秦彩杰，肖家波，李 勇

(三明學院信息工程學院，福建 三明 365004)

0 引 言

伴隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計算、人工智能等技術(shù)的飛速發(fā)展，智能設(shè)備在消費市場掀起一股熱潮，吸引了眾多消費者的眼球。另一方面我國交通技術(shù)的發(fā)展，人民生活水平的日益提高，也使得居民出行愈加便利，而行李箱的使用也愈加頻繁。傳統(tǒng)的行李箱箱體笨重，功能比較單一，安全系數(shù)不高，智能化程度較低[1-3]，因此該課題研究開發(fā)了這款基于NB-IOT的智能行李箱。該智能行李箱實現(xiàn)了實時獲取行李箱內(nèi)的環(huán)境參數(shù)、自動跟隨、防盜追蹤、語音控制、智能稱重等功能。該智能行李箱功能齊全，穩(wěn)定性高，性價比優(yōu)于其它智能行李箱產(chǎn)品。該智能行李箱能夠很好的解決人們旅途中的不便，從而為智慧出行時代帶來一道美麗風景線。

1 系統(tǒng)總體框架

系統(tǒng)的主要框架如圖1所示：客戶端可以使用微信小程序?qū)崟r查看行李箱內(nèi)的環(huán)境參數(shù)如溫度、濕度、重量等，實時定位行李箱的位置，能夠通過點擊手機屏幕的按鈕對行李箱進行控制，另外還可以通過語音對智能行李箱進行控制。管理人員通過Web端實現(xiàn)系統(tǒng)維護，包括設(shè)備數(shù)據(jù)管理、用戶管理、用戶反饋管理、設(shè)備管理、設(shè)備位置信息維護等，以便保障設(shè)備的正常使用。

圖1 系統(tǒng)總體框架圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

該智能行李箱主要由STM32單片機、箱內(nèi)環(huán)境監(jiān)測模塊、通信模塊、自動跟隨模塊、稱重模塊、定位模塊、語音控制模塊、驅(qū)動模塊等組成，以下為主要硬件模塊簡介。

2.1 箱內(nèi)環(huán)境監(jiān)測模塊

箱內(nèi)環(huán)境監(jiān)測模塊主要由已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度傳感器DHT11組成，其精度為濕度±5%RH，溫度±2℃，濕度量程范圍為30-90%RH，溫度量程范圍為0～50℃[4]。該系統(tǒng)采用DHT11模塊來監(jiān)測行李箱內(nèi)的環(huán)境，并且當溫濕度異常時對用戶進行提醒。

2.2 通信模塊

通信模塊采用的是BC-95芯片，這是一款使用NB-IOT網(wǎng)絡(luò)進行無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)那度胧浇K端。該模塊支持鏈接、IDLE、PSM狀態(tài)，實現(xiàn)低達幾μA的值守功耗，消耗帶寬大約只有180kHz，支持UDP、CoAP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，為用戶提供全透明數(shù)據(jù)傳輸模式[5]。該模塊體積小、接口簡單，用戶能方便的集成到自己的主板設(shè)備上去，可直接部署于現(xiàn)流行的三大網(wǎng)絡(luò)(GSM,UMTS,LTE)，大大的降低開發(fā)成本。

該智能行李箱系統(tǒng)采用NB-IOT通訊模塊，實現(xiàn)了手機端、PC端、設(shè)備之間的交互，各硬件模塊采集到的數(shù)據(jù)通過NB-IOT模塊發(fā)送到云平臺[6]，再上傳到阿里云服務(wù)器。手機端通過4G網(wǎng)絡(luò)連接到阿里云服務(wù)器，打開微信小程序綁定設(shè)備后可進行相關(guān)操作。PC端則通過以太網(wǎng)連接阿里云服務(wù)器進行通信，可以實現(xiàn)對系統(tǒng)進行相關(guān)管理，本系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲圖

2.3 自動跟隨模塊

智能行李箱的自動跟隨模塊主要由低功耗藍牙模塊組成，該藍牙擁有抗干擾性強、超低功耗、提高電池壽命、測距等功能[7]。自動跟隨模塊框圖如圖3所示，系統(tǒng)中兩個從藍牙的RSSI數(shù)據(jù)通過主藍牙發(fā)送給控制器，經(jīng)過濾波之后，控制器將兩個平穩(wěn)的RSSI數(shù)據(jù)對比：RSSI的數(shù)值越小即信號強度越弱，表示距離越遠，并根據(jù)兩個RSSI數(shù)值的差進行智能行李箱的行進控制，從而實現(xiàn)自動跟隨控制。

圖3 自動跟隨模塊框圖

2.4 稱重模塊

行李額超重可能會使用戶面臨罰款等處罰，為旅途帶來不便，因此該行李箱設(shè)計了稱重模塊。稱重模塊采用的是電子秤專用A/D轉(zhuǎn)換器芯片HX711，該芯片擁有兩個模擬通道，在內(nèi)部擁有可編程放大器，是一款低成本高精度采樣模塊[8]。單片機通過I/O端口接收模擬信號值后，經(jīng)過放大以及數(shù)模轉(zhuǎn)換后轉(zhuǎn)為數(shù)字信號，并通過微信小程序顯示箱內(nèi)物品的重量，方便用戶了解行李箱的重量，避免行李箱超重帶來的尷尬。

2.5 定位模塊

智能行李箱的定位模塊采用的是ATGM336H芯片，這是一款低成本、低功耗、高精度的定位模塊，支持多種衛(wèi)星導航系統(tǒng)，是一款真正意義上的六合一多模衛(wèi)星導航模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)聯(lián)合定位、導航與授時[9]。如圖4所示，將ATGM336H芯片的相關(guān)引腳與單片機相連后，通過定時中斷的方式將該芯片輸出的原始定位信息，發(fā)送到單片機進行處理，并將提取的地理坐標數(shù)據(jù)顯示到微信小程序的地圖上，方便用戶實時定位行李箱的位置，使安全出行得到保障。

圖4 定位模塊引腳電路圖

2.6 語音識別模塊

該智能行李箱還設(shè)計了語音識別模塊，該模塊使用的是基于關(guān)鍵詞列表識別技術(shù)的LD3320芯片。該芯片除了語音識別處理器以外，還包含有AD/DA轉(zhuǎn)化器、麥克風接口、聲音輸出口等外圍電路[10]。使用時芯片會將輸入的語音信號進行分析提取，并和預先設(shè)定好的關(guān)鍵詞語列表進行匹配，得到最佳匹配結(jié)果，然后通過單片機進行控制，最終實現(xiàn)良好的人機對話和語言控制。

3 軟件設(shè)計

該智能行李箱系統(tǒng)采用JAVA語言編寫，基于Spring MVC框架實現(xiàn)Web端的開發(fā)[11]，采用了基于MyBatis框架的MySQL數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)存儲[12]。系統(tǒng)前端采用微信小程序?qū)崿F(xiàn)，易于制作及發(fā)布，而且用戶使用起來也比較便捷。系統(tǒng)客戶端可以通過微信小程序?qū)崟r查看行李箱的相關(guān)參數(shù)，如溫濕度、光照強度、跟隨距離等，并可以點擊控制按鈕驅(qū)動行李箱，其流程如圖5所示。Web端管理與微信小程序和設(shè)備間兩兩交互，將接收到的服務(wù)器數(shù)據(jù)進行分析，從而進行一系列的后臺操作，系統(tǒng)流程如圖6所示。

圖5 微信小程序流程圖

圖6 后臺管理系統(tǒng)流程圖

4 實驗數(shù)據(jù)及功能測試

設(shè)備通過電源上電后可將獲取的傳感器數(shù)據(jù)通過通信模塊傳輸?shù)桨⒗镌品?wù)器，后臺管理系統(tǒng)可以從云服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)，微信小程序也可以通過云服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)。

4.1 功能測試

(1)軟件的單元測試使用的是Maven工程，Maven工程的特點是自帶單元測試模塊。每個功能完成后，可以在Maven工程的配合下，驗證代碼和設(shè)計是否相符，發(fā)現(xiàn)代碼中存在的缺陷，最后再對每個方法進行檢查，判斷狀態(tài)是否符合預期，保證了代碼的準確有效性。

(2)集成測試可以根據(jù)實際情況，對程序模塊采用合適的集成測試策略組合起來，對系統(tǒng)的各個接口以及集成后功能進行檢驗，達到正確的實現(xiàn)效果。本系統(tǒng)采用的是一次性集成策略進行測試，這樣可以在最短的時間內(nèi)把系統(tǒng)組合起來，縮短了測試時間。

4.2 Web端后臺管理系統(tǒng)

Web后臺管理系統(tǒng)開放于系統(tǒng)管理人員，系統(tǒng)管理員包括超級管理員和普通管理員兩種角色，超級管理員還擁有對普通管理員信息管理的權(quán)限。后臺管理系統(tǒng)還實現(xiàn)對用戶信息以及設(shè)備信息的管理，傳感器數(shù)據(jù)匯總查看，信息的提交與審核以及公告信息與反饋信息管理等功能，Web部分功能展示如圖7、圖8所示。

圖7 Web端設(shè)備管理功能效果圖

圖8 Web端設(shè)備位置查看效果圖

4.3 客戶端微信小程序

在微信小程序中注冊登錄之后，進入圖9所示的微信小程序主界面，用戶可以掃碼添加智能行李箱設(shè)備，并實時查看箱內(nèi)參數(shù)，跟隨距離，以及重量等。圖10為行李箱定位界面，可以使用戶實時了解行李箱的位置。圖11為設(shè)備控制界面，用戶可以通過點擊手機界面上的按鈕，實現(xiàn)行李箱的自動控制。

圖9 主頁面圖

圖10 位置顯示圖

圖11 設(shè)備控制圖

5 結(jié) 語

該智能行李箱系統(tǒng)具有自動跟隨，實時定位，實時顯示箱內(nèi)物品重量及環(huán)境參數(shù)等功能，并能通過微信小程序智能化管理行李箱。通過傳感器組，可以實時顯示箱內(nèi)環(huán)境參數(shù)；通過藍牙模塊與驅(qū)動模塊結(jié)合，實現(xiàn)了智能行李箱的自動跟隨；通過GPS模塊實現(xiàn)實時定位，方便用戶了解行李箱的位置并可以在發(fā)生丟失時對行李箱進行定位；智能稱重模塊可以使用戶了解箱內(nèi)物品的重量，避免超重引發(fā)的各種損失。該智能行李箱系統(tǒng)具有低成本，低功耗，多功能的特點，具有較好的市場推廣價值。