基于RFID 技术的智能书包系统设计

蒋文美 丁文威

（东莞理工学院城市学院，广东 东莞523000）

随着科学技术的发展，各种智能化技越来越多地渗透到日常的生活当中。当今随处可见的智能穿戴设备、智能手机等等，都是生活走向智能化的标志[1]。

低年级的学生忘性较大、做事较粗心，经常忘记今天是星期几，要上的课程有哪些，需要带的是哪几本书，经常到了学校才发现书本有遗漏，本论文主要利用RFID 技术自动识别书包里的书本，并跟预设好的课程表做匹配，如有遗漏则发出提醒；通过显示屏实时显示当天所要学习的课程，实现电子课程表功能；通过跌倒检测功能检测人体跌倒状况的发生，并发送求救短信至家长手机；通过LBS+GPS 定位功能，家长能够实时定位到孩子的详细地址，防止孩子走丢。

1 系统组成

本系统主要由中央控制器、TFT 液晶显示触摸屏、RFID 阅读器、定位模块、加速度传感器模块和时钟模块组成。

系统内预置学生上课课表，根据实际日期在显示屏上面显示当天课表上对应的课程所用书本名称，将书本放进书包时RFID 阅读器自动读取所放书本的标签卡，一方面在显示屏上书本名称后面作标记，另一方面将检测结果发送短信给家长手机号码提示是否已经带齐课本。加速度传感器模块采集书包各个方向的加速度，通过算法判断书包运动状态，当发生严重跌倒状况时，蜂鸣器发出警报，并可发送求救短信给家长手机号码。定位模块采用基站定位和卫星定位的双模定位方法实现定位，定位信息通过GPRS 透传到云平台进行处理并显示到地图当中。

2 硬件设计

2.1 中央控制模块。本系统采用Arduino mega2560 微控制板作为中央控制单元，以ATmega2560 为核心处理器，工作电压5V，54 路数字输入/输出口（其中16 路可作为PWM 输出），16路模拟输入，4 路UART 接口。该控制器配有256k 的闪存、8k 的SRAM 和4k 的EEPROM[2]。

2.2 RFID 读卡模块。书本检测单元利用无线射频识别技术[3]，在书本装入书包时由RFID 读卡器读入书本上的电子标签数据，并与预置课表中的课程信息进行比较，如装入的书本与课程相符，则显示屏上对应课程后面进行标记，同时在检测完成后发送短信给家长，告知家长是否已带齐书本。RFID 读卡器通过YL0203 模块实现，工作频率为13.56MHz，读卡距离在10cm以内，可以同时进行串口输出和发命令读取，符合RFID ISO14443 TYPE A 协议规范。

2.3 加速度传感器模块。跌倒功能检测单元采用MMA7361加速度传感器来实现。此三轴加速度传感器能测量X、Y、Z 三个维度的加速度，根据不同维度的加速度可以通过算法判断书包的运动状态[4]。此传感器共有±1.5g/6g 两个量程，用户根据自己的需求自行调节。该传感器还提供休眠模式，可以做到低功耗工作，适合对电池功耗要求比较严格的设计使用。

2.4 触摸显示模块。系统采用3.2 寸的TFT 触摸显示屏HX8352B 实现课表信息、书本名称、日期时间等内容的显示和相应的触屏控制，屏幕分辨率240*400，在中央控制模块控制下可以直接显示字符和图片，同时集成有TF 卡座，可以读取卡中的图片进行显示。

2.5 时钟模块。系统采用RTC 时钟芯片DS1307 实现实时时钟功能，此芯片可对秒、分、时、日期、月份等进行计数，并具有闰年补偿功能，计年上限为2100 年。此模块使用3V 的纽扣电池供电，具有掉电存储功能，即使智能书包断电也不会影响重新开机后的时间显示。通过实时时钟的获取可以从课表中精确找到当天的课程信息，为实现准确的书本检测功能提供了保障。

2.6 定位&GSM 通信模块。定位及GSM 功能单元采用高灵敏度、集成GPRS+GPS 功能的GU620 模块，支持GSM 四频段制式，控制器通过串口对此模块进行指令的收发。由于支持GPS及GPRS 功能，在加入SIM 卡后即可通过GPS、移动通信基站进行室内和室外定位，满足智能书包任意地点都能准确定位的要求[5]。定位的结果通过地图进行显示，方便家长掌握书包的实时位置。

3 功能实现设计

3.1 屏幕显示及触屏控制。本系统所显示的课表信息等以为24 位色BMP 图片形式显示，图片存储于外置TF 卡中。首先，程序调用显示函数读取BMP 图片的每个像素点的颜色，再将每个读取的像素点颜色刷到显示屏对应的位置上，由点成线，由线成像，这样显示一个完整界面。

触屏控制功能通过ADC 采集完成，按压在触屏的不同位置会产生不同的模拟量，MCU 根据采集到的模拟量计算具体的按压位置，从而进入对应位置的响应处理。

3.2 电子时钟功能。智能书包若10 秒内没有操作则自动进入屏幕保护状态，再次点击屏幕即可恢复主界面，屏保期间给用户提供实时时间显示。屏保功能利用Arduino 的FlexiTimer2定时函数实现，每当进入主界面就启动定时任务开启时钟屏幕保护定时。

3.3 课程表功能。从主界面进入课程表模块，可以分别显示某一天的课表和整周的总课表。根据时钟模块存储的日期，判断当天是星期几，然后调用预存在TF 卡里面的课程表并显示到屏幕上，通过“上一天”、“下一天”和“整周课表”等触摸控制切换，可供用户查看当天、前一天、后一天的课程，做好适当的课前准备。

3.4 书本检测功能。从主界面进入课本检测模块，根据时钟模块读取的日期，匹配当天课程需要用到的书本，或者根据课程表功能中切换后的日期做匹配，把需要带的书本信息显示到显示屏上。通过RFID 模块读卡可识别出书本上RFID 标签的编码，编码对应着书本的名称，检测到书本后在屏幕上显示的书名后标记好，便于用户观察书本的携带情况。当所有需要的书本都检测到已经装入书包了，即发送短信给家长手机，并附带日期信息，方便家长督促孩子。

3.6 LBS+GPS 定位功能。运用LBS 基站定位和GPS 卫星定位的双模定位方法，如果GPS 信号强度足够，则直接通过GPS定位，否则获取LBS 定位数据。通过串口发送AT 指令来获取当前的基站定位信息或者标准的NMEA 位置信息码，位置码经过解析可以得到位置的经纬度，但纯粹的经纬度不方便家长知晓书包位置，因此本系统自动将经纬度通过GPRS 上传至云平台进行解析处理，既方便又高效，家长可以实时在云端地图上看到孩子的具体位置，同时具备轨迹查询的功能。

4 结论

本文设计的智能书包带液晶显示及触屏控制功能，通过预置的课程表及RFID 技术可以方便学生及家长及时掌握上学所需书本的准备情况；通过LBS&GPS 双定位方便家长了解学生的实时位置及运动轨迹；通过三轴加速度传感器检测书包即人体的运动状态，万一意外摔倒及时报警并通过短信告知家长。本设计可以对广大学生进行推广，具有一定的市场应用前景。