基于RFID的智能书包的系统设计与实现

李 帅，李晋瑄，赵存款，董文浩，张振宇，刘志宇

（太原工业学院，山西 太原 030013）

0 引言

目前，常见的物体识别技术有条形码识别、NFC（Near Field Communication）识别、RFID（Radio Frequency Identification）等[1][2][3]。RFID（无线射频识）别即射频识别技术，是自动识别技术的一种，通过无线射频方式进行非接触双向数据通信，利用无线射频方式对记录媒体（电子标签或射频卡）进行读写，从而达到识别目标和数据交换的目的。RFID技术可以实现快速物品识别，这大大地缩短了识别时间，提高了效率。为了储存和维护用户数据，本文中设计的系统结合物联网技术，将识别到的有效数据上传至云端，用户可以通过App及时地查看自己的物品。本文呈现了整个系统的功能设计，介绍了智能书包软硬件的详细设计和主要功能。

1 智能书包总体功能设计

如图1所示，下位机将RFID扫描中的数据和获取到的GPS数据通过NB-IoT上传到物联网，然后App调取物联网中的数据并发送相应的命令，从而实现双向交互。

2 系统工作流程

系统的工作流程如图2所示。基于RFID的智能书包采用stm32f103c8t6来作为主控芯片。系统运行时由主控MCU（Microcontroller Unit）来配置各模块的工作状态，协调整个系统的正常运行。主控MCU通过串口通信，采用RFID通信协议发送相应命令的方式来控制RFID模块工作。RFID模块通过高频扫描方式寻找贴在物品上的电子标签，读取标签中对应的数据信息，并通过UART[4]向主控MCU回传数据信息。此外系统中还包括GPS[5]（Global Position System）模块，可以读取书包的位置信息并通过串口将位置信息发送到主控MCU。书包通过BC20通信模块来实现所有物联网数据的上传。主控MCU收集到标签数据信息和书包GPS的位置信息后，通过AT[6]命令控制BC20[7]模块通过网络将标签数据信息和书包GPS的位置信息发送到阿里云平台[8]。在用户端，用户手机App可以读取云端的书包位置数据，对用户实时展示书包的位置信息；读取云端中RFID模块识别到的电子标签中的数据信息并将每个数据与所贴标签的物品对应起来，向用户展示书包中的物品信息。此外，App拥有课程表功能，用户填写课程表后，App可以将书包中的物品信息与课程信息对比，提醒用户取出、放入物品，实现对书包内物品的智能管理。

3 功能实现

3.1 硬件电路模块

（1）硬件电路模块。扫描模块是系统主要的硬件组成，其中微控制器采用STM32F103C8T6芯片（STM32模块），RFID芯片采用ST25RU3993芯片，GPS为模块化组件，NB-IoT[9]（Narrow Band-Internet of Things）采用BC20模块。

（2）STM32模块。STM 32F103C8T6芯片的主要作用是接收RFID模块传送的信息并且进行处理。该芯片将配合BC20模块，将数据信息传送到平台。STM32F103C8T6芯片封装体积小、功耗低。使用该芯片能以最低的成本完成与其他硬件的配合。相比其他的ST51系列芯片，STM32F103C8T6芯片能接收更高的频率信号，具有更优良的数据处理能力。

（3）BC20模块。BC20模块主要用来连接上位机与下位机及服务器，实现无线传输功能。该模块保证手机端能实时得到书包内书本信息，通过UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）与主芯片STM32相连，可以直接与阿里云、华为云等物联网平台进行通信，上传并展示书包内书本信息和地理位置信息。BC20芯片的RX与TX引脚与STM32芯片的PB10与PB11引脚相连。

（4）RFID模块。RFID技术是一种可以在识别系统与目标无接触的情况下借助无线信号来完成识别的通信技术。ST25RU3993芯片是应用于960 MHz非接触式通信中的高集程度射频芯片，接收灵敏度为-75 dBm，支持扫描电子标签。其主要功能是完成扫描书本，将读到的数据传送至单片机模块再发送给上位机。它与主机之间采用串口方式通信。ZM3993的引脚TX与PA9连接，RX引脚与PA10连接。

（5）GPS模块。GPS模块将书包位置信息传送给BC20模块。GPS模块可在低功耗状态下保持较高的灵敏度。GPS模块不会主动发送位置信息。GPS模块通过计算每颗卫星与接收机之间的伪距，采用距离交汇法，求出接收机的经度、纬度、高度、时间修正量等参数，通过串口不断输出NMEA[10]（National Marine Electronics Association）格式的定位信息和辅助信息，供接收者选择。

（6）SIM 卡座。SIM卡是GSM系统（全球移动通信系统）移动用户所使用的IC卡（Integrated Circuit Card），称为用户识别卡。SIM卡的主要功能是存储用户信息，判断用户身份是否合法，确保传送信息的安全性，并且可以与GSM终端配合，接受网络运营者提供的各种服务。

3.2 软件功能模块

图3为系统的软件模块，主要由用户管理、物品管理、定位系统三大功能模块组成。

（1）GPS定位。用户通过App向服务端请求当前书包位置，服务端通过调用阿里云物联网接口从云端获取当前的地理位置，并将信息返回给App。此外，App还可以请求服务器提供某一时间段内书包位置的信息，服务端也能将书包的运动轨迹信息返回给App。

（2）物品信息登记。App能对服务器提出相应的要求，并完成数据库的修改。因此，用户通过App可以查看或修改物品信息。

（3）物品丢失提醒。若用户的物品丢失，服务器通过调用阿里云物联网API获取丢失的物品信息并返回给App。

4 系统实物及测试

4.1 智能书包实物及测试

系统测试结果如表1所示，各模块均能完成通信。

4.2 手机客户端App功能测试

手机App主要功能有注册登录、书包定位查看、物品管理、课程表、书包移动轨迹等，可打开App对全部功能进行测试。

4.2.1 账号注册和登录模块

首先通过手机号码注册，输入正确的用户名、密码进行登录操作，信息正确则登录进入用户界面，反之登录失败，系统注册和登陆界面，如图4所示。

图4 系统登录界面

4.2.2 App主界面

登录成功，进入主界面，如图5所示，包括课程表、物品管理、父母叮嘱等功能。

图5 系统主界面

4.2.3 书包定位模块

单击位置，则可以查看到书包当前的位置，实时查看书包的位置。

5 结束语

本文介绍了智能书包的硬件设计和手机端App的设计，通过RFID技术可以保证每个贴有标签物品的信息能够被有效且快速识别并上传到云端，用户可以通过App实时查看物品的信息。本系统设计方案具有较高的借鉴和参考应用价值，具有广阔的市场应用潜力。若再结合高德地图，可以更进一步优化手机端App的界面和功能设计。伴随着AI智能、大数据技术的发展，进一步推动物品识别技术、物品定位技术[11]的进步，提升物品管理[12]智慧性，则是下一阶段的重要研究方向。