實驗室設備防盜追蹤器設計

韓瑜，李雁玲，肖振超，張策，姜祎

（天津職業技術師范大學天津市信息傳感與智能控制重點實驗室，天津300222）

實驗室設備防盜追蹤器設計

韓瑜，李雁玲，肖振超，張策，姜祎

（天津職業技術師范大學天津市信息傳感與智能控制重點實驗室，天津300222）

針對目前實驗室設備管理現狀，設計了實驗室設備防盜追蹤器。該設計由觸發模塊和追蹤器構成，利用紅外傳感器、藍牙通信、GPS定位和GSM通信技術進行狀態檢測、實時報警、移動位置監測及短信上報，實現實時有效的實驗室設備防盜報警及移動追蹤功能。

防盜追蹤；GPS定位；GSM通信；藍牙通信

隨著科技的進步和高等教育事業的持續發展，實驗室教學及科研設備的種類不斷增加，科技含量也越來越高［1］。實驗室設備是教育及科研過程中必不可少的操作及研究對象，一旦被盜，不僅造成經濟上的損失，也會給教學帶來巨大的影響。目前，多數高校的設備管理依然采用傳統的紙質設備標簽方式，耗時耗力，需要經常進行人工地毯式核查，存在工作效率低、時效性不夠、信息化程度不高等問題［1-2］。隨著科技發展，基于無線電射頻識別（radio frequency identification，RFID）及無線傳感網絡的實驗室設備管理系統的研究已逐步展開［3-4］，在智能化和實時性方面對比傳統管理方式有了很大改善，但在設備被盜后的追蹤找回方面涉及甚少［5］，仍存在實驗室財產安全隱患。本文設計了一種實驗室設備防盜追蹤器，對觸發模塊和追蹤器進行軟、硬件設計，利用傳感器、藍牙、GPS、GSM等技術，實現實時有效的設備防盜報警及移動追蹤功能，以期達到實驗室設備防盜追蹤的目的，從而最大程度地保障實驗室財產安全。

1　實驗室設備防盜追蹤器概述

實驗儀器設備防盜追蹤器作為一種高科技實驗儀器設備防盜追蹤的智能儀器，主要以其智能的防盜和準確追蹤功能使實驗儀器的安全得到最大保護。

實驗儀器設備防盜追蹤器主要包含防盜和追蹤2大功能，防盜和追蹤相互配合以保證實驗儀器的安全。其監測部分為觸發模塊，實驗儀器設備防盜追蹤器的觸發模塊位于設備鎖處，當其檢測到設備被強行挪出時被觸發，命令藍牙模塊發出觸發追蹤信號，喚醒設備中的追蹤器，進入報警及追蹤模式。此時實驗儀器設備防盜追蹤器會向實驗室安全負責人發出報警信號，以此方式可以讓實驗室安全負責人在第一時間內收到實驗儀器有被盜危險的信號，及時得知可疑人員入侵的信息，此提示也可讓實驗室安全負責人采取一些及時有效的防盜措施防止實驗儀器的被盜。除此之外，觸發模塊一旦被觸發則命令藍牙模塊發出觸發追蹤信號，喚醒設備中的追蹤器，被喚醒的追蹤器此時也會進入追蹤模式。其追蹤部分可以定時收集準確的位置信息然后發送到手機設備，實現對實驗儀器位置的檢測和發送。實驗室安全負責人進行實驗儀器追蹤時，可定時獲得實驗儀器的準確地理位置，以此生成準確有效的追蹤路線，幫助對實驗儀器作出追尋，直至最終找回實驗設備。

從技術內容角度，本研究在保障實現防盜追蹤的功能下，實現可移動、擁有實時性高精度、低耗能等創新。從系統結構上，實驗室儀器防盜追蹤器主要包括防盜觸發模塊和追蹤器。系統總體設計如圖1所示。

圖1　系統總體設計

（1）觸發模塊

觸發模塊由藍牙模塊、紅外模塊和ATmega16單片機構成。觸發模塊位于設備鎖處，此處置有4個紅外傳感器。當單片機檢測到設備被強行挪動，則命令藍牙模塊發出觸發追蹤信號，喚醒追蹤器，進入報警及追蹤模式。

（2）追蹤器

追蹤器由AVR單片機、藍牙模塊、GPS模塊和GSM模塊組成。追蹤器平時處于休眠狀態，接到出發追蹤信號則被喚醒，被喚醒后馬上向手機設備發送報警信號，同時開始定時采集GPS位置信號，并發送給手機設備，生成追蹤路線。手機設備由實驗室安全負責人管理，可實時喚醒追蹤模塊查看當前設備狀態，接到報警信號后，定時接收追蹤的位置點，根據位置信息在地圖上生成追蹤路線，為防盜追蹤做好報警和信息儲備工作。

2　硬件設計與實現

2.1觸發模塊硬件設計與實現

觸發模塊結構如圖2所示，觸發模塊包括ATmega16單片機、紅外傳感器和藍牙模塊。

（1）ATmega16單片機

圖2　觸發模塊結構圖

ATmega16單片機作為觸發模塊的主控制器，連通觸發模塊中所有模塊共同工作。ATmega16是基于增強的AVR RISC結構的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進的指令集以及單時鐘周期指令執行時間，ATmega16的數據吞吐率高達1 MIPS/MHz。設計主要利用Atmega16單片機的I/O通信及串口通信功能，實現傳感器及通信模塊的連接和應用。

（2）紅外傳感器

紅外傳感器模塊對環境光線適應能力強，具有一對紅外線發射與接收管，發射管發射出一定頻率的紅外線，當檢測方向遇到障礙物（反射面）時，紅外線反射回來被接收管接收，經過比較器電路處理后，綠色指示燈亮起，同時信號輸出接口輸出數字信號（一個低電平信號），可通過電位器旋鈕調節檢測距離，有效距離范圍為2～30 cm，工作電壓為3.3～5 V。該傳感器的探測距離可通過電位器調節，具有干擾小、便于裝配、使用方便等特點，可廣泛應用于機器人避障、避障小車、流水線計數及黑白線循跡等眾多場合［6］。設計將紅外傳感器安裝在靠近設備鎖和設備出口處，利用其特性，能夠有效地檢測設備是否強行挪出。

（3）藍牙模塊

采用HC-05嵌入式藍牙串口通訊模塊實現通信功能。其具有2種工作模式：命令響應工作模式和自動連接工作模式。在自動連接工作模式下模塊又分為主（master）、從（slave）和回環（loopback）3種工作角色。當模塊處于自動連接工作模式時，將自動根據事先設定的方式連接；當模塊處于命令響應工作模式時能執行下述所有AT命令，可向模塊發送各種AT指令，為模塊設定控制參數或發布控制命令［7-8］每臺設備使用一組藍牙模塊，分別與觸發模塊及追蹤器中的主控制器通過串口相連接，實現觸發模塊和追蹤器3個模塊之間的通信，用于喚醒休眠的追蹤器。

2.2追蹤器硬件設計與實現

追蹤器結構如圖3所示。追蹤器包括ATmega128單片機、藍牙模塊、GPS模塊和GSM模塊。

圖3　追蹤器結構圖

（1）ATmega128單片機

Tmega128單片機作為追蹤器的主控制器，連通追蹤器中所有模塊共同工作。ATmega128為基于AVR RISC結構的8位低功耗CMOS微處理器。由于其先進的指令集以及單周期指令執行時間，ATmega128的數據吞吐率高達1 MIPS/MHz［9-10］。針對追蹤器中各功能模塊的接口分析，主控制器需要具備3個串口，因此采用雙串口的ATmega128單片機，并利用定時器及一組I/O端口軟件模擬一個串口。

（2）藍牙模塊

藍牙模塊與ATmega128單片機通過串口相連，用于實現觸發模塊和追蹤器2個模塊之間的通信，觸發模塊通過藍牙喚醒休眠的追蹤器。

（3）GPS定位模塊

選用UBLOX型號的GPS模塊，通過串口與單片機相連接。GPS模塊接收衛星的定位信號運算出自身的位置（經度、緯度），傳送給單片機并存儲［11-12］。在被盜實驗設備的移動過程中定時采集經緯度信息，準確定位以獲得當前的地理位置，有助于繪制追蹤路線圖，鎖定實驗儀器的位置以找回丟失的實驗設備。

（4）GSM模塊

采用SIM900A型號芯片，模塊通過串口與單片機相連。模塊配合移動、聯通電話卡可實現電話、短信、GPRS上網功能。GSM模塊主要發揮其短信功能，在追蹤器被觸發時，立即向手機設備發送報警信號。同時，在被盜設備移動的過程中，也將處理過的實時位置數據發送給手機設備［13-15］，以便生成完整的追蹤路線。GSM短信功能信號穩定可靠，發送耗時短，是持續追蹤上報信息的有效方案。

3　軟件設計與實現

3.1觸發模塊軟件設計與實現

觸發模塊軟件流程如圖4所示。觸發模塊主控制器Atmega16單片機在上電后首先驅動本機藍牙模塊與追蹤器藍牙模塊進行連接。連接成功后，等待紅外傳感器的檢測信息。一旦收到觸發信息，則命令藍牙模塊發出報警信息，喚醒設備內的追蹤器。

圖4　觸發模塊軟件流程圖

3.2追蹤器軟件設計與實現

追蹤器軟件流程圖如圖5所示。追蹤器主控制器Atmega128單片機在上電后首先驅動本機藍牙模塊與觸發模塊藍牙進行連接。連接成功后，等待藍牙模塊接收到報警信息。一旦接到報警，則進入追蹤模式，首先發送報警信息，再每隔1 min向管理員手機設備上報一次當前設備位置。

圖5　追蹤器軟件流程圖

4　系統實現及測試結果

4.1測試情景

實驗室設備防盜追蹤器實物如圖6和圖7所示。其中圖6為觸發模塊的外觀和內部結構圖，圖7為追蹤器的外觀和內部結構圖。

圖6　觸發模塊圖

圖7　追蹤器實物圖

設備放置及觸發狀態如圖8所示。將觸發模塊的4個紅外傳感器布置在實驗室設備出口處，將追蹤模塊置于實驗室設備內部。打開模塊開關布防。在正常狀態下，4個傳感器都沒有感應信號產生。當挪動設備，4個傳感器均檢測到設備挪動，此時觸發器發出追蹤信號。

圖8　設備放置及觸發狀態

4.2定點測試

定點進行聯合單點測試。強行挪出設備，使觸發模塊發出報警信息，觸發追蹤器，然后將追蹤器固定在某個地點，1 min后觀察手機設備。經觀察，手機設備每隔1 min收到一條經過處理的單點定位信息，信息由經度和緯度構成，如圖9所示。通過將手機收到的經緯度信息輸入地圖中驗證得知，定點測試的時間間隔準確，位置基本準確，誤差為10 m，定點測試定位圖如圖10所示。

4.3移動測試

進行聯合移動測試。強行挪出設備，使觸發模塊發出報警信息，觸發追蹤器，然后使追蹤器沿移動測試中的路線移動，1 min后觀察手機設備，移動測試路線如圖11所示。經觀察，系統觸發1 min后手機設備開始收到第一條數據，此后手機設備每隔1 min收到一條經過處理的單點定位信息，信息由經度和緯度構成，如圖12所示。將連續收到的經緯度信息輸入地圖，最終得到與行進路線基本一致的連續路線，誤差為50 m。

圖9　定點測試數據圖

圖10　定點測試定位圖

圖11　移動測試路線圖

4.4測試結果分析

觸發模塊和追蹤器連調模擬測試結果分析如表1所示。

圖12　移動測試數據圖

表1　測試結果分析

根據表1測試結果分析得知，實驗室設備防盜追蹤器能夠較好地完成設備防盜報警和實時追蹤任務，具有以下特性。

（1）準確性。紅外傳感器能夠準確檢測設備被盜情況；GPS模塊能夠實時采集設備的狀態和移動路線，定位準確，為防盜追蹤提供可靠依據。

（2）可移動性。追蹤器采用GSM通訊實施報警及追蹤定位，不受限于有線連接，可用于遠距離移動對象。

（3）實時性。設計的防盜追蹤器報警及時，移動位置上報基本遵循設定時間間隔，并可根據要求修改時間間隔，具備時效性。

（4）低耗能性。采用低耗能器件和低功耗運行方案，選擇低耗能的傳感器和單片機系統。追蹤器在檢測模塊未檢測到任何信息時處于休眠狀態，增強了對GSM通信模塊和GPS定位模塊的功耗控制，降低損耗，節能環保。

5　結束語

本文設計了一種實驗室設備防盜追蹤器，由觸發模塊檢測設備被盜情況，即時觸發設備內部的追蹤器，運用紅外傳感器、藍牙通信、GPS等技術，實現即時報警和實時傳輸設備當前位置的功能。經調試運行發現，系統各功能模塊運行正常，基本實現既定的工作目標。實驗室儀器防盜追蹤器結構簡單，操作方便靈活，成本低，可靠性高，是一款性價比較高的防盜追蹤裝置。今后還應從降低功耗、拓展應用范圍、提高傳輸網絡穩定性及定位精度等方面對其進行改進與完善。

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Design of laboratory equipment anti-theft tracker

HAN Yu，LI Yan-ling，XIAO Zhen-chao，ZHANG Ce，JIANG Yi
（Tianjin Key Laboratory of Information Sensing and Intelligent Control，Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China）

As for the present situation，a Laboratory Equipment Anti-theft Tracker is designed in this paper，which contains trigger and tracker.By using infrared sensor，blue-tooth technology，GPS technology，GSM technology，it can realize state detection，real time alarm，position monitoring，and SMS reporting.It can also achieve laboratory equipment anti-theft alarm and mobile tracking instantly and effectively，and it is very important to ensure laboratory property safety，and teaching and scientific research smooth running.

anti-theft tracking；GPS location；GSM communication；bluetooth communication

TH862；G482

A

2095－0926（2016）02－0040－05

2016-04-10

天津職業技術師范大學科研發展基金項目（KJ14-10）.

韓瑜（1988—），女，助理實驗師，計算機智能控制與工程應用.