河北工業(yè)大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院 韓福長(zhǎng) 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(jī)械鎖的效果都不佳。目前國(guó)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(shí)刻檢測(cè)行李箱與移動(dòng)終端的距離還檢測(cè)是否被盜。[2]但是，這種報(bào)警器局限在于作為移動(dòng)端的人一旦發(fā)生較大的移動(dòng)就會(huì)產(chǎn)生誤報(bào)，人機(jī)交互性差，同時(shí)并未與箱體結(jié)合，集成度低。為此，設(shè)計(jì)一款能夠集成于行李箱內(nèi)部，人機(jī)交互性強(qiáng)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(jì)來檢測(cè)箱體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，傳回到內(nèi)嵌單片機(jī)，利用智能算法精準(zhǔn)定位行李箱移動(dòng)情況，利用APP進(jìn)行人機(jī)交互，同時(shí)集成語音報(bào)警模塊實(shí)時(shí)報(bào)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(bào)警延時(shí)，精度低，限制大等缺點(diǎn)，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(jī)最小系統(tǒng)和MPU6050模塊，用于檢測(cè)行李箱的運(yùn)動(dòng)情況，LM317模塊為最小系統(tǒng)提供穩(wěn)定電源。當(dāng)APP通過藍(lán)牙向單片機(jī)發(fā)送警戒狀態(tài)信號(hào)后，一旦檢測(cè)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(jì)

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(jì)，及一個(gè)可擴(kuò)展的數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器DMP。

MPU-6050對(duì)陀螺儀和加速度計(jì)分別用了三個(gè)16位的ADC，將其測(cè)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(yùn)動(dòng)，陀螺儀可測(cè)范圍為±250，±500，±1000，±2000°/秒（dps），加速度計(jì)可測(cè)范圍為±2，±4，±8，±16g。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

一個(gè)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(diǎn)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(qiáng)型系列由意法半導(dǎo)體集團(tuán)設(shè)計(jì)，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(chǔ)器（高達(dá)128K字節(jié)的閃存和20K字節(jié)的SRAM），豐富的增強(qiáng)I/O端口和連接到兩條APB總線的外設(shè)。所有型號(hào)的器件都包含2個(gè)12位的ADC、3個(gè)通用16位定時(shí)器和1個(gè)PWM定時(shí)器，還包含標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口。本系統(tǒng)選用STM32F103ZET6型號(hào)的芯片，具有執(zhí)行效率高，穩(wěn)定性強(qiáng)，功耗低和成本低的優(yōu)點(diǎn)。

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(duì)控制系統(tǒng)供電電源的質(zhì)量要求較高。因此，針對(duì)供電電源進(jìn)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(jiǎn)單形式，又具備輸出電壓可調(diào)的特點(diǎn)。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(diǎn)。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(xiàng)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(yùn)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(dòng)增益控制、麥克風(fēng)前置擴(kuò)大器、揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)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(diǎn)，本系統(tǒng)決定采用此款芯片，具體電路如圖4所示。

3 測(cè)距算法

3.1 數(shù)據(jù)采集環(huán)境

物體移動(dòng)后，物體離參考點(diǎn)的距離超過閾值距離，我們稱這種狀態(tài)為移動(dòng)觸發(fā)[3]。行李箱的移動(dòng)檢測(cè)通過MPU6050結(jié)合相應(yīng)算法實(shí)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(cè)到的初始加速度值。為了簡(jiǎn)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(jī)。

圖5 行李箱擺放示意圖

做物體移動(dòng)數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)時(shí)MPU6050的朝向?yàn)閆軸垂直于水平面。而X軸和Y軸平行于水平面隨機(jī)朝向。指定具體的方向，讓人拖著檢測(cè)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(shí)驗(yàn)拖行示意圖

3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)預(yù)處理

實(shí)驗(yàn)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(dòng)時(shí)加速度的變化的，用Newton插值法對(duì)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(diǎn)與函數(shù)值的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下：

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

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

上面時(shí)插值多項(xiàng)式節(jié)點(diǎn)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(diǎn)。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(dòng)的狀態(tài)。

3.3 初級(jí)距離算法

在實(shí)驗(yàn)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(jì)算各采樣時(shí)刻的物理運(yùn)動(dòng)速度。對(duì)與離散的加速度數(shù)據(jù)，可通過的方法處理。對(duì)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(jì)算示意圖如圖7所示：

圖7 矩形法距離計(jì)算

X方向位移計(jì)算公式：

同理可計(jì)算y方向的位移。X方向位移和Y方向位移因?yàn)榇怪钡年P(guān)系，因此物體的實(shí)際移動(dòng)距離為。

圖8 實(shí)驗(yàn)物體X，Y方向位移和移動(dòng)距離關(guān)系

初級(jí)距離計(jì)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(jì)算得到的。但這種方法不能排除信號(hào)漂移干擾和環(huán)境變化干擾[6]。

3.4 改進(jìn)的距離計(jì)算方法

改進(jìn)原因：物體在不光滑的地面拖動(dòng)時(shí)會(huì)發(fā)生抖動(dòng)。這些抖動(dòng)是瞬間的，觀察MPU6050采集到的加速度也能發(fā)現(xiàn)，在抖動(dòng)時(shí)檢測(cè)到的加速度存在突變現(xiàn)象，并導(dǎo)致加速度隨時(shí)間的曲線出現(xiàn)尖峰[7]。這些抖動(dòng)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(huì)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(dòng)時(shí)采集到的尖峰加速度，后續(xù)的積分運(yùn)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?。菏褂肕PU6050采集信號(hào)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(shí)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(duì)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(jì)算。表達(dá)式為：

對(duì)于隨機(jī)干擾的信號(hào)，其特點(diǎn)是這種信號(hào)有一個(gè)平均值，信號(hào)在該平均值上下波動(dòng)。

（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(diǎn)：一是可消除大服務(wù)脈沖干擾引起的采樣偏差，二是對(duì)周期性隨機(jī)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(duì)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(jìn)行濾波，濾波前后對(duì)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(jì)算結(jié)果及對(duì)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(dòng)時(shí)加速度突變?cè)斐傻恼`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(duì)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(shì)。本設(shè)計(jì)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(cè)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(jì)算角速度等次要因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。但實(shí)際情況如火車轉(zhuǎn)彎，行駛震動(dòng)等都會(huì)帶來角速度變化的影響，實(shí)際應(yīng)用時(shí)安全狀態(tài)誤判的概率將會(huì)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。