耿麗娟，劉 青，袁培燕,

(1.河南師范大學(xué) 計算機與信息工程學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453000；2.智慧商務(wù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)河南省工程實驗室，河南 新鄉(xiāng) 453000)

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，計算機相關(guān)技術(shù)為智能防盜系統(tǒng)的研究提供了技術(shù)支持。從目前的研究現(xiàn)狀來看，國內(nèi)外對汽車、室內(nèi)防盜方法的研究比較多[1-6]，也推出了一些具有應(yīng)用價值的產(chǎn)品。但對于行李防盜的研究目前還處于初級階段。隨著經(jīng)濟的迅速發(fā)展，國內(nèi)的客運量也持續(xù)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(shù)，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(tài)，故判斷精度也較差。

近年來，Arduino以簡單易用便捷靈活的優(yōu)勢成為了一個優(yōu)秀的硬件開發(fā)平臺，能通過各種各樣的傳感器來感知環(huán)境，與各種硬件搭配可以實現(xiàn)對系統(tǒng)的智能控制。從行李箱防盜出發(fā)，設(shè)計了一種基于Arduino的智能防盜系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過使用超聲波傳感器和Arduino101板載慣性測量單元等硬件設(shè)備，綜合運用姿態(tài)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(tài)造成誤報警的問題。

1 研究現(xiàn)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(tǒng)一般包括射頻標(biāo)簽(Tag)、讀寫器和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，射頻標(biāo)簽是由天線和芯片組成。

Aicha Slassi Sennou等人[7]利用射頻識別標(biāo)簽識別和跟蹤乘客行李的位置。研究了數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序與RFID系統(tǒng)進行通信的交互式手鐲的使用情況。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)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(tǒng)實驗室在TASS (fp7 -sec2010 -241905) EU研究項目中開發(fā)了一個基于RFID的行李和乘客跟蹤系統(tǒng)。另外Z Kato[9]結(jié)合RFID和Geographic Information System (簡稱GIS)技術(shù)進行高級行李追蹤，通過使用可重寫的無源RFID標(biāo)簽，研究RFID技術(shù)如何在航空工業(yè)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(nèi)，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(tài)，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(tǒng)一般適用在機場，如果在火車上行李被盜，在射頻范圍內(nèi)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(fā)生誤報警。

1.2 基于GPS定位的行李防盜系統(tǒng)

F C Mercado[10]研究的行李跟蹤和監(jiān)視系統(tǒng)，使用一個拉鏈桿附在傳統(tǒng)的手提箱閉合拉鏈上，一個固定的緊固件附在傳統(tǒng)的固定帶上。當(dāng)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(tǒng)，開始創(chuàng)建打開手提箱的人的記錄。錄制靜態(tài)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(shù)據(jù)庫。此種系統(tǒng)主要用于行李被盜后的尋找，并提供犯罪者身份的證據(jù)，但是并不能及時發(fā)現(xiàn)行李丟失。

總的來說，基于GPS定位的行李防盜系統(tǒng)范圍大，誤差大，精確度低，不能及時發(fā)現(xiàn)被盜，且在室內(nèi)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(tǒng)

M Ghazal等人[11]提出了一種使用移動應(yīng)用程序和智能手表實時跟蹤機場行李的智能系統(tǒng)，使用有源標(biāo)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(guān)聯(lián)。他們測試了系統(tǒng)對機場無線網(wǎng)絡(luò)的影響以及標(biāo)簽的能量需求與隨機發(fā)生的不同旅行延誤時間之間的線性關(guān)系。此系統(tǒng)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(nèi)的龔江濤等人[12]發(fā)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(wǎng)?？梢詫崿F(xiàn)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(shè)計了一款智能行李箱集成了Blue tooth 4.0模塊、GPS導(dǎo)航模塊以及重量感應(yīng)傳感器,實現(xiàn)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(huán)境的溫濕度等功能。

趙艷妮等人[14]基于視覺傳感器設(shè)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(biāo)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(xiàn)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(tǒng)。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(tǒng)。

2 基于Arduino的智能行李箱防盜系統(tǒng)

針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提出一種基于Arduino的新型智能行李箱防盜系統(tǒng)，此系統(tǒng)使用方便，便于操作，穩(wěn)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(fā)環(huán)境使用類似Java、C語言的編程語言。Arduino主要由兩個部分構(gòu)成：一是開發(fā)所需的硬件資源，即多種類型的Arduino電路板；二是開發(fā)所需的軟件資源，包括特有的開發(fā)工具Arduino IDE編程環(huán)境及Arduino編程語言。使用Arduino技術(shù)進行開發(fā)的第一步是硬件選型，即選擇符合所需功能的開發(fā)板。Arduino開發(fā)板不斷發(fā)展，已經(jīng)成為一個具有多種開發(fā)功能的開發(fā)板大家庭，具備不同開發(fā)功能的開發(fā)板使用同樣的開發(fā)語言，并且具有統(tǒng)一的對外接口。Arduino 101是一個性能出色的低功耗開發(fā)板，它基于Intel Curie模組，有著和UNO一樣的特性和外設(shè)，但是其使用了低功耗的Intel單片機、板載有藍牙和姿態(tài)傳感器。結(jié)合行李箱防盜系統(tǒng)的設(shè)計要求并綜合考慮現(xiàn)有研究條件，文中選擇Arduino系列開發(fā)板中的Arduino 101開發(fā)板作為傳感器節(jié)點硬件。

2.2 系統(tǒng)的建立

基于該開發(fā)板，設(shè)計了一種行李箱防盜系統(tǒng)，主要包括以下幾個模塊：運動狀態(tài)檢測模塊、通信模塊、報警模塊。

狀態(tài)檢測模塊安裝在行李箱的內(nèi)部。主要組成為arduino101開發(fā)板上集成的Intel Curie和超聲波傳感器。Intel Curie是針對可穿戴設(shè)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(tài)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(biāo)三個軸的加速度信號，而陀螺儀測量目標(biāo)在運動的角速度大小，可以獲取目標(biāo)當(dāng)前的三個加速度分量和三個旋轉(zhuǎn)角速度。通過采集多維數(shù)據(jù)，并通過數(shù)學(xué)運算得到相應(yīng)位移和速度值。然后使用Madgwick濾波算法[15](算法1)對數(shù)據(jù)進行處理。超聲波傳感器是將超聲波信號轉(zhuǎn)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(xiàn)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(lǐng)很大，尤其是在陽光不透明的固體中。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會產(chǎn)生顯著反射形成反射回波，利用超聲波傳感器這一性質(zhì)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(shè)置初始條件下四元數(shù)的估計值SEq(i)

(6)標(biāo)準化加速度計測量值

(7)利用加速度測量值a(j)，計算目標(biāo)函數(shù)f和雅可比矩陣J

(8)利用J計算梯度(矩陣乘法)SEqHotDot(i)

(9)標(biāo)準化梯度值

(10)利用w(j)，計算四元數(shù)SEqDot(i)

(11)對估計的四元數(shù)求積分

(12)標(biāo)準化所得的四元數(shù)

通信模塊通過無線傳輸介質(zhì)與狀態(tài)檢測模塊連接，通信模塊和報警模塊可通過手機對系統(tǒng)進行控制，向用戶發(fā)送報警信息。同時通過藍牙模塊與手機連接時，設(shè)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(dāng)行李箱移動時，通過狀態(tài)檢測模塊收集的狀態(tài)信息通過通信模塊發(fā)送給單片機，單片機處理信息所得到的數(shù)據(jù)差值如果大于預(yù)設(shè)的閾值，短信模塊將發(fā)送短信提醒信息給手機，同時單片機觸發(fā)舵機鎖工作，防止箱子被打開。當(dāng)行李丟失后，通過手機藍牙功能發(fā)送指令，觸發(fā)蜂鳴器報警，用戶可以基于警報聲音尋找行李，報警觸發(fā)程序如算法2所示。

算法2：

(1)定義“K”為觸發(fā)報警程序

(2)定義“G”為不觸發(fā)報警程序

(3)由藍牙遙控器發(fā)送信息代碼S

(4)設(shè)置控制蜂鳴器的數(shù)字引腳

(5)當(dāng)輸出為高電平時發(fā)出聲音

(6)設(shè)置蜂鳴器發(fā)聲的時間循環(huán)

(7)讀取信息代碼S

(8)if S=K then

(9)觸發(fā)報警

(10)end if

系統(tǒng)最后運用Arduino IDE進行傳感器數(shù)據(jù)的采集及相關(guān)數(shù)據(jù)的處理。

3 實 驗

3.1 感知數(shù)據(jù)集

使用Arduino101開發(fā)板來模擬行李箱的運動。用開發(fā)板上集成的慣性測量單元來讀取開發(fā)板的姿態(tài)數(shù)據(jù)，最后使用Madgwick的濾波算法處理數(shù)據(jù)。

Madgwick濾波算法是開源代碼，由Sebastian Madgwick博士開發(fā)，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(shù)據(jù)，并通過計算得到四元數(shù)。四元數(shù)是包含了分別代表發(fā)生旋轉(zhuǎn)數(shù)軸的 “X”、“Y”、“Z”數(shù)值和代表圍繞相同數(shù)軸旋轉(zhuǎn)數(shù)值的“ω”數(shù)值的四維復(fù)數(shù)。這些四元數(shù)可用于計算歐拉角的三個角參量：章動角、旋進角和自轉(zhuǎn)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(zhuǎn)程度?？墒褂孟铝械仁絹碛嬎阏聞咏?、旋進角和自轉(zhuǎn)角，其計算函數(shù)也被包含在開發(fā)庫中。

(1)

θ=-sin-1(2q2q4+2q1q3)

(2)

(3)

其中，q1,q2,q3,q4是規(guī)范化后的描述方向的四元數(shù)。

把Arduino開發(fā)板放置在水平桌面上，得到開發(fā)板靜止時的姿態(tài)數(shù)據(jù)，然后通過模擬行李箱的平移，旋轉(zhuǎn)等運動狀態(tài)進行數(shù)據(jù)收集。該實驗通過Arduino101開發(fā)板上的IMU來收集開發(fā)板的運動狀態(tài)信息，然后通過Arduino IDE打印到電腦屏幕上。

根據(jù)加速度計芯片的朝向，確定板子的方向：當(dāng)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(shù)字引腳是Y軸的正方向。根據(jù)這三個軸的數(shù)據(jù)關(guān)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(shè)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(shè)備的方向加速度，當(dāng)行李被移動時，兩個傳感器收集的信息發(fā)送給單片機，單片機處理信息所得到的數(shù)據(jù)差值如果大于預(yù)設(shè)的閾值，短信模塊將發(fā)送短信提醒信息給手機，同時單片機觸發(fā)舵機鎖工作，防止箱子被打開。當(dāng)行李丟失后，通過手機藍牙功能發(fā)送指令，觸發(fā)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(tài)信息。系統(tǒng)通過檢測三個方向的加速度數(shù)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(tài)。因為在火車啟停過程中產(chǎn)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(tài)的。為了避免火車行駛對系統(tǒng)造成的干擾，系統(tǒng)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(jiān)測行李箱的移動距離，當(dāng)超過一定的閾值時才會發(fā)出警報。同時，系統(tǒng)通過Madgwick濾波算法對加速度數(shù)據(jù)進行處理，并將新產(chǎn)生的數(shù)據(jù)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(tǒng)造成的干擾。通過實驗，測試多種情況下三軸加速度數(shù)據(jù)的變化，根據(jù)靜止時濾波后的數(shù)據(jù)和移動數(shù)據(jù)找出閾值。通過測試，在各種情況下系統(tǒng)均能夠準確地監(jiān)測行李箱的狀態(tài)，及時報警。

3.3 仿真結(jié)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(tài)，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(dǎo)致X、Y、Z三個方向的加速度會同時變化。首先，將開發(fā)板放置在水平桌面上，模擬行李箱處于靜止?fàn)顟B(tài)，得到行李箱靜止時三軸加速度值，見圖1。由圖1可知，當(dāng)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(fā)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(fā)生自由落體運動。因此，為了區(qū)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(fā)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(dāng)行李箱發(fā)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(jù)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(fā)報警裝置。

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

圖4 順時針翻轉(zhuǎn)兩次三軸加速度的變化

圖5 轉(zhuǎn)彎時三軸加速度的變化

分析圖4、圖5可得，行李箱翻轉(zhuǎn)時的Z軸數(shù)值變化與其他兩軸相比較明顯，X軸數(shù)值變化較平緩。轉(zhuǎn)彎時Z軸數(shù)值變化較平緩，Y軸數(shù)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(tài)變化。從而判斷出行李箱當(dāng)前的運動狀態(tài)，有助于行李箱丟失時對其進行尋找。

3.3.2 AHRS姿態(tài)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(biāo)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(cè)翻(roll)信息，這類系統(tǒng)通常為飛行器提供準確可靠的姿態(tài)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(tài)?？梢愿鼮榧皶r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(tài)，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(shù)據(jù)進行濾波處理。以開發(fā)板來模擬行李箱的運動，得到行李箱運動姿態(tài)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(zhuǎn)運動

圖9 左右轉(zhuǎn)彎運動

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

4 結(jié)束語

設(shè)計了一種智能行李箱防盜系統(tǒng)，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(tài)數(shù)據(jù)并通過軟件平臺進行AHRS姿態(tài)的解算，并實時傳輸出來打印到屏幕中。該系統(tǒng)解決了原有方案不能準確判斷的問題，實現(xiàn)了行李箱的精確檢測、智能防盜，即當(dāng)行李箱移動時可及時發(fā)出警報聲并發(fā)送報警短信到用戶手機，避免造成財務(wù)損失。

此系統(tǒng)運用了Madgwick濾波算法，解決了加速度傳感器原有數(shù)據(jù)不穩(wěn)定的問題，消除了火車行駛時對數(shù)據(jù)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(yīng)行李箱不同的擺放方式，實現(xiàn)了其對位置變化感應(yīng)更靈敏。并添加了距離差算法，自動對測得的數(shù)據(jù)進行運算，并與原始數(shù)據(jù)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(tǒng)的藍牙連接和報警模塊，需要輸入登錄密碼才可連接系統(tǒng)，進而對系統(tǒng)進行控制，整個系統(tǒng)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(fā)送指令，系統(tǒng)會發(fā)出警報聲，提醒用戶行李箱位置。該設(shè)計使用方便，可靠性高。并且采用低功耗的傳感器，該設(shè)計功耗小，續(xù)航時間長，便于操作，穩(wěn)定性好，可靠性高。