河北工業(yè)大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院 韓福長 彭一南 嚴(yán) 婷 張 萍

0 引言

隨著生活水平的提高，出游的人數(shù)都在不斷激增，而隨之產(chǎn)生的行李箱失竊案件的比例也不斷上升[1]。傳統(tǒng)的防盜方法，無論密碼鎖還是機械鎖的效果都不佳。目前國內(nèi)有研究行李箱防盜器的，比如香港創(chuàng)世樹公司推出的一種智能防盜行李箱，利用RFID射頻技術(shù)，時刻檢測行李箱與移動終端的距離還檢測是否被盜。[2]但是，這種報警器局限在于作為移動端的人一旦發(fā)生較大的移動就會產(chǎn)生誤報，人機交互性差，同時并未與箱體結(jié)合，集成度低。為此，設(shè)計一款能夠集成于行李箱內(nèi)部，人機交互性強的行李箱防盜裝置是很有必要的。該產(chǎn)品基于陀螺儀加速計來檢測箱體運動狀態(tài)，傳回到內(nèi)嵌單片機，利用智能算法精準(zhǔn)定位行李箱移動情況，利用APP進行人機交互，同時集成語音報警模塊實時報警，最大限度地保證行李箱的安全。同原有一些產(chǎn)品比它解決了報警延時，精度低，限制大等缺點，大大提高了行李箱的安全性。

1 系統(tǒng)總體方案

為減少功耗和封裝體積，本系統(tǒng)采用STM32單片機最小系統(tǒng)和MPU6050模塊，用于檢測行李箱的運動情況，LM317模塊為最小系統(tǒng)提供穩(wěn)定電源。當(dāng)APP通過藍牙向單片機發(fā)送警戒狀態(tài)信號后，一旦檢測到位移超過閾值及通過語音模塊和功放發(fā)出人聲警戒盜賊以及提醒物主。系統(tǒng)嵌套在行李箱內(nèi)部，其系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 六軸傳感器MPU-6050

MPU6050模塊是InvenSense公司推出的一款6軸傳感器模塊。集成3軸MEMS陀螺儀，3軸MEMS加速度計，及一個可擴展的數(shù)字運動處理器DMP。

MPU-6050對陀螺儀和加速度計分別用了三個16位的ADC，將其測量的模擬量轉(zhuǎn)化為可輸出的數(shù)字量。為了精確跟蹤快速和慢速的運動，陀螺儀可測范圍為±250，±500，±1000，±2000°/秒（dps），加速度計可測范圍為±2，±4，±8，±16g。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

一個片上1024字節(jié)的FIFO，有助于降低系統(tǒng)功耗。高分辨度、體積小、功耗低，這些特點使MPU6050非常適合于嵌入式設(shè)備應(yīng)用。MPU6050電路原理圖如圖2所示。

2.2 STM32最小系統(tǒng)

STM32F103增強型系列由意法半導(dǎo)體集團設(shè)計，使用高性能的ARMCortex-M3，32位RISC內(nèi)核，工作頻率72MHz，內(nèi)置高速存儲器（高達128K字節(jié)的閃存和20K字節(jié)的SRAM），豐富的增強I/O端口和連接到兩條APB總線的外設(shè)。所有型號的器件都包含2個12位的ADC、3個通用16位定時器和1個PWM定時器，還包含標(biāo)準(zhǔn)和先進的通信接口。本系統(tǒng)選用STM32F103ZET6型號的芯片，具有執(zhí)行效率高，穩(wěn)定性強，功耗低和成本低的優(yōu)點。

圖2 MPU6050電路原理圖

2.3 LM317穩(wěn)壓芯片

為保證系統(tǒng)的精確穩(wěn)定性，對控制系統(tǒng)供電電源的質(zhì)量要求較高。因此，針對供電電源進行穩(wěn)壓處理，為此本系統(tǒng)采用LM317穩(wěn)壓芯片。LM317是應(yīng)用最為廣泛的電源集成電路之一，它不僅具有固定式三端穩(wěn)壓電路的最簡單形式，又具備輸出電壓可調(diào)的特點。此外，還具有調(diào)壓范圍寬、穩(wěn)壓性能好、噪聲低、紋波抑制比高等優(yōu)點。系統(tǒng)電源模塊采用電池12V供電，經(jīng)過LM317轉(zhuǎn)換5V為STM32最小系統(tǒng)供電，穩(wěn)壓電路如圖3所示：

圖3 LM317模塊原理圖

2.4 語音模塊

ISD1700芯片是華邦公司推出的單片優(yōu)質(zhì)語音錄放電路，該芯片提供多項新功能，包括內(nèi)置專利的多信息管理系統(tǒng)，新信息提示，雙運作模式，及可定制的信息操作指示音效。芯片內(nèi)部包含有自動增益控制、麥克風(fēng)前置擴大器、揚聲器驅(qū)動線路、振蕩器內(nèi)存等的全方位整合系統(tǒng)功能。正是基于上述的優(yōu)點，本系統(tǒng)決定采用此款芯片，具體電路如圖4所示。

3 測距算法

3.1 數(shù)據(jù)采集環(huán)境

物體移動后，物體離參考點的距離超過閾值距離，我們稱這種狀態(tài)為移動觸發(fā)[3]。行李箱的移動檢測通過MPU6050結(jié)合相應(yīng)算法實現(xiàn)的。

圖4 ISD1700電路原理圖

因此，行李箱的擺放將影響MPU6050檢測到的初始加速度值。為了簡化問題。本文討論行李箱端正擺放，也就是MPU6050的Z軸是垂直于地面的，而X軸與Y軸與水平面平行，朝向隨機。

圖5 行李箱擺放示意圖

做物體移動數(shù)據(jù)采集實驗。實驗時MPU6050的朝向為Z軸垂直于水平面。而X軸和Y軸平行于水平面隨機朝向。指定具體的方向，讓人拖著檢測裝置沿指定方向在水平面上拖行指定距離。這里距離設(shè)定為1m，拖行速度與人拖行行李箱的速度相仿。

圖6 實驗拖行示意圖

3.2 實驗數(shù)據(jù)預(yù)處理

實驗距離1m內(nèi)采集到的數(shù)據(jù)是不能完全體現(xiàn)物體移動時加速度的變化的，用Newton插值法對采集到的加速度數(shù)列插值，使加速度數(shù)列能更準(zhǔn)確的描述物體加速度的變化。令插值節(jié)點與函數(shù)值的對應(yīng)關(guān)系如下：

Newton插值使n次多項式插值，其思路使將待求得n次插值多項式寫成逐次生成的形式[4]。

用Pn(x)插值時，首先計算各階商，各階商可歸結(jié)為一階差商的逐次計算，一般地：

上面時插值多項式節(jié)點任意分布的情況。而在加速度數(shù)列中，我們遇到的是等距節(jié)點。于是Newton前插公式可變?yōu)椋?/p>

經(jīng)牛頓插值法處理后的加速度數(shù)列能更準(zhǔn)確的描述物體移動的狀態(tài)。

3.3 初級距離算法

在實驗中得到一系列加速度數(shù)據(jù)，ax和ay。根據(jù)物理定律可計算各采樣時刻的物理運動速度。對與離散的加速度數(shù)據(jù)，可通過的方法處理。對速度作積分可得位移，離散的速度數(shù)據(jù)可通過矩形法得到[5]。矩形法計算示意圖如圖7所示：

圖7 矩形法距離計算

X方向位移計算公式：

同理可計算y方向的位移。X方向位移和Y方向位移因為垂直的關(guān)系，因此物體的實際移動距離為。

圖8 實驗物體X，Y方向位移和移動距離關(guān)系

初級距離計算方法使用的是通過直接使用采集到的加速度數(shù)據(jù)計算得到的。但這種方法不能排除信號漂移干擾和環(huán)境變化干擾[6]。

3.4 改進的距離計算方法

改進原因：物體在不光滑的地面拖動時會發(fā)生抖動。這些抖動是瞬間的，觀察MPU6050采集到的加速度也能發(fā)現(xiàn)，在抖動時檢測到的加速度存在突變現(xiàn)象，并導(dǎo)致加速度隨時間的曲線出現(xiàn)尖峰[7]。這些抖動尖峰往往是瞬間的，但離散的加速度采樣系統(tǒng)采集到尖峰的加速度后會認(rèn)為該加速度將一直維持到下一次采樣開始。這將放大抖動時采集到的尖峰加速度，后續(xù)的積分運算也將放大該誤差，通過算數(shù)濾波能減緩這些突變加速度的干擾[8]。

濾波算法的選取：使用MPU6050采集信號過程中，硬件自身及周邊環(huán)境都是干擾源。因此采集的加速度值與實際值之間是有一定偏差的。而產(chǎn)生偏差的主要原因是加速度漂移現(xiàn)象和加速度突變的脈沖噪聲，通過數(shù)字濾波的方法能有效的降低這些誤差對結(jié)果的影響[9]，數(shù)字濾波主要有以下幾種：

（1）算術(shù)平均濾波

算術(shù)平均濾波算法就是連續(xù)取n次采樣值作算數(shù)平均計算。表達式為：

對于隨機干擾的信號，其特點是這種信號有一個平均值，信號在該平均值上下波動。

（2）中位值平均濾波算法

中位值平均濾波算法相當(dāng)于“中位值濾波算法”+“算數(shù)平均濾波算法”。它匯集了兩種算法的優(yōu)點：一是可消除大服務(wù)脈沖干擾引起的采樣偏差，二是對周期性隨機噪聲有良好的抑制作用，三是其濾波后平滑度高，適用高頻濾波系統(tǒng)。中位值平均濾波的算法流程圖9所示。

對MPU6050采集到的x方向和y方向的兩組組加速度別使用中位值平均濾波算法進行濾波，濾波前后對比圖可見，加速度突變和漂移現(xiàn)象在濾波后得到有效削弱，結(jié)果如圖10所示。

濾波前后的距離計算結(jié)果及對應(yīng)的誤差結(jié)果見表2。由此可見，中位值平均濾波算法能有效削弱抖動時加速度突變造成的誤差。

表2 濾波前后距離與誤差結(jié)果

圖9 中位值平均濾波流程圖

圖10 加速度濾波前后對比圖

4 結(jié)論

更安全更智能的行李箱是未來的發(fā)展趨勢。本設(shè)計在未來行李箱防盜技術(shù)方面作了初探，具備參考意義。

行李箱防盜系統(tǒng)的距離檢測算法通過中位值平均濾波法削弱了加速度值的漂移誤差和脈沖突變誤差，并將誤差從21.88%控制到14.05%內(nèi)，大大降低了行李箱安全狀態(tài)的誤判。

本防盜系統(tǒng)的算法局限性在于不能計算角速度等次要因素對測量結(jié)果的影響。但實際情況如火車轉(zhuǎn)彎，行駛震動等都會帶來角速度變化的影響，實際應(yīng)用時安全狀態(tài)誤判的概率將會上升[10]。為此，行李箱防盜系統(tǒng)下一步將研究加速度與角速度帶來的綜合影響，以降低安全誤判的概率。