基于Arduino的智能防盜系統設計

耿麗娟，劉 青，袁培燕,

(1.河南師范大學 計算機與信息工程學院，河南 新鄉 453000；2.智慧商務與物聯網技術河南省工程實驗室，河南 新鄉 453000)

0 引 言

隨著科學技術的發展，計算機相關技術為智能防盜系統的研究提供了技術支持。從目前的研究現狀來看，國內外對汽車、室內防盜方法的研究比較多[1-6]，也推出了一些具有應用價值的產品。但對于行李防盜的研究目前還處于初級階段。隨著經濟的迅速發展，國內的客運量也持續增長，行李箱頻頻丟失的問題依然突出。但目前的行李防盜主要運用RFID或者GPS等技術，通過判斷行李與用戶之間的距離進行行李的跟蹤，使用范圍有一定的局限性，且由于缺少判斷行李的運動狀態，故判斷精度也較差。

近年來，Arduino以簡單易用便捷靈活的優勢成為了一個優秀的硬件開發平臺，能通過各種各樣的傳感器來感知環境，與各種硬件搭配可以實現對系統的智能控制。從行李箱防盜出發，設計了一種基于Arduino的智能防盜系統。該系統通過使用超聲波傳感器和Arduino101板載慣性測量單元等硬件設備，綜合運用姿態分析和超聲波測距對行李箱進行跟蹤和報警，解決了由于原方案不能準確判斷行李箱運動狀態造成誤報警的問題。

1 研究現狀

1.1 采用無線電頻率識別(RFID)模型來幫助追蹤行李

RFID系統一般包括射頻標簽(Tag)、讀寫器和數據管理系統，射頻標簽是由天線和芯片組成。

Aicha Slassi Sennou等人[7]利用射頻識別標簽識別和跟蹤乘客行李的位置。研究了數據庫應用程序與RFID系統進行通信的交互式手鐲的使用情況。數據庫系統使用信息與手鐲進行交互，這些信息會告訴乘客行李的狀況。文獻[8]中提到NCSR Demokritos的綜合系統實驗室在TASS (fp7 -sec2010 -241905) EU研究項目中開發了一個基于RFID的行李和乘客跟蹤系統。另外Z Kato[9]結合RFID和Geographic Information System (簡稱GIS)技術進行高級行李追蹤，通過使用可重寫的無源RFID標簽，研究RFID技術如何在航空工業中用于先進的貨運跟蹤。

基于RFID的追蹤功能僅限于在掃描儀的范圍內，存在一定的局限性，即通過射頻信號僅能判斷行李與用戶的距離，無法判斷箱子的運動狀態，由于沒有和手機端相連接，故而適時性也較差。此外，上述系統一般適用在機場，如果在火車上行李被盜，在射頻范圍內是無法報警的，特別是在乘客上下車期間，行李箱可能因為報警不及時而無法找回。除此之外，用戶去洗手間時若超過一定距離也會發生誤報警。

1.2 基于GPS定位的行李防盜系統

F C Mercado[10]研究的行李跟蹤和監視系統，使用一個拉鏈桿附在傳統的手提箱閉合拉鏈上，一個固定的緊固件附在傳統的固定帶上。當拉鏈拉桿觸摸傳感器感知到手提箱已被打開時，外部拉鏈拉桿與固定的緊固件無線連接，喚醒一個固定的緊固件電源并激活緊固件中的記錄系統，開始創建打開手提箱的人的記錄。錄制靜態圖片、視頻和音頻，以及Global Positioning System(簡稱GPS)電路提供的位置信息，并傳送到遠程數據庫。此種系統主要用于行李被盜后的尋找，并提供犯罪者身份的證據，但是并不能及時發現行李丟失。

總的來說，基于GPS定位的行李防盜系統范圍大，誤差大，精確度低，不能及時發現被盜，且在室內GPS信號很差，無法起到有效的防盜作用。

1.3 智能型行李跟蹤系統

M Ghazal等人[11]提出了一種使用移動應用程序和智能手表實時跟蹤機場行李的智能系統，使用有源標簽收集的卡爾曼濾波Wi-Fi指紋進行跟蹤，利用QR碼輸入用戶飛行前的信息，記錄航班信息與不同行李之間的關聯。他們測試了系統對機場無線網絡的影響以及標簽的能量需求與隨機發生的不同旅行延誤時間之間的線性關系。此系統能夠有效地向乘客佩戴的智能手表提供實時行李追蹤信息。

國內的龔江濤等人[12]發明了一種智能行李箱，通過檢測用戶終端的藍牙信號的強度以及接收到信號的時間差來定位用戶。其中定位模塊采用三塊nRF51藍牙4.0控制芯片，組成無線傳感網?？梢詫崿F智能行李箱的測重功能、自動跟隨功能、防盜功能。

丁世豪等人[13]設計了一款智能行李箱集成了Blue tooth 4.0模塊、GPS導航模塊以及重量感應傳感器,實現了行李箱的自動跟隨、精確定位以及實時顯示物品的重量和環境的溫濕度等功能。

趙艷妮等人[14]基于視覺傳感器設計了智能跟隨行李箱，采用Arduino Uno R3控制器，Pixy視覺傳感器模塊采集目標物的像素信息進行分析，以識別顏色的方法進行跟隨，但是限制較多。

綜上所述，現有的防盜行李箱已無法滿足人們的需要，急需一種行李箱防盜系統。針對以上問題，文中提出了一種基于Arduino的新型智能行李箱防盜系統。

2 基于Arduino的智能行李箱防盜系統

針對現有技術存在的不足，提出一種基于Arduino的新型智能行李箱防盜系統，此系統使用方便，便于操作，穩定性好，可靠性高，防盜效率高。

2.1 Arduino簡介

Arduino是一款簡單易用便捷靈活的軟硬件開源電子原型平臺，由開放原碼的簡單I/O界面板衍生而來，開發環境使用類似Java、C語言的編程語言。Arduino主要由兩個部分構成：一是開發所需的硬件資源，即多種類型的Arduino電路板；二是開發所需的軟件資源，包括特有的開發工具Arduino IDE編程環境及Arduino編程語言。使用Arduino技術進行開發的第一步是硬件選型，即選擇符合所需功能的開發板。Arduino開發板不斷發展，已經成為一個具有多種開發功能的開發板大家庭，具備不同開發功能的開發板使用同樣的開發語言，并且具有統一的對外接口。Arduino 101是一個性能出色的低功耗開發板，它基于Intel Curie模組，有著和UNO一樣的特性和外設，但是其使用了低功耗的Intel單片機、板載有藍牙和姿態傳感器。結合行李箱防盜系統的設計要求并綜合考慮現有研究條件，文中選擇Arduino系列開發板中的Arduino 101開發板作為傳感器節點硬件。

2.2 系統的建立

基于該開發板，設計了一種行李箱防盜系統，主要包括以下幾個模塊：運動狀態檢測模塊、通信模塊、報警模塊。

狀態檢測模塊安裝在行李箱的內部。主要組成為arduino101開發板上集成的Intel Curie和超聲波傳感器。Intel Curie是針對可穿戴設計的模組，集成了一個慣性測量單元，慣性測量單元(inertial measurement unit，IMU)是測量物體三軸姿態角或角速率以及加速度的裝置。一般地，IMU包含了三個單軸的加速度計和三個單軸的陀螺儀，加速度計測量目標三個軸的加速度信號，而陀螺儀測量目標在運動的角速度大小，可以獲取目標當前的三個加速度分量和三個旋轉角速度。通過采集多維數據，并通過數學運算得到相應位移和速度值。然后使用Madgwick濾波算法[15](算法1)對數據進行處理。超聲波傳感器是將超聲波信號轉換成其他能量信號(通常是電信號)的傳感器。超聲波是振動頻率高于20 KHz的機械波。它具有頻率高、波長短、繞射現象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點。超聲波對液體、固體的穿透本領很大，尤其是在陽光不透明的固體中。超聲波碰到雜質或分界面會產生顯著反射形成反射回波，利用超聲波傳感器這一性質可以檢測行李箱和旅客之間的距離。

算法1：

(1)定義i=1,2,3,4

(2)定義j=1,2,3

(3)定義加速度計測量值為a(j)

(4)定義陀螺儀測量值為w(j)

(5)設置初始條件下四元數的估計值SEq(i)

(6)標準化加速度計測量值

(7)利用加速度測量值a(j)，計算目標函數f和雅可比矩陣J

(8)利用J計算梯度(矩陣乘法)SEqHotDot(i)

(9)標準化梯度值

(10)利用w(j)，計算四元數SEqDot(i)

(11)對估計的四元數求積分

(12)標準化所得的四元數

通信模塊通過無線傳輸介質與狀態檢測模塊連接，通信模塊和報警模塊可通過手機對系統進行控制，向用戶發送報警信息。同時通過藍牙模塊與手機連接時，設置登錄密碼，提高安全性。

報警模塊主要組成是蜂鳴器，主要工作原理是當行李箱移動時，通過狀態檢測模塊收集的狀態信息通過通信模塊發送給單片機，單片機處理信息所得到的數據差值如果大于預設的閾值，短信模塊將發送短信提醒信息給手機，同時單片機觸發舵機鎖工作，防止箱子被打開。當行李丟失后，通過手機藍牙功能發送指令，觸發蜂鳴器報警，用戶可以基于警報聲音尋找行李，報警觸發程序如算法2所示。

算法2：

(1)定義“K”為觸發報警程序

(2)定義“G”為不觸發報警程序

(3)由藍牙遙控器發送信息代碼S

(4)設置控制蜂鳴器的數字引腳

(5)當輸出為高電平時發出聲音

(6)設置蜂鳴器發聲的時間循環

(7)讀取信息代碼S

(8)if S=K then

(9)觸發報警

(10)end if

系統最后運用Arduino IDE進行傳感器數據的采集及相關數據的處理。

3 實 驗

3.1 感知數據集

使用Arduino101開發板來模擬行李箱的運動。用開發板上集成的慣性測量單元來讀取開發板的姿態數據，最后使用Madgwick的濾波算法處理數據。

Madgwick濾波算法是開源代碼，由Sebastian Madgwick博士開發，算法的主要特點是以較低采樣率高效地使用較少計算資源。該算法從陀螺儀和加速度計采集原始數據，并通過計算得到四元數。四元數是包含了分別代表發生旋轉數軸的 “X”、“Y”、“Z”數值和代表圍繞相同數軸旋轉數值的“ω”數值的四維復數。這些四元數可用于計算歐拉角的三個角參量：章動角、旋進角和自轉角；這三個角參量是用于描述一個剛體圍繞“X”、“Y”和“Z”方向的旋轉程度?？墒褂孟铝械仁絹碛嬎阏聞咏恰⑿M角和自轉角，其計算函數也被包含在開發庫中。

(1)

θ=-sin-1(2q2q4+2q1q3)

(2)

(3)

其中，q1,q2,q3,q4是規范化后的描述方向的四元數。

把Arduino開發板放置在水平桌面上，得到開發板靜止時的姿態數據，然后通過模擬行李箱的平移，旋轉等運動狀態進行數據收集。該實驗通過Arduino101開發板上的IMU來收集開發板的運動狀態信息，然后通過Arduino IDE打印到電腦屏幕上。

根據加速度計芯片的朝向，確定板子的方向：當板子水平放置，垂直板子向上是Z軸的正方向；從USB接頭到藍牙的天線方向是X軸的正方向；從模擬和電源引腳到數字引腳是Y軸的正方向。根據這三個軸的數據關系就可以判斷板子的方向信息。

3.2 實驗說明

打開智能模塊的電源，待設備運行時，通過超聲波傳感器收集行李箱距離信息，加速度傳感器測量設備的方向加速度，當行李被移動時，兩個傳感器收集的信息發送給單片機，單片機處理信息所得到的數據差值如果大于預設的閾值，短信模塊將發送短信提醒信息給手機，同時單片機觸發舵機鎖工作，防止箱子被打開。當行李丟失后，通過手機藍牙功能發送指令，觸發蜂鳴器報警，可以基于警報聲音進行尋找。

慣性測量單元可以實時地檢測物體運動的姿態信息。系統通過檢測三個方向的加速度數值，對比三個方向加速度的變化，從而判斷行李箱的運動狀態。因為在火車啟停過程中產生的抖動會引起加速度瞬間變化，此時行李箱是處于安全狀態的。為了避免火車行駛對系統造成的干擾，系統通過超聲波傳感器測量行李箱與周圍物體的距離，在火車啟停過程中能夠監測行李箱的移動距離，當超過一定的閾值時才會發出警報。同時，系統通過Madgwick濾波算法對加速度數據進行處理，并將新產生的數據與前五次的平均值進行對比，過濾掉因火車運動造成的瞬間的加速度變化，從而消除火車運動對系統造成的干擾。通過實驗，測試多種情況下三軸加速度數據的變化，根據靜止時濾波后的數據和移動數據找出閾值。通過測試，在各種情況下系統均能夠準確地監測行李箱的狀態，及時報警。

3.3 仿真結果與分析

3.3.1 運動加速度分析

通過模擬行李箱的各種運動狀態，得到行李箱的三軸加速度值的變化，由于箱子與重力加速度方向的夾角會變化，從而導致X、Y、Z三個方向的加速度會同時變化。首先，將開發板放置在水平桌面上，模擬行李箱處于靜止狀態，得到行李箱靜止時三軸加速度值，見圖1。由圖1可知，當行李箱處于靜止時，其三軸加速度為水平直線。

圖1 靜止時三軸加速度變化

接著用開發板模擬行李箱從貨架上取下的過程，得到圖2所示的曲線。由于在火車行進過程中，行李箱可能會發生自由落體運動。因此，為了區分是人為取下箱子，還是箱子由于火車運動自己落下，使開發板做自由落體運動，并得到三軸加速度的曲線，見圖3。

圖2 行李箱取下時三軸加速度變化

圖3 自由落體時三軸加速度變化

分析圖2、圖3可得，無論是人為取下，還是自由落體，其X軸的加速度變化不是太明顯。因此主要分析Z軸和Y軸的加速度變化。由圖可知，當行李箱發生自由落體時其Z軸和Y軸的加速度變化比人為取下時的變化明顯。因此可以根據其曲線峰值的大小來判斷行李箱是否被盜。若峰值小于一定的閾值，則證明是人為取下，此時則可以觸發報警裝置。

然后使用開發板模擬行李在運動過程中的箱翻轉和轉彎，檢測行李箱不同狀態下的三軸加速度的變化，得到圖4和圖5。

圖4 順時針翻轉兩次三軸加速度的變化

圖5 轉彎時三軸加速度的變化

分析圖4、圖5可得，行李箱翻轉時的Z軸數值變化與其他兩軸相比較明顯，X軸數值變化較平緩。轉彎時Z軸數值變化較平緩，Y軸數值變化較明顯，X軸次之。由此變化的不同，可以分析行李箱的形態變化。從而判斷出行李箱當前的運動狀態，有助于行李箱丟失時對其進行尋找。

3.3.2 AHRS姿態分析

由于物體運動除加速度會隨之變化之外，還有其繞三個坐標軸的角速度的變化。AHRS包括多個軸向傳感器，能夠為運動物體提供航向(heading)、俯仰(pitch)和側翻(roll)信息，這類系統通常為飛行器提供準確可靠的姿態和航行信息。將其運用到此模擬實驗中，可以使用戶實時得到準確的行李箱的運動姿態。可以更為及時地防止行李箱的丟失以及在丟失時，能準確地掌握行李箱的狀態，以此來尋找行李箱。在此模擬實驗中使用Madgwick濾波算法對采集到的數據進行濾波處理。以開發板來模擬行李箱的運動，得到行李箱運動姿態的變化，如圖6～圖9所示。

圖6 上下移動

圖7 前后運動

圖8 翻轉運動

圖9 左右轉彎運動

分析以上圖像可以得知，當行李箱上下運動時其俯仰值變化較航向和側翻明顯。當前后運動時，其航向，俯仰和側翻的變化都不是很明顯。當其進行翻轉時側翻值的變化較大，航向和俯仰的變化較平緩。當左右轉彎時，其航向變化最大，俯仰和側翻變化較平緩。由此根據其姿態變化曲線圖的不同可以實時地將行李箱的姿態信息發送給用戶，以便實時地掌握行李箱的情況，且在行李箱發生異樣的時候向用戶發送報警信息。

4 結束語

設計了一種智能行李箱防盜系統，通過Arduino101板載慣性測量單元以及超聲波傳感器來收集行李箱的運動姿態數據并通過軟件平臺進行AHRS姿態的解算，并實時傳輸出來打印到屏幕中。該系統解決了原有方案不能準確判斷的問題，實現了行李箱的精確檢測、智能防盜，即當行李箱移動時可及時發出警報聲并發送報警短信到用戶手機，避免造成財務損失。

此系統運用了Madgwick濾波算法，解決了加速度傳感器原有數據不穩定的問題，消除了火車行駛時對數據的影響；對超聲波傳感器進行初始化，可以消除其他因素造成的距離變化，并自動適應行李箱不同的擺放方式，實現了其對位置變化感應更靈敏。并添加了距離差算法，自動對測得的數據進行運算，并與原始數據進行對比，能夠消除火車不同行駛速度對其造成的影響。系統的藍牙連接和報警模塊，需要輸入登錄密碼才可連接系統，進而對系統進行控制，整個系統具有良好的可擴展性及安全性。用戶可在一定距離進行操作，通過發送指令，系統會發出警報聲，提醒用戶行李箱位置。該設計使用方便，可靠性高。并且采用低功耗的傳感器，該設計功耗小，續航時間長，便于操作，穩定性好，可靠性高。