熱釋電紅外傳感器、TTS 語音警報器以及Keil 開發環境構成了防盜錢包系統，不僅實現了錢包的防盜功能，同時還可以對用戶發出錢包丟失的警報，并且上位機也可以準確地觀察到相關的信息。該系統方便便捷，較為靈活，精準度高且穩定性好。