防丢失报警器的设计与实现
摘要：随着科技的发展和社会的进步，现代生活节奏越来越快，而遗忘或丢失随身携带的重要物品，已经成为困扰人们生活的重要问题。随着现代无线通信技术的发展，蓝牙通信方式可靠性高、抗干扰能力强、稳定性强、能耗低，利用蓝牙技术可以帮助人们防盗和查找。因此，研究设计出实用的基于蓝牙4.0技术和51单片机的智能防丢失报警器，具有极高的市场价值。本设计将利用蓝牙4.0模块和51单片机，设计实现智能防丢失报警器。该设计主要实现的功能有：（1）通过智能手机App主动搜索并配对与物品绑定的智能防丢失报警器。（2）通过智能手机App主动触发与物品绑定的智能防丢失报警器报警。（3）当智能手机与智能防丢失报警器硬件链路断开时，即认定超过安全距离，智能手机与智能防丢失报警器一起报警。
关键词：蓝牙4.0技术 51单片机 智能防丢失报警器 手机App 编程
1 文献综述
随着人民生活水平的日益提高，居民家中财物日益增多，迫切需要一种性能可靠、价格实惠的防盗报警器来保护自己的财产。而目前市场上销售的防盗报警器有的价格昂贵，有的体积大，有的可靠性差。采用51单片机作为主要元器件，不仅电路结构简单，成本低廉，而且性能稳定可靠，但比较适合门窗防盗使用[1]。
社会经济的发展和城市化进程的加速，社会老龄化步伐加快，独生子女家庭、丁克家庭和空巢老人越来越多，饲养宠物成为许多家庭必不可少的生活方式，于此同来的是宠物的丢失问题。而且有的宠物十分昂贵，一旦宠物丢失会给人们带来很大损失，而且丢失的宠物无人管理，还会造成环境污染。当今市场目前已批量生产的防丢装置还主要针对于人类，针对宠物的还鲜而少见。专为宠物设计的防丢失器，实现宠物的远距离快速定位和远离报警功能。该装置基于AT89C52单片机作为MCU，结合无线通信模块nRF2401的无线距离报警器，通过从机向主机不间断的发送信号，当从机离开主机能够接受的范围时母机会自动进行声光报警。并且采用无线通信技术和全球卫星定位（GPS）技术，成本低廉，能监控较大范围，操作简单，而且数据传输快。利用GSM系统，可以迅速将宠物的位置以信息的方式传送至手机，做到对宠物的实时监控[2]。
RFID ( Radio Frequency Identification) 射频识别是一种非接触式的自动识别技术,它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据。RFID的硬件组件包括RFID标签、识读器和天线，用于识别和捕捉RFID标签中的数据；系统中还有主机，用于运行处理数据的应用程序，并连接网络。RFID标签分为被动标签、主动标签和半主动标签,近距离电子防丢报警器是一种类似于主动标签的应用。主动电子标签内装有电池，一般具有较远的阅读距离。在日常生活中，人们由于种种原因会遗忘或丢失重要的东西，近距离电子防丢报警器就是针对这种情况设计的，把主机(识读器)带在身上，子机(RFID标签)放在需要监测的物品上，当子机离主机超过一定距离时，主机报警提示。这样可以减少遗忘或丢失物品对人们造成的各种损失和不便[3]。
基于蓝牙的物品防丢失报警是一款利用蓝牙无线通信信号进行物品防丢失的检测技术，它要求与具有蓝牙功能的手机配合使用。可以将蓝牙防丢失报警器固定在易丢失的物品上，在蓝牙防丢失报警器与手机之间会先建立蓝牙连接，一旦该物品离手机的距离超过规定距离（比如超过10m），手机和蓝牙防丢失报警器的蓝牙连接信号就会变差或消失，此时手机和蓝牙防丢失报警器就都会同时发出报警声，提醒主人东西可能丢了。再比如人们经常有找不着东西如钥匙的经历，如果我们将蓝牙防丢失报警器挂在钥匙串上，同时与蓝牙手机进行蓝牙连接，当我们找不着钥匙时，可以主动将手机与钥匙串的蓝牙连接断开，此时钥匙串上的蓝牙防丢失报警器一样也会发出报警提醒的声音，从而可以根据报警声轻松地找到钥匙串[4]。
蓝牙4.0最大的特点在于低功耗,同时加强不同OEM厂商之间的设备兼容性,并且降低延迟,该标准芯片被大量的手机、平板所采用。蓝牙技术联盟大中华区技术市务经理吕荣良表示，“随着蓝牙技术由手机、游戏、耳机、便携电脑和汽车等传统应用领域向物联网、医疗等新领域的扩展，对低功耗的要求会越来越高。4.0版本强化了蓝牙在数据传输上的低功耗性能。”另外蓝牙4.0依旧向下兼容，包含经典蓝牙技术规范和最高速度24Mbps的蓝牙高速技术规范。三种技术规范可单独使用，也可同时运行[5]。
2 选题背景及其意义
在信息高速发展的今天，各种高科技产物都在推行小巧、便捷，这也就带来了一个问题，那就是容易丢失。比如一些小的东西，钥匙、银行卡、手机之类的很容易被周围的东西埋没，同时贵重物品丢失给很多人带来了不便。
蓝牙4.0的低功耗无线网络通信技术，相比较其他无线通信技术而言，BLE具有安全性高的优点，不会对使用者产生任何安全威胁，蓝牙4.0技术的智能防丢失报警器有很广的发展前景。在通信方面采用具有低功耗、可靠、无限制、通信安全等优点的蓝牙4.0技术，通过使用CC2541芯片所具有的蓝牙4.0BLE协议进行设备互联以及无线数据的收发，可实现一种新颖的智能防丢失报警器设计。
因此，为了解决重要物品丢失或遗忘的问题，达到找到丢失或遗忘的重要物品和报警提示防止重要物品丢失或遗忘的目的，本文提出一种基于蓝牙4.0技术和51单片机的智能防丢失报警器设计与实现方案。该智能防丢失报警器设计可实现智能防丢失报警器硬件与手机通信，从而达到物品查找、预防报警的功能，可有效找到重要物品，防止物品被盗，具有重要的市场价值。
综上所述,本文将基于蓝牙4.0技术和51单片机完成防丢失报警器的设计与实现。本设计包含智能防丢失报警器硬件及智能防丢失报警器App，将实现的功能有三点：通过智能手机App主动搜索并配对与物品绑定的智能防丢失报警器；通过智能手机App主动触发与物品绑定的智能防丢失报警器报警；当智能手机与智能防丢失报警器硬件链路断开时，即认定超过安全距离，智能手机与智能防丢失报警器一起报警。
3 研究内容
3.1 总体设计
本设计包括智能防丢失报警器硬件及智能防丢失报警器App。智能防丢失报警器硬件由STC89C52单片机、晶振电路、复位电路、蓝牙4.0模块、电源模块、指示灯模块、蜂鸣器模块组成。智能防丢失报警器App基于Android 4.2提供的蓝牙协议栈设计该智能防丢失报警器软件。通过该软件实现智能防丢失报警器与智能手机间的相互通信。
主要实现的功能包括：打开智能防丢失报警器软件和主板蓝牙模块进行配对，配对后单片机通过蓝牙4.0模块向手机发送数据，手机蓝牙实时接收数据。通过智能防丢失报警器软件可直接控制蓝牙主板上的有源蜂鸣器发出报警声。当手机和蓝牙主板超过一定距离，手机蓝牙和蓝牙主板链路断开时，即认定超过安全距离，手机发出报警声，同时蓝牙主板上的有源蜂鸣器发出报警。当蓝牙连接失败，手机通知栏提示连接失败，蓝牙主板指示灯闪烁；当蓝牙模块和手机连接成功，手机通知栏提示连接成功，蓝牙主板指示灯常亮。总体布局如图1所示。
图1 总体布局图
3.2 硬件设计
本设计中的蓝牙防丢器硬件主要采用STC89C52单片机，作为整个智能防丢失报警器硬件的主控模块。因为该单片机模块价格便宜、编程简单，故选取该单片机作为智能防丢失报警器硬件的主控模块。根据本智能防丢失报警器定义的功能，将智能防丢失报警器硬件部分分成4个主要模块：蜂鸣器模块、电源模块、蓝牙模块、指示灯模块。本智能防丢失报警器将采用的蓝牙模块是TI公司CC2541蓝牙（Bluetooth）模块，属于主从一体蓝牙模块，符合针对单模式蓝牙低能耗（BLE）解决方案的4.0协议的堆栈，具有高性能、低功耗等特点，同时具有透传、远控、PIO采集三种功能，有着高集成度、易于开发的优势。图2是硬件部分构成图。
图2 硬件部分构成图
3.3 软件设计
系统软接口包括单片机端程序和手机端程序，图3是单片机端的程序流程图，图4是手机端的程序流程图。
图3 单片机端程序流程图
本设计利用Android 4.2以上系统所提供的蓝牙协议栈，进行智能防丢失报警器硬件与Android 4.2以上系统的智能手机的通信与连接。通过智能防丢失报警器软件实现智能防丢失报警器功能。
软件功能主要包括：搜索智能防丢失报警器设备，与指定的智能防丢失报警器硬件连接通信，主动触发智能防丢失报警器硬件报警，当与智能防丢失报警器硬件链路断开时手机自动报警。
根据软件功能，把功能主要划分为3个模块：搜索模块、通信模块、服务模块。搜索模块主要进行信号扫描，将搜索到的蓝牙的UUTD和地址通过服务模块存入数据库，并与指定的UUTD值做对比。若对比一致，则证明是指定的智能防丢失报警器硬件，同时主动与其连接。通信模块接收服务层的信号，向智能防丢失报警器硬件发出信号进行通信，实现手机触动智能防丢失报警器硬件的蜂鸣器进行报警。当蓝牙链路断开时，启动服务模块的alarm函数，手机端主动报警。
4 工作特色及其难点，拟采取的解决措施
工作特色：
本文提出的基于蓝牙4.0技术和51单片机的智能防丢失报警器设计与实现方案，利用Android 4.2系统以上的智能手机与智能防丢失报警器硬件可进行双向通信；利用蓝牙4.0技术，克服遗忘传统蓝牙防丢器所采用的蓝牙2.0技术高能耗的缺陷，具有较高的市场价值，有广阔的应用前景。
工作难点：
（1）安全距离如何设定？
（2）采用何种开发板？
（3）如何缩短系统开发周期？
（4）应该采用有源蜂鸣器还是无源蜂鸣器？
拟采取的解决措施：
第（1）个难点解决措施：传统蓝牙有3个功率级别：Class1、Class2、Class3，分别支持100m、10m、1m的传输距离，而低功耗蓝牙是无功率级别的，传输距离在10-20m内，一般发送功率在-21~5dBm。低功耗蓝牙，也可称其为智能蓝牙，是一种智能、低功耗的无线技术。因智能防丢失报警器的功能需要，安全距离不应超过20m，所以应选择低功耗蓝牙。这项技术通过缩小智能设备的尺寸、降低其价格与复杂性，进一步提高了其智能化程度。目前，低功耗蓝牙技术已被广泛使用，并且只需一粒纽扣电池就能运行很长时间。
第（2）个难点解决措施：开发板采用核心板和底板分离的设计，核心板带有板载PCB天线和外接SMA天线两种尺寸。根据智能防丢失报警器功能实现的需要，本设计将选用的是PCB板载天线，一方面，端口完全对外开放；另一方面，模块采用邮票型接口形式。因此，使用时不仅省去设计射频硬件的问题，而且在产品结构和软件上具有更灵活的扩展性。该模块特别适合运用于基于蓝牙4.0技术的智能防丢失报警器的设计与实现。它不仅能增强数据传输的可靠性和抗干扰性，减少信号传递过程中障碍物的影响；还能显著延长电池寿命。
第（3）个难点解决措施：本设计在开发阶段中将使用04EB仿真器进行软硬件调试。通过仿真器与集成开发环境相结合，不仅可以对系统程序进行单步调试、断点调试、全速调试，还可以观察各类寄存器的实时数据、各种变量的变化、程序的执行情况等。利用04EB仿真器可以实现对软硬件电路的实时调试，快速找到程序中的逻辑错误，从而大大缩短系统开发周期。总之，04EB仿真器在系统开发中发挥着不可或缺的作用。
第（4）个难点解决措施：本设计将采用有源蜂鸣器，有源蜂鸣器工作的理想信号是直流电，通常标示为VDC、VDD等。因为蜂鸣器内部有一简单的振荡电路，能将恒定的直流电转化成一定频率的脉冲信号，从面实出磁场交变，带动钼片振动发音。而无源蜂鸣器没有内部驱动电路，有些公司和工厂称为讯响器，国标中称为声响器，无源蜂鸣器工作的理想信号方波，如果给预直流信号蜂鸣器是不响应的，因为磁路恒定，钼片不能振动发音。
5 论文工作量及预期进度
论文工作量：
课题主要内容：
（1）阅读文献，撰写开题报告；
（2）完成系统的硬件模块设计和毕业论文；
（3）开题答辩和毕业答辩。
毕业设计作品：
（1）开题报告；
（2）模块的硬件和软件设计；
（3）毕业论文。
预期进度安排：
2018年11月20日---- 2019年01月03日：开题报告；
2019年01月03日---- 2019年04月06日：软硬件设计，论文初稿，中期检查；
2019年04月07日---- 2019年04月30日：软件完善与论文完善；
2019年05月01日---- 2019年05月18日：软硬件提交验收，答辩准备；
2019年05月13日---- 2019年05月31日：毕业答辩与补答辩。
6 预期成果及其可能的创新点
预期成果：利用蓝牙4.0模块和51单片机，设计实现智能防丢失报警器。该智能防丢失报警器可实现智能防丢失报警器硬件与手机通信，从而达到物品查找、预防报警的功能，可有效找到重要物品，防止物品被盗。
可能的创新点：
（1）使用方便：无需外界网络的支持，智能防丢失报警器与手机配对连接后便可自动实现相应功能；
（2）人性化设计：可与Android 4.2以上系统的智能手机进行通信与连接；
（3）紧急的报警功能：在无障碍物情况下，一旦智能防丢失报警器与手机的距离超过10m时，手机就接收不到智能防丢失报警器发出的信号，蜂鸣器与手机就会报警；
（4）节能环保：蓝牙4.0技术本身具有低功耗特性，一枚纽扣锂电池能使智能防丢失报警器工作不少于三个月；
（5）安全：低功耗蓝牙4.0技术釆用AES-128算法来对数据进行加密或解密，同时，在数据的传输方面采用由许多蓝牙设备组成的网络大大提高了安全性；
（6）可靠：由于采用了跳频技术，蓝牙4.0智能防丢失报警器在性能上稳定可靠，即通信设备会不断搜索干扰比较小的信道，可能每隔一段时间会从一个频率转换到另一个频率，从而保证了数据传输的可靠性；
（7）无限制：一部手机可以与多个智能防丢失报警器建立连接，便于使用；
（8）廉价：在协议栈的设计方面，低功耗蓝牙比标准蓝牙更精简，制造工艺不断进步，所以它的研发和生产成本方面费用相对较低。另外，低功耗蓝牙工作在无需申请的2.4GHz频段，所以相对于其他需要缴纳专利或版权费用的技术而言，又一次降低了它的成本；
（9）有极大的社会价值：能有效防止物品遗失。
参考文献：
[1] 王建珍.基于单片机的防盗报警器的设计[J].电子技术与软件工程,2007:144-146.
[2] 李 倩,王海明,张可心,隋学梅,杜 泓.一种基于GPS的智能宠物防丢失器设计[J].中国科技信息,2018.25(1):65-66.
[3] 王 永,赵俊逸.基于RFID的近距离电子防丢报警器设计[J].计算机与数字工程,2008.36(6):168-170.
[4] 高美珍,洪家平.基于蓝牙的防丢失报警器的设计与实现[J].湖北师范学院学报（自然科学版）,2016.36(1):16-19.
[5] 百度百科.
