摘 要：主要从工作原理、功能特性等方面，对防盗箱包、助力箱包、跟踪箱包、骑行箱包4类智能箱包的结构进行介绍。针对目标客户群体为商务人士、学生、户外活动人群、特殊行业从业人群的特点，分析了智能箱包的设计要点。提出未来的智能箱包制造应不断引入与融合5G和物联网、人机工程学、材料科学等领域的新技术，更好地满足消费者的个性化需求，为箱包企业提供更多创新发展思路。

关键词：智能系统；箱包；功能设计；结构设计

前 言

在日常工作生活中，箱包是人们必不可少的用品，随着5G技术日益完善，GPS、蓝牙、红外线等定位技术被广泛应用于各类可穿戴及旅行用产品，如运动手表、智能定位鞋等[1]。

智能箱包主要指具有跟踪、定位、防盗、助力、骑行等功能的箱包产品，其功能的实现基于芯片控制器为主并结合其他功能模块， 如“芯片+定位”“芯片+助力” “芯片+红外线+跟踪” “芯片+蓝牙+防盗”等。由于这些功能十分契合当代消费群体的需求，提升了产品的附加值，是目前重要的研究方向。

1 智能箱包类别及其结构

按照不同功能，可以将智能箱包分为防盗箱包、助力箱包、跟踪箱包、骑行箱包4大类，不同类别的智能箱包特点不同，适用不同应用环境。

1.1防盗箱包

防盗箱包是通过应用指纹识别与蓝牙定位技术相结合实现其防盗功能。指纹识别技术是通过指纹生理特征信息的录入比对，对使用者的身份进行识别，由于指纹具备唯一性和持久性的特点，方便箱包的使用者随时解锁箱包。

指纹识别系统是以应用非常广泛的STM32为主控制器芯片，通过AS608指纹识别模块，模块内部的DSP基于指纹识别算法高效采集信息，模块内置串口与USB通讯接口为其他功能提供连接信号传播功能；箱体内置蓝牙模块，与5G手机或智能手表等智能产品之间形成无线通讯连接。如图1。

图1 STM32芯片主控图

当箱包与手机或智能手表等智能产品的距离超过10m（超过蓝牙可连接距离），手机或智能手表即可报警提醒[2]。

1.2助力箱包

助力功能主要指使用者手提箱包上下楼梯或平地推动箱包时，内置电机可以为箱包提供动力，以减少使用者的体能消耗[3]。助力箱包的动力来自箱体底侧的电机，通过传动轴与拉杆结合，形成向前、向后、驻停等控制驱动力，并由主动轮或附加轮与控制拉杆调节速率。电能通过布置在箱体内部的线路、主控芯片进行传输、分配。此外，还设计了USB充电、助力分配以及其他的应用模块。

1.3跟踪箱包

箱包的智能跟踪主要指箱包对使用者的跟踪，而箱包与使用者之间的距离和箱包移动速度可以根据需要进行调节。为实现智能跟踪功能，此类箱包主要包括4个部分：GPS定位系统、蓝牙无线通信模块、PID控制器、智能避障系统。置入到箱体内壁的天线，可以接收、处理GPS定位系统或北斗卫星等发出的信号，实现箱包的智能跟踪功能。蓝牙通信与5G手机APP实现无线配对，蓝牙模块具备多口连接，如UART、USB、SPI，优化连接灵敏度，将箱包与使用者之间的距离控制在10m之内；通过PID控制器控制、调节电机转速，进而可以控制箱包移动速度及转向、驻停等动作[4]；智能避障系统是指通过箱体上的红外探测装置扫描周边环境并接收信号，计算规避动作、优化行进路线 [3]。

1.4骑行箱包

箱包骑行功能的实现有两种形式：一种是在箱包内安装电机和控制装置，其工作原理与助力箱包类似，均设置了主动轮、拉杆，区别是前者能够通过拉杆独立控制或拉杆结合主动轮控制转向和速度，并设置骑行控制区域和折叠踏板；另一种形式是将箱包安装于滑板上，滑板底部设置万向轮，电机和控制端口独立于箱体外，在端口处设置有剩余电量、车速等信息显示屏，在控制把手两端有类似电动车把手一样的转向和速度控制器。如图2（图片来源于淘宝网）。

图2 骑行箱包

2 智能箱包的设计要点

除了需要针对智能箱包的跟踪、定位、防盗、助力等主要功能进行优化设计以外，还应适应消费人群需求的变化，如商务人士、学生、户外活动人群、特殊行业从业者等，进行个性化设计。

2.1商务人士

商务人士对智能箱包性能的要求较高，如便携性、稳定性、防盗性、时尚性等。

2.1.1 便携性

箱包底部为防滑实心万向脚轮或可拆卸传动履带，通过齿轮轴传动装置、内置模块化无刷电机、可拆卸电源为箱体提供助力，内部设置可调节隔层和可拆卸隔网，便于分别放置、拿取各类物品。

2.1.2 稳定性

在箱体的脚轮轴承上设置减震液压模块或陀螺仪，借助箱包内部电力装置及主控芯片，对箱包各部位受到的来自地面的作用力进行分配，保持箱包的平衡。

2.1.3防盗性

箱包防盗功能的实现主要涉及其指纹锁、GPS定位、蓝牙辅助功能模块，即通过箱包与手机或具有蓝牙功能的手表相连接，可以定位箱包所处区域，设置箱包与智能穿戴设备之间的距离，如当箱包与智能手机或手表之间的距离超过10 m时，手机或手表会立即报警。

2.1.4 时尚性

箱包表面采用头层牛皮革或稀有动物皮革为主体材质，增强了箱包的时尚性和品质感。

2.1.5 多功能性

设计内置USB充电装置、红外线智能跟随器等，在基本功能之外，提供更多附加功能。

2.2 学生

防溺水、防盗、避险等涉及安全性的相关功能是家长对学生用智能箱包的重要要求。如防溺水功能的实现可以通过在学生用智能背包包体的顶部内侧，设置防水探测芯片并填充5 cm浮力棉，当探测芯片探测到背包落入水中后，会启动浮力棉急速膨胀，这时背包就可以充当落水者的救生包，如图3德力熊防水学生包（图片来源于淘宝网）。防盗、避险功能的实现主要是通过在包体底部安装GPS芯片、WIFI芯片、蓝牙芯片，借助LBS基站定位、PDR算法，在手机等与学生包联通的终端设备的APP中设定学生所处地点的危险区域或学生包与学生之间的安全距离，一旦学生处于危险区域或学生与学生包之间的距离超出安全范围，家长即可收到报警信号；还可以在包体表面装饰荧光反光条，既可以提升造型效果，还可以在光线不良的环境下增加包体的反光度，如图4双木林学生包（图片来源于天猫旗舰店）。

图3 配置可膨胀浮力棉的学生包

图3 配置可膨胀浮力棉的学生包

2.3户外活动人群

户外活动人群指户外探险、户外运动、户外作业等人群以及特殊行业人群，对智能箱包的需求主要涉及材料特性、功能防护、操作工具、辅助插袋等。

2.3.1户外探险人群

包体材料多为尼龙或帆布材料，表面的PU涂饰层具有抗紫外线、抗氧化、抗磨损等作用，面料规格500D、防水度≥1500 mm [5]。增加外挂功能，如顶挂、侧挂、背挂、底挂，并用点或条的方式进行固定；包体背部使用具有记忆功能的PVC或合金管“拱桥式背弓板”，以减少支撑材料重量，且背负包体时人体各部位受力更加均匀；贴合人体背部一侧的包体面料宜采用透气、透水汽性良好的材质，为户外探险人群提供更多舒适体验。

2.3.2户外运动人群

包体采用轻柔型涤纶或Cordura尼龙材料，并对材料采用改性、复合等方法来获得良好防水性: 一是从制造原料上采用防水的纱线，二是在后整理时采用防水助剂进行处理，三是采用复合防水材料。面料除了具有良好的防水性，还应具有较强的抗撕裂性。此外，包体还应具有良好的透气性（贴合人体背部一侧包体）、装载性、背带调节功能、辅助娱乐功能，如背包外部安装可拆卸的液晶显示屏幕，可以与手机或运动手表无线相连，达到同步播放音频、视频及显示数据等的功能。

2.3.3户外作业人群

户外工作环境相对恶劣，如高空、隧道、森林、山地等环境，要求背包材料具有良好的抗污性、防水性、抗撕裂性，可使用EVA复合600D纺织材料作为包体外部的主要面料；设置一些外接挂钩，如碳钢架子工单钩、双钩、旋转钩；配备必要的工具及防护装置，如直径12 mm、承重拉力3000 kg的安全绳，可调节半身式安全带，真皮加厚、耐摩擦、防护、防滑手套等，以及具有自动感应功能的扳手等，如图5（图片来源于百度）[5]。

图5 具有自动感应功能的扳手

2.3.4特殊行业从业人群

特殊行业从业者主要指从事特殊行业（美发、配钥匙、刻章、防疫等行业）工作的人群，其使用的箱包主要应具有快速开启、安全、耐用的性能。可以在箱包中设置具有“旋吸（嵌入式吸盘）”或“体感（身体感应）”功能的红外线模块，便于灵活使用和操作其中的多隔层独立空间。为了保证各类工具及设备互不干扰，不同空间之间的隔板均设计有锁紧卡扣。

3 未来发展方向

为了拓展智能箱包的应用领域，应不断引入与融合5G和物联网、人机工程学、材料科技等领域的新技术，并在提高智能箱包使用效率及增强其安全性、便捷性等方面进行重点开发。

3.1融合5G和物联网技术实现实时监控功能

5G+物联网技术的融合与逐渐普及，让未来的出行不再枯燥乏味，而是更加便捷轻松。首先，箱包内部设置感应织带，有利于固定、摆放物品及提升空间利用率。也可通过内部感应器感应传递内部易碎贵重物品状态信息，并将数据反映到手机或箱包表面的液晶屏上，以便实时监控。其次，箱包+芯片+环境的关联，可以使人们对箱包实现远距离的监控。此外，还可以增加可更换的生活必备装置模块、助力装置模块等外接智能功能模块设计，便于根据出行需要，选择使用相关的模块。

3.2 应用人体工程学体现以人为本设计理念

随着社会的进步和人民生活水平的提升，人们对智能箱包产品的安全性、便捷性、时尚性等方面的需求也不断提升。将人体力学、工程心理学等领域的新技术融入到智能箱包设计中，使开闭、携带箱包等操作动作更加符合人体的动态特征、特点。如助力装置及自动调节背带长度、跟随装置的运行速度与人体的步行动作相匹配，达到箱包与人和谐统一的目的。

3.3引进新型功能性材料满足个性化需求

功能材料是应对复杂环境以及特定环境下使用的具有新性能的混合物材料，如树脂+碳纤维材料，因其耐高温、抗摩擦、绝热性强等特性可以用作特种功能箱包材料。智能材料是一种能感知外部刺激，能够判断并适当处理且本身可执行的新型功能材料，是现代高科技发展的重要方向之一，如压电智能材料、形状记忆智能材料、光纤智能材料、电流变体智能材料等，为包括智能箱包产品在内的各类智能产品的制造提供新的实现途径[6-7]。

4 结束语

伴随着5G、GPS定位、蓝牙通信、大数据分析等技术以及各类新型智能功能材料的快速发展，包括智能箱包在内的各类智能产品逐渐走进人们的生活，这必将为箱包企业提高产品附加值、实现转型升级，带来巨大的机遇，提供更多创新发展思路。

参考文献

[1]章文福. 智能定位鞋市场及发展现状分析[J]. 北京皮革,2021,46(11):28-31.

[2]杨雪梅,王民慧. 智能包包系统设计[J]. 智能计算机与应用,2020(2):211-212.

[3]张乐,王悦. 基于STM32的指纹识别系统设计[J]. 沈阳大学学报（自然科学版）,2019(4):114.

[4]夏梦琴,陈煜,周毛毛,等. 基于单片机的智能跟随箱包设计[J]. 现代信息科技,2020(4):160-161.

[5]任蕊,弓太生,金鑫. 户外背包的功能与结构设计[J]. 中国皮革,2015,44(17):56-59.

[6]王守德. 智能材料及其应用进展[J]. 济南大学学报(自然科学),2002(3):97-100.

[7]白子龙. 智能材料研究进展及应用综述[J]. 军民两用技术与产品,2020(3):15-20.

吴东利1,2

(1.邢台职业技术学院, 河北 邢台 054035；2.河北省服装个性化定制技术创新中心，河北 邢台054035)

作者简介：吴东利（1977-），男，硕士，讲师，主要研究方向为功能性箱包设计与开发

基金项目：邢台市重点研发计划自筹项目“基于人体工效学原理的功能性户外运动装备研究”，项目编号（2021ZC023）