指纹防盗式智能助力行李箱的研究

引 言

随着生活水平的提高与便捷服务产业的不断完善，越来越多的人性化智能产品深受欢迎，给人们提供生活便利。行李箱是人们出行的必备工具，但这样一个方便实用的工具却有一个缺点 ：使用者单身一人暂离时难以保证它的安全，虽然随身拉着行李箱在少部分场合下是可行的，但是在火车站、汽车站等高密度人群活动地带，恰巧人们在想要上厕所的时候，时常会因为难以保证行李箱内贵重物品的安全而头痛。另外，长时间的拉动行李箱经常造成手掌疲劳酸痛，在出行的奔波劳累中增加了身体负担，会大大降低出行效率。指纹型密码锁是市场发展的趋势，以人体指纹为识别载体和手段的智能锁，其唯一性和不可复制性决定了其具有更高安全性。为此，本文有针对性的设计了一款带指纹防盗功能的智能助力行李箱，安全防盗，很好的结合当前的市场规律、消费者的消费观念以及市场需求，具有较强的应用价值和推广性 [1-3]。

1 设计原理

本文研究的指纹防盗式智能助力行李箱以 STC89C52RC 单片机为核心处理器，由指纹识别、防盗与报警、控制与驱动等模块组成。其中驱动模块包括电动万向轮驱动以及传感器报警驱动。本设计的工作流程 ：在用户暂离时，按下自锁防盗按钮，行李箱万向轮进入自锁状态，同时中央处理器通过控制驱动电路驱动行李箱红外距离传感器监视行李箱的位置，一旦出现异动，报警电路通过扬声器语音报警 ；待用户回来后通过指纹识别解除行李箱万向轮自锁状态和传感报警电路的监视报警状态 ；在用户行进过程中，中央处理器通过驱动电动万向轮来帮助使用者驱动行李箱。系统结构设计如图 1 所示。

2 主要结构设计

该指纹防盗式智能助力行李箱的硬件部分采用 Altium Designer 6.9 软件仿真，该部分由电源模块以及驱动电路组成， 其中驱动电路主要驱动行李箱的电动万向轮。

2.1 电源部分

考虑到行李箱在长途旅途中需要长时间助力以及防盗， 本设计将采用型号为 CNLN12-30A的大容量可充电锂离子电池组进行整体供电，其标准输出电压为 12V，额定容量为30Ah，充电电压为 12.6V，充电电流为 0.5～1A，工作电压范围为 10.8 ～12.6V，连续放电时间长达 8h，电池尺寸为25 mm×100 mm×155 mm，重量为 1 kg，将电池组固定在行李箱内底部中心位置，紧贴行李箱底壁可加快整体散热。本设计中的单片机、扬声器电路、指纹模块等硬件模块均为 5 V 供电电压，所以用 LM2940 将锂电池电压输出由 12 V 转换为 5 V。由于指纹处理系统中 DSP 的工作电压为 3.3 V， 故将 LM2940 电路输出的 5 V 电压转化为 3.3 V[4-6]。

2.2 驱动电路

本文研究的指纹防盗式智能助力行李箱的驱动电路模块包括行李箱万向轮电机驱动和传感报警电路驱动。为了确保行李箱能够在恶劣的环境下正常工作，万向轮驱动将 L298N 作为电机驱动模块的驱动核心，并采用一路 L298N驱动电路驱动二路直流电机，即拉杆正下方的两个万向轮为电动万向轮，另外两个为从动万向轮。为防止直流电动机启动瞬间对其他数字芯片造成干扰，控制电路和驱动电路之间采用光耦隔离控制，消除直接进行电路连接造成的干扰，输出端接整流二极管，防止因反向电压过大而击穿 L298N芯片，提高系统整体的稳定性。本文采用了智能电动式电子控制动力转向系统，该系统具有跟随性好、响应速度快等优点，能够满足转向助力系统的要求。在使用者正常步行拉动行李箱的过程中给予适当助力驱动及转向驱动。传感器驱动电路主要用来驱动红外距离传感器以及扬声器报警电路。红外距离传感器是一种基于红外线反射原理对物体距离进行距离测量的传感器。本设计中红外测距传感器模块采用夏普GP2Y0A21YK0F，其具体参数见表 1 所列。

在传感器驱动报警设计中，因为该距离传感器嵌入在行李箱底部，且由于行李箱底座下的红外距离传感器距离地面的距离是恒定的，多为 5 ～ 8 cm，当使用者开启自锁防盗模式后红外距离传感器开始工作，持续监测其与地面的距离。本文采用的红外距离传感器能在 3 s 内进行 10 次地面距离 H 的检测，当传感器检测到距离 H 连续三次大于 10 cm时，中央处理器就会驱动报警电路利用扬声器选择在 300 ～3 400 Hz 频率范围内进行语音报警。若使用者想更改停留地点，则先进行指纹解锁，解除自锁防盗模式后方可继续前行，如果再次按下自锁防盗按钮，传感报警系统将重新接收到新数据，进行下一循环的判断与报警 [7-8]。

3 软件系统实现

本文研究的指纹防盗式智能助力行李箱采用的核心处理器 STC89C52RC 的软件程序是在 Keil μVision4 平台上由 C语言编写调试而成，并通过由 Proteus 8 Professional 平台搭建的模拟硬件结构环境进行测试与调试。经过多次优化的软件搭配硬件电路共同承担该设计的智能化功能。软件设计主要包括指纹录入、识别与验证、修改与删除等。本文研究的行李箱指纹采集采用 8 bit 黑白数字 COMS图像传感器作为图像获取器件，成本低、分辨率高、可靠性好。图像识别过程中，采用 GABOR 算法弥补因手指多汗等原因造成图像质量变差的不足。指纹处理系统采用DSP+STC89C52RC 体系结构提高中央处理器的资源利用率，增大系统运行的并行程度。DSP 处理芯片重点负责指纹图像信息的录入、匹配与别、修改与删除等工作。使用者在使用前首先将本人指纹信息录入指纹模块内，后期可删除与修改。指纹处理流程如图 2 所示。

4 结 语

经过实验室模拟以及电脑仿真，试验结果表明，该指纹防盗式智能助力行李箱完全可行，该设计方案以及技术指标均符合设计要求，是一种工作稳定、安全可靠且用途广泛的出行必备智能行李箱。该设计能在使用者前行过程中进行适当助力，在使用者暂离时开启自锁防盗模式后行李箱无法被水平移动，且在自锁时行李箱一旦被提起，距离传感器异常，中央处理器就会及时进行语音报警，并且变为在人为外力情况下无法解除自锁防盗的实时安全监测状态，唯有使用者使用指纹识别解除自锁防盗模式后方可继续行进。但在实验模拟仿真成功后的模型构建中遇到的主要困扰就是当前市场并未有小型电动万向轮的研究与开发，导致本设计的成果转化存在一定困难。本研究的设计结果可为相关产品研究提供思路和方案参考。