基于物聯(lián)網(wǎng)的貴重物品智能防盜系統(tǒng)

歐樸康，甘 偉，李聰豪，李元龍，杜壯壯

（西安石油大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安 710000）

0 引 言

近年來，隨著市民個(gè)人財(cái)富的不斷增長(zhǎng)，對(duì)貴重物品防盜的需求也不斷增大。因此，加大貴重物品的安全保障力度并實(shí)現(xiàn)貴重物品的實(shí)時(shí)追蹤以及追回變得尤其重要。然而，目前市面上保障貴重物品安全的產(chǎn)品以保險(xiǎn)箱為主，保險(xiǎn)箱主要分為機(jī)械密碼鎖和電子密碼鎖。機(jī)械密碼鎖具有使用方便和工作穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，但容易通過暴力破壞的方式進(jìn)行破解；電子密碼鎖具有斷電不可使用、耐用性低、電子系統(tǒng)易破解等缺點(diǎn)，且二者都不具備監(jiān)測(cè)及報(bào)警功能，不能很好地滿足人們的需求。因此，市場(chǎng)急需一種智能化地提供實(shí)時(shí)保障的防盜系統(tǒng)。

針對(duì)以上問題，本文旨在以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，以STM32F103芯片作為微處理器，以震動(dòng)傳感器、GPS定位傳感器等構(gòu)成監(jiān)測(cè)端，微處理器、藍(lán)牙等構(gòu)成用戶端，通過移動(dòng)終端實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)系統(tǒng)的操控；通過引入改進(jìn)卡爾曼濾波算法提高位置精度，提高追蹤效率，實(shí)現(xiàn)智能化防盜。

1 研究現(xiàn)狀

在防盜領(lǐng)域，劉軍等人[1]提出以STM32芯片作為處理器，以紅外傳感器、震動(dòng)傳感器作為信息采集點(diǎn)，通過核心處理器處理完信息后用WiFi發(fā)送到用戶的設(shè)備上進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理、傳輸，實(shí)現(xiàn)防盜功能。王凱彬等人[2]提出利用攝像頭、熱釋電紅外傳感器進(jìn)行環(huán)境信息采集，采用GSM模塊進(jìn)行用戶通知，通過微處理器STM32F103ZET6進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及系統(tǒng)控制，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)門外的情況，異常時(shí)則發(fā)出報(bào)警信息并檢測(cè)室內(nèi)情況，有不法分子進(jìn)入時(shí)自動(dòng)截取畫面數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)通過GSM向用戶發(fā)送報(bào)警信息，實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。周書友等人[3]提出通過搭建終端局域網(wǎng)、STM32網(wǎng)關(guān)和遠(yuǎn)程客戶端以整合ZigBee、云服務(wù)器和STM32組建一套家居監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)，用戶可通過移動(dòng)終端查看家居環(huán)境、控制門窗等，實(shí)現(xiàn)防盜功能。

2 系統(tǒng)工作原理

以STM32F103單片機(jī)作為核心處理器，GPS定位傳感器、紅外傳感器等構(gòu)成監(jiān)測(cè)端，射頻、微處理器、藍(lán)牙等構(gòu)成用戶端。移動(dòng)終端為用戶提供工作模式設(shè)置及實(shí)時(shí)報(bào)警通知功能[4]。具體工作流程如下：當(dāng)貴重物品處于安全狀態(tài)時(shí)，用戶開啟安全模式，用戶端停止接收監(jiān)測(cè)端發(fā)送的信息。用戶可自由移動(dòng)和處理貴重物品。用戶通過手機(jī)開啟監(jiān)測(cè)模式時(shí)，監(jiān)測(cè)端的GPS定位傳感器、震動(dòng)傳感器、紅外傳感器實(shí)時(shí)發(fā)送環(huán)境信息到用戶端。監(jiān)測(cè)端無人靠近且沒有移動(dòng)時(shí)，防盜系統(tǒng)處于靜默，以保持最低功耗狀態(tài)。一旦遇到突發(fā)情況，監(jiān)測(cè)端各傳感器即將異常的環(huán)境信息交由用戶端的微處理器判斷；一旦數(shù)據(jù)超過設(shè)定閾值即進(jìn)入報(bào)警狀態(tài)，蜂鳴器實(shí)時(shí)報(bào)警，用戶端通過藍(lán)牙向移動(dòng)終端實(shí)時(shí)發(fā)送報(bào)警通知和監(jiān)測(cè)端的位置信息，用戶可立即對(duì)貴重物品進(jìn)行查看；如果貴重物品已經(jīng)被盜，用戶可利用監(jiān)測(cè)端的位置信息配合警方進(jìn)行實(shí)時(shí)定位追蹤，以實(shí)現(xiàn)被盜后的貴重物品實(shí)時(shí)追蹤和及時(shí)追回[5]。

3 防盜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)構(gòu)成

貴重物品智能防盜系統(tǒng)由監(jiān)測(cè)端和用戶端構(gòu)成。

監(jiān)測(cè)端由微處理器、震動(dòng)傳感器、紅外傳感器、GPS定位傳感器及射頻發(fā)送端組成。監(jiān)測(cè)端可采取內(nèi)嵌或隱藏式的方法安裝在貴重物品上。

用戶端由微處理器、射頻接收端、蜂鳴器、藍(lán)牙組成。用戶端安裝在用戶身旁，可做成鑰匙大小。

移動(dòng)終端以智能手機(jī)為主，后續(xù)可擴(kuò)展至智能手表或平板電腦，還可增加人臉識(shí)別或指紋識(shí)別功能，以確保用戶合法性[6]，防止不法分子利用移動(dòng)終端破解防盜系統(tǒng)。

主/備供電單元為監(jiān)測(cè)端和用戶端供電以保證電力供應(yīng)，備用供電單元負(fù)責(zé)在主供電單元意外停止供電時(shí)為系統(tǒng)提供至少5～8 h的電量。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4 防盜系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)模式實(shí)現(xiàn)

為了提高防盜系統(tǒng)安全性能及防止誤報(bào)警等情況發(fā)生，本文設(shè)計(jì)了多種工作模式適應(yīng)不同的需求。系統(tǒng)模式共分為三種：安全模式、監(jiān)測(cè)模式、報(bào)警模式[7]。

安全模式：貴重物品處于安全狀態(tài)下，用戶可開啟移動(dòng)終端，此模式下處理貴重物品也不會(huì)發(fā)生系統(tǒng)報(bào)警。該模式主要針對(duì)用戶解鎖防盜系統(tǒng)的情況，方便用戶對(duì)貴重物品的處理。安全模式下，用戶端的微處理器關(guān)閉射頻接收端的信息接收功能，不再接收監(jiān)測(cè)端各傳感器發(fā)送的監(jiān)測(cè)信息；對(duì)貴重物品的移動(dòng)不會(huì)導(dǎo)致用戶端的蜂鳴器報(bào)警，也不會(huì)發(fā)送報(bào)警信息到移動(dòng)終端，方便用戶處理貴重物品。該模式有利于解決安全狀態(tài)下防盜系統(tǒng)誤報(bào)警的問題。

監(jiān)測(cè)模式：用戶通過移動(dòng)終端開啟，使貴重物品進(jìn)入防盜狀態(tài)，進(jìn)而監(jiān)測(cè)貴重物品的安全狀態(tài)。該模式主要是指防盜系統(tǒng)進(jìn)入監(jiān)測(cè)狀態(tài)時(shí)，一旦監(jiān)測(cè)到貴重物品存在被靠近、觸碰、移動(dòng)的情況，即實(shí)時(shí)發(fā)送異常狀態(tài)信息到用戶端[8]。監(jiān)測(cè)模式下監(jiān)測(cè)端各傳感器開始采集監(jiān)測(cè)信息并通過射頻發(fā)送給用戶端，用戶端根據(jù)監(jiān)測(cè)信息是否達(dá)到閾值判斷其是否為異常信息，進(jìn)而監(jiān)測(cè)防盜系統(tǒng)狀態(tài)。該模式下監(jiān)測(cè)端及用戶端保持低功耗狀態(tài)，以降低電量消耗，從而優(yōu)化系統(tǒng)電耗。該模式下系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)貴重物品的狀態(tài)，解決貴重物品無人看守的問題；系統(tǒng)能夠保持低功耗狀態(tài)，解決了防盜系統(tǒng)續(xù)航的問題。

報(bào)警模式是指用戶開啟監(jiān)測(cè)模式后，貴重物品發(fā)生被靠近、觸碰、移動(dòng)的情況導(dǎo)致監(jiān)測(cè)端各傳感器產(chǎn)生異常信息時(shí)，用戶端接收到的監(jiān)測(cè)信息達(dá)到閾值，系統(tǒng)所進(jìn)入的模式。報(bào)警模式下，用戶端的蜂鳴器持續(xù)響鳴，并通過藍(lán)牙實(shí)時(shí)發(fā)送報(bào)警信息到移動(dòng)終端，用戶可通過移動(dòng)終端查看貴重物品的狀態(tài)及位置信息，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)追蹤的目的。該模式實(shí)現(xiàn)了在貴重物品被不法分子靠近、觸碰及移動(dòng)時(shí)及時(shí)進(jìn)行蜂鳴器報(bào)警，并能夠通過移動(dòng)終端查看安全狀態(tài)及位置信息，為物品被盜后的實(shí)時(shí)追蹤提供位置信息等依據(jù)。

4.2 監(jiān)測(cè)端功能實(shí)現(xiàn)

監(jiān)測(cè)端功能主要是通過紅外傳感器、震動(dòng)傳感器、GPS定位傳感器等采集貴重物品周圍的環(huán)境信息發(fā)送給用戶端，通過用戶端判斷其環(huán)境信息是否達(dá)到閾值，進(jìn)而觸發(fā)報(bào)警，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)環(huán)境及實(shí)時(shí)報(bào)警的功能。監(jiān)測(cè)端功能如圖2所示。

圖2 監(jiān)測(cè)端功能

（1）微處理器功能實(shí)現(xiàn)：微處理器以STM32F103芯片作為核心，主要采集震動(dòng)傳感器、紅外傳感器、GPS定位傳感器等各傳感器的環(huán)境信息，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并發(fā)送到用戶端。

（2）紅外傳感器功能實(shí)現(xiàn)：紅外傳感器主要負(fù)責(zé)在監(jiān)測(cè)模式下，對(duì)貴重物品的周邊狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以確定是否有不法分子靠近貴重物品。當(dāng)防盜系統(tǒng)處于監(jiān)測(cè)模式，有不法分子靠近時(shí)即觸發(fā)紅外傳感器，紅外傳感器則實(shí)時(shí)將異常信息發(fā)送給監(jiān)測(cè)端的微處理器，進(jìn)而通過射頻發(fā)送給用戶端判斷。

（3）震動(dòng)傳感器功能實(shí)現(xiàn)：震動(dòng)傳感器采用SW-420常閉型震動(dòng)傳感器，其震動(dòng)觸發(fā)時(shí)間長(zhǎng)。與常開型震動(dòng)傳感器模塊相比，不易因微小震動(dòng)而發(fā)生誤響應(yīng)。當(dāng)防盜系統(tǒng)處于監(jiān)測(cè)模式時(shí)，如有不法分子觸碰貴重物品進(jìn)而觸發(fā)震動(dòng)傳感器，震動(dòng)傳感器即實(shí)時(shí)將異常信息發(fā)送給監(jiān)測(cè)端的微處理器，并通過射頻發(fā)送給用戶端判斷。

（4）GPS定位傳感器功能實(shí)現(xiàn)：GPS模塊主要是在監(jiān)測(cè)模式下，確定貴重物品是否被不法分子移動(dòng)。在監(jiān)測(cè)端受到不法分子的破壞時(shí)，系統(tǒng)依然可以為移動(dòng)終端提供GPS位置信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)不法分子的實(shí)時(shí)追蹤。

（5）射頻發(fā)送端功能實(shí)現(xiàn)：該模塊具有超低收發(fā)功耗，能解決系統(tǒng)的功耗問題；其主要負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)端及用戶端間的信息傳輸，采用糾錯(cuò)算法以減少信息傳輸?shù)母蓴_及傳輸錯(cuò)誤。其功能是將監(jiān)測(cè)端的環(huán)境信息實(shí)時(shí)發(fā)送到用戶端。

4.3 用戶端功能實(shí)現(xiàn)

用戶端的功能主要是判斷監(jiān)測(cè)端環(huán)境信息閾值及實(shí)時(shí)報(bào)警。當(dāng)系統(tǒng)處于安全模式時(shí)，用戶端停止接收來自監(jiān)測(cè)端的環(huán)境信息，以方便用戶處理貴重物品。當(dāng)系統(tǒng)處于監(jiān)測(cè)模式時(shí)，監(jiān)測(cè)端收到異常信息并發(fā)送給用戶端，用戶端進(jìn)行信息處理并判斷是否達(dá)到閾值。如果達(dá)到信息的閾值，即進(jìn)入報(bào)警模式，用戶端的蜂鳴器實(shí)時(shí)響鳴，并通知移動(dòng)終端貴重物品的異常情況及位置信息。用戶端功能實(shí)現(xiàn)如圖3所示。

圖3 用戶端功能

（1）微處理器功能實(shí)現(xiàn)：微處理器以STM32F103芯片作為核心，主要實(shí)現(xiàn)的功能是處理監(jiān)測(cè)端發(fā)送的環(huán)境信息，并通過判斷信息的閾值來判斷是否進(jìn)入報(bào)警模式。若進(jìn)入報(bào)警模式，則開啟蜂鳴器，用戶端通過藍(lán)牙向移動(dòng)終端實(shí)時(shí)發(fā)送監(jiān)測(cè)端的報(bào)警通知和位置信息。在用戶端的數(shù)據(jù)處理過程中，通過改進(jìn)卡爾曼濾波算法提高監(jiān)測(cè)端的GPS位置信息采集的精度，可在用戶追蹤不法分子時(shí)更高效準(zhǔn)確地提供位置信息，提高追蹤的效率[9]。

（2）射頻接收端功能實(shí)現(xiàn)：與監(jiān)測(cè)端相同，該模塊具有超低收發(fā)功耗，能解決系統(tǒng)的功耗問題；主要用于監(jiān)測(cè)端及用戶端間的信息傳輸，接收監(jiān)測(cè)端發(fā)送的各傳感器采集的信息。該模塊采用糾錯(cuò)算法減少了信息傳輸?shù)母蓴_及傳輸錯(cuò)誤。

（3）蜂鳴器采用MK002465有源蜂鳴器模塊，采用S8550三極管驅(qū)動(dòng)，材質(zhì)可靠，耐用壽命長(zhǎng)。

（4）藍(lán)牙模塊功能實(shí)現(xiàn)：藍(lán)牙模塊可與手機(jī)和平板電腦等連接透?jìng)?，其功能是將用戶端微處理器發(fā)出的報(bào)警信息及監(jiān)測(cè)端位置信息發(fā)送給用戶的移動(dòng)終端。

4.4 移動(dòng)終端功能實(shí)現(xiàn)

移動(dòng)終端通過藍(lán)牙與用戶端連接，主要供用戶查看防盜系統(tǒng)安全狀態(tài)，設(shè)置系統(tǒng)工作模式，接收貴重物品的位置及狀態(tài)信息。

首先，用戶可以通過移動(dòng)終端設(shè)置安全模式，對(duì)貴重物品進(jìn)行處理；可設(shè)置監(jiān)測(cè)模式，以開啟對(duì)貴重物品的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。當(dāng)防盜系統(tǒng)進(jìn)入報(bào)警模式時(shí)，用戶可通過移動(dòng)終端實(shí)時(shí)獲取防盜系統(tǒng)的報(bào)警信息，并在貴重物品被盜后通過系統(tǒng)反饋的位置信息進(jìn)行實(shí)時(shí)追蹤。

4.5 主/備供電單元設(shè)計(jì)

為了保證系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定地工作，本文提出主/備雙供電單元的方案來保障系統(tǒng)的電力供應(yīng)。當(dāng)主供電單元的電量低于系統(tǒng)設(shè)定最低電量時(shí)，系統(tǒng)則及時(shí)切換至備供電單元供電。此外，備供電單元在主供電單元意外停止供電時(shí)能夠?yàn)橄到y(tǒng)提供至少5～8 h的電量。

5 軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本文研究的基于物聯(lián)網(wǎng)的貴重物品智能防盜系統(tǒng)采用的核心處理器是STM32F103，軟件程序是在Keil μVision5平臺(tái)上由C語言編寫調(diào)試而成，并通過Proteus 8 Professional平臺(tái)搭建的模擬硬件電路共同承擔(dān)該設(shè)計(jì)的智能化功能。軟件設(shè)計(jì)主要包括監(jiān)測(cè)端信息采集、用戶端數(shù)據(jù)處理、移動(dòng)終端界面設(shè)計(jì)。

在用戶端的數(shù)據(jù)處理過程中，通過改進(jìn)卡爾曼濾波算法提高監(jiān)測(cè)端的GPS位置信息采集的精度，該算法主要是利用卡爾曼濾波估計(jì)接收機(jī)狀態(tài)的誤差，減少運(yùn)算量，降低了計(jì)算誤差，有效提高了定位精度；利用偽距估計(jì)接收機(jī)的鐘差和位置，成功避免了量測(cè)噪聲方差、濾波初值、系統(tǒng)噪聲方差導(dǎo)致的濾波發(fā)散問題。通過改進(jìn)卡爾曼濾波算法提高了系統(tǒng)的定位精度，可在用戶追蹤不法分子時(shí)更高效準(zhǔn)確地提供位置信息，提高追蹤的效率。

本文研究的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的貴重物品智能防盜系統(tǒng)采用紅外傳感器、震動(dòng)傳感器、GPS定位傳感器實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)端的環(huán)境信息采集，蜂鳴器、藍(lán)牙實(shí)現(xiàn)用戶端的報(bào)警蜂鳴及報(bào)警信息傳輸，移動(dòng)終端實(shí)現(xiàn)通知用戶報(bào)警和用戶狀態(tài)查看的功能[10]。系統(tǒng)軟件流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件流程

6 結(jié) 語

與目前市面上針對(duì)貴重物品的防盜產(chǎn)品相比，本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提出的貴重物品智能防盜系統(tǒng)，擁有多工作模式，穩(wěn)定性強(qiáng)，具有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)報(bào)警、實(shí)時(shí)追蹤功能。系統(tǒng)監(jiān)測(cè)端通過紅外傳感器、震動(dòng)傳感器、GPS定位傳感器實(shí)現(xiàn)多傳感器監(jiān)測(cè)，用戶端引入改進(jìn)卡爾曼濾波算法以提高系統(tǒng)的GPS定位精度，實(shí)現(xiàn)了高效率地實(shí)時(shí)追蹤。移動(dòng)終端為用戶提供實(shí)時(shí)報(bào)警功能和物品位置信息。該系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了被盜前的防盜監(jiān)測(cè)，還實(shí)現(xiàn)了被盜后的實(shí)時(shí)追蹤。與目前的防盜產(chǎn)品相比，本系統(tǒng)契合智能時(shí)代特點(diǎn)，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提高系統(tǒng)的連通性與協(xié)調(diào)性，使系統(tǒng)能夠更好地滿足人們的需求。