基于智能锁和防丢器的列车防丢系统研究设计

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　　摘  要：文章针对列车上遗失东西的现象，设计了列车货物防丢系统。该列车货物防丢系统由硬件装置和软件平台两部分组成。硬件装置针对体积大小不同的货物设计了智能锁和防丢器，包括低功耗蓝牙无线传输模块、蜂鸣报警模块、NFC能量收集模块等，具有物品防丢保护和定位查找功能。软件平台与硬件装置相配合使用，通过无线互联技术对硬件装置来进行操作控制。研究表明，该列车货物防丢系统有效的避免了列车上物品的丢失，为列车上的防丢设备提供技术支持。
　　关键词：列车防丢;机械智能锁;防丢器
　　中图分类号：TS914         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）14-0020-03
　　Abstract： In view of the phenomenon of losing things on the train， this paper designs a train cargo anti losing system. The system is composed of hardware device and software platform. According to the different volume and size of goods， we designed a intelligent lock and an anti loss device for the hardware device， including low-power Bluetooth wireless transmission module， beep alarm module， NFC energy collection module， etc.， which has the functions of anti loss protection and location search. The software platform is used together with the hardware device， and the hardware device is operated and controlled by wireless interconnection technology. The research shows that the system can effectively avoid the loss of goods on the train and provide technical support for the anti loss equipment on the train.
　　Keywords： train anti loss; mechanical intelligent lock; anti loss device
　　引言
　　北京交通大學的王全新提出了基于RSSI防丢系统的设计[1]，海军航空大学岸防兵学院的姚刚等人设计了基于Android与单片机的军用重要物资位置监控系统[2]，浙江师范大学工学院的周崇秋等人将传统的旅行箱与物联网技术相结合，设计采用ARM系列内核为Cortex-M3作为控制芯片，结合GPRS装置、GPS定位装置及无线蓝牙技术等，依托了OneNET物联网开放平台开发了一种旅行箱智能防丢系统[3]。但是这些方法都没有对列车上的货物防丢系统进行研究分析，在铁路网络的不断完善与高速发展的今天，选择铁路出行的人越来越多，但是列车上遗失东西的现象经常在身边发生，如行李箱、手提包之类的重要物品丢失，针对这些现象，列车货物防丢系统由此产生。该列车货物防丢系统由硬件和软件装置两部分组成。由于列车上货物主要是在行李架上，并且行李架上大都是体积较大的物品，为此创新性的设计了智能锁进行防丢保护。对于其他一些体积较小的个人物品则采用防丢器进行防丢保护。通过手机与智能锁和防丢器进行连接，沿用了以前的发射抑制原理，无线电波由传感器发出，手机端接收信号。手机端对智能锁进行通断控制。对于防丢器，如果手机端能接收到防丢器蓝牙信号就不报警，但是如果它们之间的距离超过预定的距离时，移动手机就接收不到传感器的信号，从而通过蜂鸣报警模块发出报警，向使用者提出警告。其中防丢器采用低功耗蓝牙技术[4]（Bluetooth Low Energy），即Bluetooth4.0或者Bluetooth Smart，该技术是传统蓝牙技术、高速蓝牙技术和低功耗蓝牙技术的集合。综上所述，该列车货物防丢系统有效的防止了列车上物品的丢失，为列车上的防丢设备提供技术支持。
　　1 基本原理
　　该系统根据货物体积大小分为机械智能锁和便携防丢器两种硬件设备，以及在手机端的软件控制平台。如图1所示，其中智能锁与防丢器上的传感器向手机端发送信号，人们随身携带的手机进行显示状态及操作控制。采用可折叠拉伸的机械智能锁与手机移动APP相搭配实现锁闭防丢功能，对于小件物品，如手提包、背包，采用BLE防丢器与手机移动APP搭配使用起到保护作用。
　　2 关键技术
　　2.1 低功耗蓝牙BLE技术
　　此系统的智能锁与防丢器采用低功耗蓝牙BLE技术，BLE是蓝牙4.x核心规范的延展，多用于物联网技术。与传统蓝牙相比，其物理层几乎全新，仅有部分派生于传统蓝牙中的基本传输速率（Basic Rate radio，BR）。BLE采取全新广播机制，便于设备发现并建立连接。BLE延迟低、速度快，从开始建立连接到连接建立完成仅需3ms。新的通用属性配置文件则简化了硬件设备和应用程序，提升了用户体验。BLE仅需纽扣电池供能，其峰值电流低、功耗小、工作周期短，非常适用于物联网应用场景。
　　2.2 NFC 　　NFC是Near Field Communication缩写，即近距离无线通讯技术[5]，这种NFC模块能够允许电子设备之间进行非接触式点对点数据传输交换数据。本实施例采取它的另一种使用方式，用来给智能锁系统供电。具体设计思路如下：测定NFC读卡器端场强，采用匹配频率合适的线圈进行一次采集，线圈位置置于车体上避免干扰，在NFC天线端经过整流稳压电路稳定电压值，与芯片电路板连接来对可充电电池进行充电。
　　2.3 蓝牙程序原理
　　连接程序由ARM公司提供，通过蓝牙连接协议连接其他蓝牙设备。通过检测信号失真率检测显示。在信号过低或断开连接时会驱动蜂鸣器进行报警。
　　2.4 机械智能锁
　　如图2和图3为智能锁示意图以及智能锁工作原理图，使用时只需转动折叠拉杆然后完成锁头连接即可。图4为智能锁机械装置的结构功能图，其中：1为伸缩杠，锁头位于伸缩杠尖端， 图5为锁头局部放大图，伸缩杠可以沿着其轴线方向进行任意长度伸缩。在无乘客使用时为收缩状态，有乘客取用时将其拉伸开，作为防丢装置的保护横梁，同时拉伸后可将卡簧送至锁头处，完成锁闭。2为通孔的卡簧，能延长至锁处，实现锁定，如图6所示。同时在卡簧处安装有NFC能量收集线圈，当每次使用者使用时，通过把锁扣在车体上，卡簧上的线圈与车体上的线圈相互感应产生能量进而给蓄电池反向充电，NFC能量收集技术的使用使得蓄电池的使用寿命得到大大延长。该蓄电池可作为电源直接给智能锁供电同时也可以作为备用电源来给智能锁进行续航。3为锁头，机构简单，实用性强;4为储物仓，大小为1000*400mm，基本可以放下日常行李。
　　3 软件系统的整体设计
　　此防丢系统的配套软件的主要功能在配置、控制和关于软件三方面进行设计，在技术上，结合BLE和NFC技术首先搭建物联网，然后建立基站。如图7所示。
　　4 结论
　　（1）可折叠式智能锁在保证不占用空间优化的同时，依靠无线互联技术有效的实现了列车上物品的丢失。
　　（2）NFC能量收集技术的使用大大延长了智能锁系统的使用时间。
　　（3）BLE防丢器在手机和防丢器蓝牙之间建立连接，每15秒自动检测一次连接状态。将防丢器放在要防丢的小件物品上，一旦物品离开手机的距离超过一定范围，防丢器蜂鸣报警，同时手机立即发出报警。
　　（4）防丢器有两种工作模式。一种普通模式，一种Beacon广播模式。两种模式功耗和功能都有不同。普通模式耗能少具有双向寻物，以及防丢功能。Beacon广播模式除了普通模式的功能外，还有定位和自定义广播功能，功耗相对增加。
　　参考文献：
　　[1]王全新，许仕旺.基于RSSI防丢系统设计与距离转化算法优化[J].中国新通信，2019，21：57-59.
　　[2]姚刚，孙涛，桑德一，等.基于Android與单片机的军用重要物资位置监控系统[J].软件导刊，2019（10）：121-124.
　　[3]周崇秋，沈瑾佳，蔡其恩，等.基于物联网技术的智能旅行箱防丢系统[J].电脑编程技巧与维护，2019（01）：118-119+150.
　　[4]赵帅豪，王坚.一种基于低功耗蓝牙的室内定位技术[J].北京测绘，2020，34：100-104.
　　[5]李怡馨，梁宇轩，王晓婷，等.一种基于NFC的智能化安全门锁设计[J].中国科技信息，2020（Z1）：68-69.
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