基于RFID电子标签的智能书包的设计

孙邦彦　刘冬冬　陈柱江　张婷

【摘 要】本项目所研制的系统以单片机MSP430为主控芯片，利用相关的传感器技术，采用RFID电子标签以及射频识别技术，在书包内部装有相应频段的读卡器，通过蓝牙技术，实现在智能终端获取书包信息的功能。结合创新思想，各传感器之间相辅相成，弥补了现有书包的缺陷，达到亲民化、智能化。

【关键词】传感控制技术；射频识别；智能化；蓝牙模块

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，背包这一事物，在物联网日益普及的趋势下并未诞生多少智能化的产物，少数作品也是走的精英路线，售价高昂。2014年香港研发出了一款智能书包，其配备了平板电脑、摄录镜头、智能手带，旨在培养学生养成收拾书包的习惯，让家长随时知悉子女所在位置，目前还未投产，预计价格2000余元；2015年美国一开发团推出了一款公文包，其配有安全功能、数字存储选项、GPS追踪、蓝牙扬声器、内部照明灯，兼容IOS和Android，目前已经面世，零售价为599美元。因此，较之这些市面上鲜少存在的智能书包，我们的项目可谓新颖而实用。

1.2 作品设计目的

背包，对于广大社会群众来说，早已成为了生活必需品，是与自己朝夕相处的伙伴。但很多时候，由于这位贴身伙伴自身的原因，它也会给人们带来不少困扰。相信很多人都有着这样的经历：早上急匆匆地出门，好不容易到了目的地，却发现自己把重要的东西忘在了家里。或是一时疏忽，忘记将背包的拉链拉上。结果包里的物件在公共场合散落一地，令人难堪。也有些时候，因为需要，书包里不得不放上很多东西，但是因为书包本身的局限性，长此以往，就造成了年轻人骨骼的不健康发育，中老年人不堪重负。以上几种情景，均是由于当前背包的设计存在着缺陷与不足，不够人性化而导致的。因此，设计一款足够智能化的背包是有必要的。

1.3 作品特色概述

相较于世面上的书包，我们的设计更加智能化、人性化，且新颖且实用。它主要有以下特点：

（1）健康：该书包能够检测你所携带的东西是否超重，当超出了你所能承受的重量范围的话，书包会通过智能终端进行提醒，一旦提醒超重，可自行手动将肩带拉开。当下，学生书包里书本的数量越来越多，书包的重量也与日俱增。为了避免影响身体发育，我们设计了书包的超重提醒系统，它能让你的骨骼健康生长。

（2）安全：如今，低头一族随处可见。因此，能够检测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，当书包拉链没拉上的时候它也会发出提醒，避免了疏忽大意忘记拉上拉链或是遭遇小偷的窘况，保障了你的财产安全。

（3）高效：通过录入的备忘系统，在书包中放入物品时，读卡器会自动识别你所带物件，并自行进行比对，当发生缺漏时，通过手机终端发出提醒，提高行事效率。

2 系统方案

书包分为以下几个部分：

主控芯片：MSP430f149

电源设计：继电器、12V电池盒

射频识别：13.56MHz高频电子标签、RFID读卡器

避障部分：超声波测距传感器、人体红外传感器

安全防范：红外对管

称重系统：压力传感器、全桥应变片

智能终端：蓝牙4.0模块、手机app

系统框图1如下：

3 硬件设计

3.1 CPU模块

由于整体机械结构以及控制的要求，我们采用MSP430这款超低功耗单片机作为主控芯片，降低我们的系统功耗，而且内部资源丰富，处理速度快，能够提供多路的PWM控制信号[1]。其工作电压为1.8V-3.6V；采用16位精简指令结构（RISC），只有27条核心指令，8MHz时钟频率指令速度可达8M/s，大多数指令1个时钟周期内完成；片内寄存器数量多，存储器可以实现多种运算；MSP430f149有较多的中断源，且相互之间可以嵌套，当系统处于省电状态，用中断请求唤醒只需6μs；它还具有丰富的片上围模块，如看门狗（WDT）、模拟比较器A、定时器A、定时器B、串口0和1、硬件乘法器及A/D转换等，在目前所有单片机系列产品中显尤为突出，便于方案的解决。其中，12位A/D转换器带有内部参考源、采样保持和自动扫描等特性；16位定时器Timer A具有4种工作模式，可同时进行多个捕获/比较功能；有48个可独立编程的I/O口；两个串行通信接口USART0与USART1；Flash存储器多达60KB，擦写次数可达10万次；片内有JTAG调试接口，由JTAG口可以直接下载程序到Flash内进行调试，如此一来，仅一台PC机和一个JTFG 仿真器就可以进行程序调试。此外，可以使用汇编和C语言对其进行开发，有较强的通用性[2]。

3.2 数据采集模块

数据采集模块主要负责来自压力传感器和应变片的模拟信号进行调理和A/D转换。MSP430F149片内集成了12位精度的A/D转换模块ADC12，具有高速、通用的优点，它可以对8路外部模拟信号之一或4路内部电压之一进行转换[3]。因此，通过片内AD通道实现模拟量的采集，避免了使用外加的模数转换装置，降低了系统设计的复杂性，减少了外部硬件电路的搭建，并且能够提高系统的可靠性。

3.3 射频识别模块

射頻识别（Radio Frequency Identification，RFID）技术是一种非接触自动识别技术，利用射频信号通过空间耦合（电感或电磁耦合）实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的[4]。

本系统采用MF RC522芯片，它是应用于13.56MHz非接触式通信中高集成度的读写卡芯片，是一款低电压、低成本、体积小的非接触式读写卡芯片，其利用了先进的调制和解调概念，完全集成了在13.56MHz下所有类型的被动非接触式通信方式和协议。通过RS232串口，可以实现读卡器与上位机的通信[5]。此外，MSP430单片机和MF RC522之间的通信采用SPI模式，有利于减少连线，缩小PCB板体积，降低成本，同时还有较远的读卡距离。

3.4 蓝牙通信模块

本作品主要通过蓝牙实现下位机与上位机的通信，即先下位机单片机系统负责将采集到的各个传感器数据进行处理后，通过蓝牙通信，将信息传送到手机终端，通过手机APP推送通知给用户。

4 软件设计

系统软件设计采用模块化的设计方案，各子功能模块分割与硬件电路相对应。在系统上电后，单片机系统程序运行环境与一些功能寄存器的初始化，各传感器并行工作：超声波测距传感器通过超声波进行定位反应，动过数据传输，进入单片机中[6]，与设定值进行比较，并与人体红外传感器检测到的信号形成逻辑与的关系，从而进行判断是否需要避障；红外对管通过一个红外发送管与一个红外接收管协同工作，将接收管接受到的信号输入单片机，进而判断拉链的开闭；压力传感器将采集到的模拟信号，通过单片机内部12位A/D转换模块进行处理，经过相应的算法转换成数字量，与设定值进行比对，判断是否超重以及是否需要将肩带放开；RFID读卡器通过对电子标签的识别，将序列号与静态备忘录中包含物件进行比对，判断所携带物品是否产生缺漏。接着，将所有的数据信息，过蓝牙模块传输到手机终端，通过APP推送提醒消息。系统程序流程图如图2所示。

5 结束语

总之，智能化将是未来的一种必然趋势，本系统以“健康、安全、高效”为主题，弥补了现在传统智能书包的不足，通过软硬件结合的方式降低了功耗，减少了成本，更好地将科技运用到生活中去。

【参考文献】

[1]巩铎，曹响，陈楚坪，陈啸林.通风管道清扫机器人的开发设计[J].硅谷，2014（14）.

[2]沈建华，等.MSP430系统16位超低功耗单片机原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2004.

[3]张丽，李春茂，刘涛，唐春蓬.基于MSP430单片机的智能称重控制系统[J].电气应用·石化电气，2009（1）：52-55.

[4]贺利芳，范俊波.非接触式IC技术及其发展和应用[J].通信与信息技术，2003（06）.

[5]袁乐民.基于RC522的RFID读卡器电路设计实现[J].数字技术与应用，2014（12）：166-167.

[6]李念驰.智能车超声波避障[J].科技展望，2015（3）.

[责任编辑：朱丽娜]