基于RFID的智能書包的系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

李 帥，李晉瑄，趙存款，董文浩，張振宇，劉志宇

（太原工業(yè)學院，山西 太原 030013）

0 引言

目前，常見的物體識別技術有條形碼識別、NFC（Near Field Communication）識別、RFID（Radio Frequency Identification）等[1][2][3]。RFID（無線射頻識）別即射頻識別技術，是自動識別技術的一種，通過無線射頻方式進行非接觸雙向數(shù)據通信，利用無線射頻方式對記錄媒體（電子標簽或射頻卡）進行讀寫，從而達到識別目標和數(shù)據交換的目的。RFID技術可以實現(xiàn)快速物品識別，這大大地縮短了識別時間，提高了效率。為了儲存和維護用戶數(shù)據，本文中設計的系統(tǒng)結合物聯(lián)網技術，將識別到的有效數(shù)據上傳至云端，用戶可以通過App及時地查看自己的物品。本文呈現(xiàn)了整個系統(tǒng)的功能設計，介紹了智能書包軟硬件的詳細設計和主要功能。

1 智能書包總體功能設計

如圖1所示，下位機將RFID掃描中的數(shù)據和獲取到的GPS數(shù)據通過NB-IoT上傳到物聯(lián)網，然后App調取物聯(lián)網中的數(shù)據并發(fā)送相應的命令，從而實現(xiàn)雙向交互。

2 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)的工作流程如圖2所示。基于RFID的智能書包采用stm32f103c8t6來作為主控芯片。系統(tǒng)運行時由主控MCU（Microcontroller Unit）來配置各模塊的工作狀態(tài)，協(xié)調整個系統(tǒng)的正常運行。主控MCU通過串口通信，采用RFID通信協(xié)議發(fā)送相應命令的方式來控制RFID模塊工作。RFID模塊通過高頻掃描方式尋找貼在物品上的電子標簽，讀取標簽中對應的數(shù)據信息，并通過UART[4]向主控MCU回傳數(shù)據信息。此外系統(tǒng)中還包括GPS[5]（Global Position System）模塊，可以讀取書包的位置信息并通過串口將位置信息發(fā)送到主控MCU。書包通過BC20通信模塊來實現(xiàn)所有物聯(lián)網數(shù)據的上傳。主控MCU收集到標簽數(shù)據信息和書包GPS的位置信息后，通過AT[6]命令控制BC20[7]模塊通過網絡將標簽數(shù)據信息和書包GPS的位置信息發(fā)送到阿里云平臺[8]。在用戶端，用戶手機App可以讀取云端的書包位置數(shù)據，對用戶實時展示書包的位置信息；讀取云端中RFID模塊識別到的電子標簽中的數(shù)據信息并將每個數(shù)據與所貼標簽的物品對應起來，向用戶展示書包中的物品信息。此外，App擁有課程表功能，用戶填寫課程表后，App可以將書包中的物品信息與課程信息對比，提醒用戶取出、放入物品，實現(xiàn)對書包內物品的智能管理。

3 功能實現(xiàn)

3.1 硬件電路模塊

（1）硬件電路模塊。掃描模塊是系統(tǒng)主要的硬件組成，其中微控制器采用STM32F103C8T6芯片（STM32模塊），RFID芯片采用ST25RU3993芯片，GPS為模塊化組件，NB-IoT[9]（Narrow Band-Internet of Things）采用BC20模塊。

（2）STM32模塊。STM 32F103C8T6芯片的主要作用是接收RFID模塊傳送的信息并且進行處理。該芯片將配合BC20模塊，將數(shù)據信息傳送到平臺。STM32F103C8T6芯片封裝體積小、功耗低。使用該芯片能以最低的成本完成與其他硬件的配合。相比其他的ST51系列芯片，STM32F103C8T6芯片能接收更高的頻率信號，具有更優(yōu)良的數(shù)據處理能力。

（3）BC20模塊。BC20模塊主要用來連接上位機與下位機及服務器，實現(xiàn)無線傳輸功能。該模塊保證手機端能實時得到書包內書本信息，通過UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）與主芯片STM32相連，可以直接與阿里云、華為云等物聯(lián)網平臺進行通信，上傳并展示書包內書本信息和地理位置信息。BC20芯片的RX與TX引腳與STM32芯片的PB10與PB11引腳相連。

（4）RFID模塊。RFID技術是一種可以在識別系統(tǒng)與目標無接觸的情況下借助無線信號來完成識別的通信技術。ST25RU3993芯片是應用于960 MHz非接觸式通信中的高集程度射頻芯片，接收靈敏度為-75 dBm，支持掃描電子標簽。其主要功能是完成掃描書本，將讀到的數(shù)據傳送至單片機模塊再發(fā)送給上位機。它與主機之間采用串口方式通信。ZM3993的引腳TX與PA9連接，RX引腳與PA10連接。

（5）GPS模塊。GPS模塊將書包位置信息傳送給BC20模塊。GPS模塊可在低功耗狀態(tài)下保持較高的靈敏度。GPS模塊不會主動發(fā)送位置信息。GPS模塊通過計算每顆衛(wèi)星與接收機之間的偽距，采用距離交匯法，求出接收機的經度、緯度、高度、時間修正量等參數(shù)，通過串口不斷輸出NMEA[10]（National Marine Electronics Association）格式的定位信息和輔助信息，供接收者選擇。

（6）SIM 卡座。SIM卡是GSM系統(tǒng)（全球移動通信系統(tǒng)）移動用戶所使用的IC卡（Integrated Circuit Card），稱為用戶識別卡。SIM卡的主要功能是存儲用戶信息，判斷用戶身份是否合法，確保傳送信息的安全性，并且可以與GSM終端配合，接受網絡運營者提供的各種服務。

3.2 軟件功能模塊

圖3為系統(tǒng)的軟件模塊，主要由用戶管理、物品管理、定位系統(tǒng)三大功能模塊組成。

（1）GPS定位。用戶通過App向服務端請求當前書包位置，服務端通過調用阿里云物聯(lián)網接口從云端獲取當前的地理位置，并將信息返回給App。此外，App還可以請求服務器提供某一時間段內書包位置的信息，服務端也能將書包的運動軌跡信息返回給App。

（2）物品信息登記。App能對服務器提出相應的要求，并完成數(shù)據庫的修改。因此，用戶通過App可以查看或修改物品信息。

（3）物品丟失提醒。若用戶的物品丟失，服務器通過調用阿里云物聯(lián)網API獲取丟失的物品信息并返回給App。

4 系統(tǒng)實物及測試

4.1 智能書包實物及測試

系統(tǒng)測試結果如表1所示，各模塊均能完成通信。

4.2 手機客戶端App功能測試

手機App主要功能有注冊登錄、書包定位查看、物品管理、課程表、書包移動軌跡等，可打開App對全部功能進行測試。

4.2.1 賬號注冊和登錄模塊

首先通過手機號碼注冊，輸入正確的用戶名、密碼進行登錄操作，信息正確則登錄進入用戶界面，反之登錄失敗，系統(tǒng)注冊和登陸界面，如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)登錄界面

4.2.2 App主界面

登錄成功，進入主界面，如圖5所示，包括課程表、物品管理、父母叮囑等功能。

圖5 系統(tǒng)主界面

4.2.3 書包定位模塊

單擊位置，則可以查看到書包當前的位置，實時查看書包的位置。

5 結束語

本文介紹了智能書包的硬件設計和手機端App的設計，通過RFID技術可以保證每個貼有標簽物品的信息能夠被有效且快速識別并上傳到云端，用戶可以通過App實時查看物品的信息。本系統(tǒng)設計方案具有較高的借鑒和參考應用價值，具有廣闊的市場應用潛力。若再結合高德地圖，可以更進一步優(yōu)化手機端App的界面和功能設計。伴隨著AI智能、大數(shù)據技術的發(fā)展，進一步推動物品識別技術、物品定位技術[11]的進步，提升物品管理[12]智慧性，則是下一階段的重要研究方向。