指紋防盜式智能助力行李箱的研究

引 言

隨著生活水平的提高與便捷服務(wù)產(chǎn)業(yè)的不斷完善，越來(lái)越多的人性化智能產(chǎn)品深受歡迎，給人們提供生活便利。行李箱是人們出行的必備工具，但這樣一個(gè)方便實(shí)用的工具卻有一個(gè)缺點(diǎn) ：使用者單身一人暫離時(shí)難以保證它的安全，雖然隨身拉著行李箱在少部分場(chǎng)合下是可行的，但是在火車(chē)站、汽車(chē)站等高密度人群活動(dòng)地帶，恰巧人們?cè)谙胍蠋臅r(shí)候，時(shí)常會(huì)因?yàn)殡y以保證行李箱內(nèi)貴重物品的安全而頭痛。另外，長(zhǎng)時(shí)間的拉動(dòng)行李箱經(jīng)常造成手掌疲勞酸痛，在出行的奔波勞累中增加了身體負(fù)擔(dān)，會(huì)大大降低出行效率。指紋型密碼鎖是市場(chǎng)發(fā)展的趨勢(shì)，以人體指紋為識(shí)別載體和手段的智能鎖，其唯一性和不可復(fù)制性決定了其具有更高安全性。為此，本文有針對(duì)性的設(shè)計(jì)了一款帶指紋防盜功能的智能助力行李箱，安全防盜，很好的結(jié)合當(dāng)前的市場(chǎng)規(guī)律、消費(fèi)者的消費(fèi)觀念以及市場(chǎng)需求，具有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值和推廣性 [1-3]。

1 設(shè)計(jì)原理

本文研究的指紋防盜式智能助力行李箱以 STC89C52RC 單片機(jī)為核心處理器，由指紋識(shí)別、防盜與報(bào)警、控制與驅(qū)動(dòng)等模塊組成。其中驅(qū)動(dòng)模塊包括電動(dòng)萬(wàn)向輪驅(qū)動(dòng)以及傳感器報(bào)警驅(qū)動(dòng)。本設(shè)計(jì)的工作流程 ：在用戶(hù)暫離時(shí)，按下自鎖防盜按鈕，行李箱萬(wàn)向輪進(jìn)入自鎖狀態(tài)，同時(shí)中央處理器通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)行李箱紅外距離傳感器監(jiān)視行李箱的位置，一旦出現(xiàn)異動(dòng)，報(bào)警電路通過(guò)揚(yáng)聲器語(yǔ)音報(bào)警 ；待用戶(hù)回來(lái)后通過(guò)指紋識(shí)別解除行李箱萬(wàn)向輪自鎖狀態(tài)和傳感報(bào)警電路的監(jiān)視報(bào)警狀態(tài) ；在用戶(hù)行進(jìn)過(guò)程中，中央處理器通過(guò)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)萬(wàn)向輪來(lái)幫助使用者驅(qū)動(dòng)行李箱。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖 1 所示。

2 主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該指紋防盜式智能助力行李箱的硬件部分采用 Altium Designer 6.9 軟件仿真，該部分由電源模塊以及驅(qū)動(dòng)電路組成， 其中驅(qū)動(dòng)電路主要驅(qū)動(dòng)行李箱的電動(dòng)萬(wàn)向輪。

2.1 電源部分

考慮到行李箱在長(zhǎng)途旅途中需要長(zhǎng)時(shí)間助力以及防盜， 本設(shè)計(jì)將采用型號(hào)為 CNLN12-30A的大容量可充電鋰離子電池組進(jìn)行整體供電，其標(biāo)準(zhǔn)輸出電壓為 12V，額定容量為30Ah，充電電壓為 12.6V，充電電流為 0.5～1A，工作電壓范圍為 10.8 ～12.6V，連續(xù)放電時(shí)間長(zhǎng)達(dá) 8h，電池尺寸為25 mm×100 mm×155 mm，重量為 1 kg，將電池組固定在行李箱內(nèi)底部中心位置，緊貼行李箱底壁可加快整體散熱。本設(shè)計(jì)中的單片機(jī)、揚(yáng)聲器電路、指紋模塊等硬件模塊均為 5 V 供電電壓，所以用 LM2940 將鋰電池電壓輸出由 12 V 轉(zhuǎn)換為 5 V。由于指紋處理系統(tǒng)中 DSP 的工作電壓為 3.3 V， 故將 LM2940 電路輸出的 5 V 電壓轉(zhuǎn)化為 3.3 V[4-6]。

2.2 驅(qū)動(dòng)電路

本文研究的指紋防盜式智能助力行李箱的驅(qū)動(dòng)電路模塊包括行李箱萬(wàn)向輪電機(jī)驅(qū)動(dòng)和傳感報(bào)警電路驅(qū)動(dòng)。為了確保行李箱能夠在惡劣的環(huán)境下正常工作，萬(wàn)向輪驅(qū)動(dòng)將 L298N 作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的驅(qū)動(dòng)核心，并采用一路 L298N驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)二路直流電機(jī)，即拉桿正下方的兩個(gè)萬(wàn)向輪為電動(dòng)萬(wàn)向輪，另外兩個(gè)為從動(dòng)萬(wàn)向輪。為防止直流電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)瞬間對(duì)其他數(shù)字芯片造成干擾，控制電路和驅(qū)動(dòng)電路之間采用光耦隔離控制，消除直接進(jìn)行電路連接造成的干擾，輸出端接整流二極管，防止因反向電壓過(guò)大而擊穿 L298N芯片，提高系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性。本文采用了智能電動(dòng)式電子控制動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有跟隨性好、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿(mǎn)足轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)的要求。在使用者正常步行拉動(dòng)行李箱的過(guò)程中給予適當(dāng)助力驅(qū)動(dòng)及轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)。傳感器驅(qū)動(dòng)電路主要用來(lái)驅(qū)動(dòng)紅外距離傳感器以及揚(yáng)聲器報(bào)警電路。紅外距離傳感器是一種基于紅外線反射原理對(duì)物體距離進(jìn)行距離測(cè)量的傳感器。本設(shè)計(jì)中紅外測(cè)距傳感器模塊采用夏普GP2Y0A21YK0F，其具體參數(shù)見(jiàn)表 1 所列。

在傳感器驅(qū)動(dòng)報(bào)警設(shè)計(jì)中，因?yàn)樵摼嚯x傳感器嵌入在行李箱底部，且由于行李箱底座下的紅外距離傳感器距離地面的距離是恒定的，多為 5 ～ 8 cm，當(dāng)使用者開(kāi)啟自鎖防盜模式后紅外距離傳感器開(kāi)始工作，持續(xù)監(jiān)測(cè)其與地面的距離。本文采用的紅外距離傳感器能在 3 s 內(nèi)進(jìn)行 10 次地面距離 H 的檢測(cè)，當(dāng)傳感器檢測(cè)到距離 H 連續(xù)三次大于 10 cm時(shí)，中央處理器就會(huì)驅(qū)動(dòng)報(bào)警電路利用揚(yáng)聲器選擇在 300 ～3 400 Hz 頻率范圍內(nèi)進(jìn)行語(yǔ)音報(bào)警。若使用者想更改停留地點(diǎn)，則先進(jìn)行指紋解鎖，解除自鎖防盜模式后方可繼續(xù)前行，如果再次按下自鎖防盜按鈕，傳感報(bào)警系統(tǒng)將重新接收到新數(shù)據(jù)，進(jìn)行下一循環(huán)的判斷與報(bào)警 [7-8]。

3 軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本文研究的指紋防盜式智能助力行李箱采用的核心處理器 STC89C52RC 的軟件程序是在 Keil μVision4 平臺(tái)上由 C語(yǔ)言編寫(xiě)調(diào)試而成，并通過(guò)由 Proteus 8 Professional 平臺(tái)搭建的模擬硬件結(jié)構(gòu)環(huán)境進(jìn)行測(cè)試與調(diào)試。經(jīng)過(guò)多次優(yōu)化的軟件搭配硬件電路共同承擔(dān)該設(shè)計(jì)的智能化功能。軟件設(shè)計(jì)主要包括指紋錄入、識(shí)別與驗(yàn)證、修改與刪除等。本文研究的行李箱指紋采集采用 8 bit 黑白數(shù)字 COMS圖像傳感器作為圖像獲取器件，成本低、分辨率高、可靠性好。圖像識(shí)別過(guò)程中，采用 GABOR 算法彌補(bǔ)因手指多汗等原因造成圖像質(zhì)量變差的不足。指紋處理系統(tǒng)采用DSP+STC89C52RC 體系結(jié)構(gòu)提高中央處理器的資源利用率，增大系統(tǒng)運(yùn)行的并行程度。DSP 處理芯片重點(diǎn)負(fù)責(zé)指紋圖像信息的錄入、匹配與別、修改與刪除等工作。使用者在使用前首先將本人指紋信息錄入指紋模塊內(nèi)，后期可刪除與修改。指紋處理流程如圖 2 所示。

4 結(jié) 語(yǔ)

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室模擬以及電腦仿真，試驗(yàn)結(jié)果表明，該指紋防盜式智能助力行李箱完全可行，該設(shè)計(jì)方案以及技術(shù)指標(biāo)均符合設(shè)計(jì)要求，是一種工作穩(wěn)定、安全可靠且用途廣泛的出行必備智能行李箱。該設(shè)計(jì)能在使用者前行過(guò)程中進(jìn)行適當(dāng)助力，在使用者暫離時(shí)開(kāi)啟自鎖防盜模式后行李箱無(wú)法被水平移動(dòng)，且在自鎖時(shí)行李箱一旦被提起，距離傳感器異常，中央處理器就會(huì)及時(shí)進(jìn)行語(yǔ)音報(bào)警，并且變?yōu)樵谌藶橥饬η闆r下無(wú)法解除自鎖防盜的實(shí)時(shí)安全監(jiān)測(cè)狀態(tài)，唯有使用者使用指紋識(shí)別解除自鎖防盜模式后方可繼續(xù)行進(jìn)。但在實(shí)驗(yàn)?zāi)M仿真成功后的模型構(gòu)建中遇到的主要困擾就是當(dāng)前市場(chǎng)并未有小型電動(dòng)萬(wàn)向輪的研究與開(kāi)發(fā)，導(dǎo)致本設(shè)計(jì)的成果轉(zhuǎn)化存在一定困難。本研究的設(shè)計(jì)結(jié)果可為相關(guān)產(chǎn)品研究提供思路和方案參考。