基于物聯網的貴重物品智能防盜系統

歐樸康，甘 偉，李聰豪，李元龍，杜壯壯

（西安石油大學 電子工程學院，陜西 西安 710000）

0 引 言

近年來，隨著市民個人財富的不斷增長，對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現貴重物品的實時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品以保險箱為主，保險箱主要分為機械密碼鎖和電子密碼鎖。機械密碼鎖具有使用方便和工作穩定的優點，但容易通過暴力破壞的方式進行破解；電子密碼鎖具有斷電不可使用、耐用性低、電子系統易破解等缺點，且二者都不具備監測及報警功能，不能很好地滿足人們的需求。因此，市場急需一種智能化地提供實時保障的防盜系統。

針對以上問題，本文旨在以物聯網技術為基礎，以STM32F103芯片作為微處理器，以震動傳感器、GPS定位傳感器等構成監測端，微處理器、藍牙等構成用戶端，通過移動終端實現用戶對系統的操控；通過引入改進卡爾曼濾波算法提高位置精度，提高追蹤效率，實現智能化防盜。

1 研究現狀

在防盜領域，劉軍等人[1]提出以STM32芯片作為處理器，以紅外傳感器、震動傳感器作為信息采集點，通過核心處理器處理完信息后用WiFi發送到用戶的設備上進行數據采集、處理、傳輸，實現防盜功能。王凱彬等人[2]提出利用攝像頭、熱釋電紅外傳感器進行環境信息采集，采用GSM模塊進行用戶通知，通過微處理器STM32F103ZET6進行數據處理及系統控制，實時監測門外的情況，異常時則發出報警信息并檢測室內情況，有不法分子進入時自動截取畫面數據并實時通過GSM向用戶發送報警信息，實現報警功能。周書友等人[3]提出通過搭建終端局域網、STM32網關和遠程客戶端以整合ZigBee、云服務器和STM32組建一套家居監控報警系統，用戶可通過移動終端查看家居環境、控制門窗等，實現防盜功能。

2 系統工作原理

以STM32F103單片機作為核心處理器，GPS定位傳感器、紅外傳感器等構成監測端，射頻、微處理器、藍牙等構成用戶端。移動終端為用戶提供工作模式設置及實時報警通知功能[4]。具體工作流程如下：當貴重物品處于安全狀態時，用戶開啟安全模式，用戶端停止接收監測端發送的信息。用戶可自由移動和處理貴重物品。用戶通過手機開啟監測模式時，監測端的GPS定位傳感器、震動傳感器、紅外傳感器實時發送環境信息到用戶端。監測端無人靠近且沒有移動時，防盜系統處于靜默，以保持最低功耗狀態。一旦遇到突發情況，監測端各傳感器即將異常的環境信息交由用戶端的微處理器判斷；一旦數據超過設定閾值即進入報警狀態，蜂鳴器實時報警，用戶端通過藍牙向移動終端實時發送報警通知和監測端的位置信息，用戶可立即對貴重物品進行查看；如果貴重物品已經被盜，用戶可利用監測端的位置信息配合警方進行實時定位追蹤，以實現被盜后的貴重物品實時追蹤和及時追回[5]。

3 防盜系統結構構成

貴重物品智能防盜系統由監測端和用戶端構成。

監測端由微處理器、震動傳感器、紅外傳感器、GPS定位傳感器及射頻發送端組成。監測端可采取內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、藍牙組成。用戶端安裝在用戶身旁，可做成鑰匙大小。

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

主/備供電單元為監測端和用戶端供電以保證電力供應，備用供電單元負責在主供電單元意外停止供電時為系統提供至少5～8 h的電量。系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構

4 防盜系統功能實現

4.1 系統模式實現

為了提高防盜系統安全性能及防止誤報警等情況發生，本文設計了多種工作模式適應不同的需求。系統模式共分為三種：安全模式、監測模式、報警模式[7]。

安全模式：貴重物品處于安全狀態下，用戶可開啟移動終端，此模式下處理貴重物品也不會發生系統報警。該模式主要針對用戶解鎖防盜系統的情況，方便用戶對貴重物品的處理。安全模式下，用戶端的微處理器關閉射頻接收端的信息接收功能，不再接收監測端各傳感器發送的監測信息；對貴重物品的移動不會導致用戶端的蜂鳴器報警，也不會發送報警信息到移動終端，方便用戶處理貴重物品。該模式有利于解決安全狀態下防盜系統誤報警的問題。

監測模式：用戶通過移動終端開啟，使貴重物品進入防盜狀態，進而監測貴重物品的安全狀態。該模式主要是指防盜系統進入監測狀態時，一旦監測到貴重物品存在被靠近、觸碰、移動的情況，即實時發送異常狀態信息到用戶端[8]。監測模式下監測端各傳感器開始采集監測信息并通過射頻發送給用戶端，用戶端根據監測信息是否達到閾值判斷其是否為異常信息，進而監測防盜系統狀態。該模式下監測端及用戶端保持低功耗狀態，以降低電量消耗，從而優化系統電耗。該模式下系統能夠實時監測貴重物品的狀態，解決貴重物品無人看守的問題；系統能夠保持低功耗狀態，解決了防盜系統續航的問題。

報警模式是指用戶開啟監測模式后，貴重物品發生被靠近、觸碰、移動的情況導致監測端各傳感器產生異常信息時，用戶端接收到的監測信息達到閾值，系統所進入的模式。報警模式下，用戶端的蜂鳴器持續響鳴，并通過藍牙實時發送報警信息到移動終端，用戶可通過移動終端查看貴重物品的狀態及位置信息，從而實現實時追蹤的目的。該模式實現了在貴重物品被不法分子靠近、觸碰及移動時及時進行蜂鳴器報警，并能夠通過移動終端查看安全狀態及位置信息，為物品被盜后的實時追蹤提供位置信息等依據。

4.2 監測端功能實現

監測端功能主要是通過紅外傳感器、震動傳感器、GPS定位傳感器等采集貴重物品周圍的環境信息發送給用戶端，通過用戶端判斷其環境信息是否達到閾值，進而觸發報警，實現監測環境及實時報警的功能。監測端功能如圖2所示。

圖2 監測端功能

（1）微處理器功能實現：微處理器以STM32F103芯片作為核心，主要采集震動傳感器、紅外傳感器、GPS定位傳感器等各傳感器的環境信息，進行數據處理并發送到用戶端。

（2）紅外傳感器功能實現：紅外傳感器主要負責在監測模式下，對貴重物品的周邊狀況進行監測，以確定是否有不法分子靠近貴重物品。當防盜系統處于監測模式，有不法分子靠近時即觸發紅外傳感器，紅外傳感器則實時將異常信息發送給監測端的微處理器，進而通過射頻發送給用戶端判斷。

（3）震動傳感器功能實現：震動傳感器采用SW-420常閉型震動傳感器，其震動觸發時間長。與常開型震動傳感器模塊相比，不易因微小震動而發生誤響應。當防盜系統處于監測模式時，如有不法分子觸碰貴重物品進而觸發震動傳感器，震動傳感器即實時將異常信息發送給監測端的微處理器，并通過射頻發送給用戶端判斷。

（4）GPS定位傳感器功能實現：GPS模塊主要是在監測模式下，確定貴重物品是否被不法分子移動。在監測端受到不法分子的破壞時，系統依然可以為移動終端提供GPS位置信息，從而實現對不法分子的實時追蹤。

（5）射頻發送端功能實現：該模塊具有超低收發功耗，能解決系統的功耗問題；其主要負責監測端及用戶端間的信息傳輸，采用糾錯算法以減少信息傳輸的干擾及傳輸錯誤。其功能是將監測端的環境信息實時發送到用戶端。

4.3 用戶端功能實現

用戶端的功能主要是判斷監測端環境信息閾值及實時報警。當系統處于安全模式時，用戶端停止接收來自監測端的環境信息，以方便用戶處理貴重物品。當系統處于監測模式時，監測端收到異常信息并發送給用戶端，用戶端進行信息處理并判斷是否達到閾值。如果達到信息的閾值，即進入報警模式，用戶端的蜂鳴器實時響鳴，并通知移動終端貴重物品的異常情況及位置信息。用戶端功能實現如圖3所示。

圖3 用戶端功能

（1）微處理器功能實現：微處理器以STM32F103芯片作為核心，主要實現的功能是處理監測端發送的環境信息，并通過判斷信息的閾值來判斷是否進入報警模式。若進入報警模式，則開啟蜂鳴器，用戶端通過藍牙向移動終端實時發送監測端的報警通知和位置信息。在用戶端的數據處理過程中，通過改進卡爾曼濾波算法提高監測端的GPS位置信息采集的精度，可在用戶追蹤不法分子時更高效準確地提供位置信息，提高追蹤的效率[9]。

（2）射頻接收端功能實現：與監測端相同，該模塊具有超低收發功耗，能解決系統的功耗問題；主要用于監測端及用戶端間的信息傳輸，接收監測端發送的各傳感器采集的信息。該模塊采用糾錯算法減少了信息傳輸的干擾及傳輸錯誤。

（3）蜂鳴器采用MK002465有源蜂鳴器模塊，采用S8550三極管驅動，材質可靠，耐用壽命長。

（4）藍牙模塊功能實現：藍牙模塊可與手機和平板電腦等連接透傳，其功能是將用戶端微處理器發出的報警信息及監測端位置信息發送給用戶的移動終端。

4.4 移動終端功能實現

移動終端通過藍牙與用戶端連接，主要供用戶查看防盜系統安全狀態，設置系統工作模式，接收貴重物品的位置及狀態信息。

首先，用戶可以通過移動終端設置安全模式，對貴重物品進行處理；可設置監測模式，以開啟對貴重物品的實時監測。當防盜系統進入報警模式時，用戶可通過移動終端實時獲取防盜系統的報警信息，并在貴重物品被盜后通過系統反饋的位置信息進行實時追蹤。

4.5 主/備供電單元設計

為了保證系統長期穩定地工作，本文提出主/備雙供電單元的方案來保障系統的電力供應。當主供電單元的電量低于系統設定最低電量時，系統則及時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能夠為系統提供至少5～8 h的電量。

5 軟件系統實現

本文研究的基于物聯網的貴重物品智能防盜系統采用的核心處理器是STM32F103，軟件程序是在Keil μVision5平臺上由C語言編寫調試而成，并通過Proteus 8 Professional平臺搭建的模擬硬件電路共同承擔該設計的智能化功能。軟件設計主要包括監測端信息采集、用戶端數據處理、移動終端界面設計。

在用戶端的數據處理過程中，通過改進卡爾曼濾波算法提高監測端的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接收機狀態的誤差，減少運算量，降低了計算誤差，有效提高了定位精度；利用偽距估計接收機的鐘差和位置，成功避免了量測噪聲方差、濾波初值、系統噪聲方差導致的濾波發散問題。通過改進卡爾曼濾波算法提高了系統的定位精度，可在用戶追蹤不法分子時更高效準確地提供位置信息，提高追蹤的效率。

本文研究的基于物聯網技術的貴重物品智能防盜系統采用紅外傳感器、震動傳感器、GPS定位傳感器實現監測端的環境信息采集，蜂鳴器、藍牙實現用戶端的報警蜂鳴及報警信息傳輸，移動終端實現通知用戶報警和用戶狀態查看的功能[10]。系統軟件流程如圖4所示。

圖4 系統軟件流程

6 結 語

與目前市面上針對貴重物品的防盜產品相比，本文基于物聯網技術提出的貴重物品智能防盜系統，擁有多工作模式，穩定性強，具有實時監測、實時報警、實時追蹤功能。系統監測端通過紅外傳感器、震動傳感器、GPS定位傳感器實現多傳感器監測，用戶端引入改進卡爾曼濾波算法以提高系統的GPS定位精度，實現了高效率地實時追蹤。移動終端為用戶提供實時報警功能和物品位置信息。該系統不僅實現了被盜前的防盜監測，還實現了被盜后的實時追蹤。與目前的防盜產品相比，本系統契合智能時代特點，通過物聯網技術提高系統的連通性與協調性，使系統能夠更好地滿足人們的需求。