基于藍(lán)牙指紋定位的智能鑰匙扣設(shè)計(jì)

王雨佳， 吳逸豪， 張 輝

(北京工業(yè)大學(xué) 信息學(xué)部，北京 100124 )

0 引 言

“找鑰匙”在日常生活中幾乎是困擾每個(gè)人的小問題，雖然不會(huì)嚴(yán)重影響生活，但確實(shí)給人們帶來了不小的麻煩。目前市面上智能鑰匙扣并不多見，且大多數(shù)智能鑰匙扣用戶體驗(yàn)感不佳?，F(xiàn)存的智能鑰匙扣大多存在一些問題如操作并不便捷，需要單獨(dú)下載App安裝后才可使用；使用過程中出現(xiàn)“斷連”現(xiàn)象，導(dǎo)致智能鑰匙扣的功能無法實(shí)現(xiàn)；沒有充電功能，需要定期購買電池進(jìn)行更換；定位不準(zhǔn)確，手機(jī)內(nèi)置地圖上顯示智能鑰匙扣的位置與實(shí)際位置相差較大；功能比較單一，僅有查找鑰匙扣的功能；外觀過于笨重，沒有設(shè)計(jì)感。

因此，針對(duì)這些問題，構(gòu)思設(shè)計(jì)了一種基于藍(lán)牙指紋定位的智能鑰匙扣，實(shí)現(xiàn)了手機(jī)控制終端操作便捷、鑰匙扣精確定位、藍(lán)牙穩(wěn)定連接、充電以及近場(chǎng)通信(near field communication，NFC)代替門禁卡等功能。同時(shí)選用盡可能小的元件，使智能鑰匙扣的體型較小，滿足大眾的審美需求。

1 整體設(shè)計(jì)

智能鑰匙扣的主要功能如下：位置查詢、鈴聲提醒、電量提醒、一鍵報(bào)警、門禁功能。智能鑰匙扣的核心模塊采用STM32L151C8T6芯片，使用鋰電池進(jìn)行供電。STM32通過GPS模塊，獲取鑰匙扣當(dāng)前的位置信息，在使用過程中將鑰匙扣的精確位置通過手機(jī)反饋給用戶，同時(shí)可配合鈴聲功能對(duì)鑰匙扣進(jìn)行更快速定位[1]。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路部分主要分為電源模塊、GPS模塊、藍(lán)牙模塊、NFC模塊、核心模塊。

2.1 電源模塊

鑰匙扣主芯片選取STM32L151C8T6，其工作電壓為1.65～3.6 V，因此，需要選取穩(wěn)壓器保證電池提供的電壓穩(wěn)定在其工作范圍內(nèi)。選用SPX1117三端穩(wěn)壓器將電池電壓穩(wěn)定在3.3 V左右。而且，在電源模塊中設(shè)有兩個(gè)穩(wěn)壓器，其中一個(gè)為單片機(jī)供電，另一個(gè)為外部設(shè)備供電，防止射頻信號(hào)與被干擾。供電模塊電路圖如圖2所示。

圖2 供電模塊電路

充電部分支持有線充電和無線充電兩種方式。有線充電部分采用TP4054作為電源管理芯片，在鑰匙扣背面嵌入兩個(gè)金屬觸點(diǎn)作為充電接口，在充電時(shí)插頭將與觸點(diǎn)通過磁鐵吸合。無線充電功能選取IDT—P9222—R作為該部分的芯片。無線充電是未來電子產(chǎn)品的發(fā)展趨勢(shì)，也可以提高用戶的體驗(yàn)感。在充電過程中，智能鑰匙扣外部的白色指示燈點(diǎn)亮，提示正在充電。充電結(jié)束后熄滅。

2.2 GPS模塊

GPS模塊選用SKG08A，其具有超小尺寸及低功耗的特點(diǎn)，符合智能鑰匙扣的設(shè)計(jì)理念。SKG08A是一個(gè)完整的GPS模塊,具有高敏感性、超低功耗和小尺寸的特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。它是基于高性能的單片機(jī)架構(gòu),其-162 dBm跟蹤靈敏度使其能在以前的GPS模塊不能定位的城市峽谷和茂盛的樹蔭這樣的環(huán)境中定位，使得智能鑰匙扣在任何角落都能被找到。

GPS模塊在智能鑰匙扣中主要實(shí)現(xiàn)的功能是提供鑰匙扣的精確位置，并且在手機(jī)的內(nèi)置地圖App中顯示其位置。在正常工作時(shí)，GPS模塊將通過藍(lán)牙模塊將實(shí)時(shí)的位置信息發(fā)送到手機(jī)上，一旦藍(lán)牙斷開連接，手機(jī)App將自動(dòng)鎖定其最后一次握手時(shí)出現(xiàn)的位置。用戶可以通過地圖上顯示的精確位置找到鑰匙扣，使用戶實(shí)現(xiàn)其最重要的查找功能[2,3]。GPS模塊電路圖如圖3所示。

圖3 GPS模塊電路

2.3 藍(lán)牙模塊

MS50SF6有一個(gè)ARM內(nèi)核Cortex—M4F的RF收發(fā)器，該藍(lán)牙模塊支持遠(yuǎn)程應(yīng)用，采用藍(lán)牙低功耗兼容技術(shù)，帶屏蔽罩，精確的接收信號(hào)強(qiáng)度指示(received signal strength indication,RSSI)，可用于室內(nèi)定位。鑰匙扣與手機(jī)較遠(yuǎn)時(shí)保持連接，避免斷連，使用戶體驗(yàn)感達(dá)到最佳，符合智能鑰匙扣與在較遠(yuǎn)距離時(shí)仍然能夠?qū)崿F(xiàn)查找功能的設(shè)計(jì)要求。

藍(lán)牙模塊的主要功能是使智能鑰匙扣與用戶的手機(jī)進(jìn)行連接，在手機(jī)上對(duì)智能鑰匙扣進(jìn)行操作，實(shí)現(xiàn)其查找的功能，并且實(shí)現(xiàn)基本的室內(nèi)定位功能。為了滿足鑰匙扣與手機(jī)通過藍(lán)牙連接實(shí)現(xiàn)其主要功能，且保證鑰匙扣的體積較小，選用小尺寸MS50SF6藍(lán)牙模塊。

智能鑰匙扣中運(yùn)用了室內(nèi)藍(lán)牙定位技術(shù)以便于使用者使用手機(jī)尋找鑰匙扣的大致位置。手機(jī)App上會(huì)以雷達(dá)圖的形式顯示出鑰匙扣與手機(jī)之間的距離、方位。藍(lán)牙測(cè)距方法通過RSSI計(jì)算距離，使用最小乘迭代算法[4,5]。其基本公式為

RSSI=-10nlogd-S0

式中RSSI為接收到的信號(hào)強(qiáng)度，n為信號(hào)受環(huán)境影響的衰減程度系數(shù)，S0為發(fā)射器與接收器相距1 m時(shí)的信號(hào)強(qiáng)度?？紤]到實(shí)際應(yīng)用環(huán)境的復(fù)雜程度，在藍(lán)牙定位功能投入使用之前大量進(jìn)行測(cè)試以進(jìn)行校準(zhǔn)[6,7]。

2.4 NFC模塊

NFC模塊選用M24LR64E—R，該芯片有I2C接口以及非接觸式接口，數(shù)字輸出引腳，能量收集等主要特性。在單一芯片上集成了非接觸式讀卡，非接觸智能卡和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的功能，在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中主要實(shí)現(xiàn)讀寫功能[8]。該芯片體積較小，符合鑰匙扣外觀的設(shè)計(jì)要求。

NFC模塊的主要功能分為兩部分。可通過手機(jī)上對(duì)應(yīng)的操作啟用NFC模塊的讀取功能，對(duì)門禁卡開始“復(fù)制”，此時(shí)手機(jī)操作頁面將提示正在進(jìn)行復(fù)制操作，當(dāng)NFC模塊復(fù)制完成后手機(jī)操作頁面將提示用戶復(fù)制工作已完成，這時(shí)鑰匙扣就可以代替門禁卡，開啟門禁。實(shí)現(xiàn)鑰匙扣和門禁卡“二合一”。另一方面，也可通過NFC的方式實(shí)現(xiàn)手機(jī)與鑰匙扣之間的通信，例如輔助進(jìn)行藍(lán)牙連接而無需在手機(jī)上手動(dòng)掃描藍(lán)牙設(shè)備[9]。NFC模塊電路圖如圖4所示。

圖4 NFC模塊電路

2.5 核心模塊

核心模塊以STM32L151C8T6為控制芯片，STM32L系列具有超低功耗的特點(diǎn)，STM32L系列產(chǎn)品基于超低功耗的ARMCortex—M3處理器內(nèi)核，采用意法半導(dǎo)體獨(dú)有的兩大節(jié)能技術(shù)：130 nm專用低泄漏電流制造工藝和優(yōu)化的節(jié)能架構(gòu)，提供業(yè)界領(lǐng)先的節(jié)能性能[10]。其低功耗的特性及芯片的體積符合智能鑰匙扣的設(shè)計(jì)初衷。

核心模塊中包含一鍵報(bào)警模塊、鈴聲模塊以及電量提醒模塊。一鍵報(bào)警模塊中包含蜂鳴警報(bào)器，用戶通過鑰匙扣的外部按鍵可以實(shí)現(xiàn)“一鍵報(bào)警”功能發(fā)出警報(bào)聲，在危機(jī)時(shí)刻可以引起他人的注意，為老人和孩子提供安全保障[11]。當(dāng)查找智能鑰匙扣位置時(shí)，可以配合GPS在手機(jī)上顯示其定位的功能選擇鈴聲提醒，更快速找到智能鑰匙扣。同時(shí)，該模塊會(huì)提示用戶智能鑰匙扣的電量，鑰匙扣外部的指示燈在電量低于5 %時(shí)會(huì)亮起紅色，提示用戶及時(shí)充電，同時(shí)在智能鑰匙扣連接手機(jī)后，會(huì)在手機(jī)上顯示其剩余的具體電量，提示用戶充電。核心模塊電路圖如圖5所示。

圖5 核心模塊電路

3 軟件部分設(shè)計(jì)

智能鑰匙扣的硬件部分基于Keil平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)，通過硬件編程實(shí)現(xiàn)其位置查詢、鈴聲提醒、電量提醒、一鍵報(bào)警、門禁等功能。

軟件部分分別為iOS系統(tǒng)和Android系統(tǒng)開發(fā)，基于現(xiàn)有的安卓系統(tǒng)上的“米家”等智能家居App，iOS系統(tǒng)中的“家庭”智能家居App進(jìn)行開發(fā)，避免用戶需要單獨(dú)下載App，使智能鑰匙扣的操作更加便捷[12]。后臺(tái)數(shù)據(jù)庫使用MySQL。

系統(tǒng)在初次使用時(shí)無需注冊(cè)，可使用AppleID或者Android系統(tǒng)上已注冊(cè)的ID。用戶打開手機(jī)上的客戶端App并開啟藍(lán)牙，使用手機(jī)NFC天線的位置觸碰鑰匙扣以建立連接，并綁定。完成后，可以為鑰匙扣修改名稱。此時(shí)，在地圖上就可顯示鑰匙扣所在的位置，可以通過軟件上的對(duì)應(yīng)操作測(cè)試鑰匙扣的主要功能。初次連接成功后，以后使用無需再次連接，只需打開藍(lán)牙，鑰匙扣便會(huì)與手機(jī)自動(dòng)配對(duì)，并在手機(jī)系統(tǒng)上提示已連接的對(duì)應(yīng)圖標(biāo)。

智能鑰匙扣與手機(jī)連接時(shí)將處于正常工作模式，當(dāng)鑰匙扣與手機(jī)斷開藍(lán)牙連接后將處于低功耗模式，降低功耗，延長使用時(shí)間[13,14]。斷開后手機(jī)App上將自動(dòng)鎖定最后一次連接時(shí)的位置，通過手機(jī)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到服務(wù)器上。

4 系統(tǒng)測(cè)試

針對(duì)完整的智能鑰匙扣系統(tǒng)在STM32開發(fā)板上完成測(cè)試，測(cè)試內(nèi)容包括系統(tǒng)初始化、藍(lán)牙連接、GPS定位等情形。測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 防丟鑰匙扣可靠性測(cè)試

測(cè)試結(jié)果表明，防丟鑰匙扣能夠正常與手機(jī)建立連接，并發(fā)送正確的定位信息。排除外部信號(hào)干擾和信號(hào)質(zhì)量不佳等原因，藍(lán)牙定位功能正常運(yùn)作。在鑰匙扣與手機(jī)連接時(shí)，可正常通過手機(jī)遙控鑰匙扣發(fā)出聲響。

5 結(jié)束語

本文基于STM32芯片、NFC、藍(lán)牙定位等技術(shù)設(shè)計(jì)了智能鑰匙扣，其具有位置查詢、一鍵報(bào)警、門禁等功能。智能鑰匙扣的誕生主要是為了幫助用戶追蹤定位鑰匙的精確位置，大大減少了人們?cè)趯ふ诣€匙時(shí)所花費(fèi)的時(shí)間和精力，避免因鑰匙丟失而帶來的損失和不必要的麻煩，甚至在一定程度上減少盜竊事件的發(fā)生。同時(shí)配合一鍵報(bào)警、門禁等功能，提升人們生活的舒適度與方便度。