耿麗娟，劉 青，袁培燕,

(1.河南師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)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(shí)驗(yàn)室，河南 新鄉(xiāng) 453000)

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)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(jì)的迅速發(fā)展，國內(nèi)的客運(yùn)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(yùn)用RFID或者GPS等技術(shù)，通過判斷行李與用戶之間的距離進(jìn)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(yùn)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(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的智能控制。從行李箱防盜出發(fā)，設(shè)計(jì)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(yùn)用姿態(tài)分析和超聲波測距對行李箱進(jìn)行跟蹤和報(bào)警，解決了由于原方案不能準(zhǔn)確判斷行李箱運(yùn)動狀態(tài)造成誤報(bào)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(jìn)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(jìn)行交互，這些信息會告訴乘客行李的狀況。文獻(xiàn)[8]中提到NCSR Demokritos的綜合系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室在TASS (fp7 -sec2010 -241905) EU研究項(xiàng)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(jìn)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(jìn)的貨運(yùn)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(yùn)動狀態(tài)，由于沒有和手機(jī)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(jī)場，如果在火車上行李被盜，在射頻范圍內(nèi)是無法報(bào)警的，特別是在乘客上下車期間，行李箱可能因?yàn)閳?bào)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(bào)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(yuǎn)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(shí)時跟蹤機(jī)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(jìn)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(jī)場無線網(wǎng)絡(luò)的影響以及標(biāo)簽的能量需求與隨機(jī)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(shí)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(lán)牙信號的強(qiáng)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(lán)牙4.0控制芯片，組成無線傳感網(wǎng)?？梢詫?shí)現(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(jì)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(shí)現(xiàn)了行李箱的自動跟隨、精確定位以及實(shí)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(jì)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(jìn)行分析，以識別顏色的方法進(jìn)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(jìn)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(jī)、板載有藍(lán)牙和姿態(tài)傳感器。結(jié)合行李箱防盜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(diǎn)硬件。

2.2 系統(tǒng)的建立

基于該開發(fā)板，設(shè)計(jì)了一種行李箱防盜系統(tǒng)，主要包括以下幾個模塊：運(yùn)動狀態(tài)檢測模塊、通信模塊、報(bào)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(jì)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(jì)和三個單軸的陀螺儀，加速度計(jì)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(yùn)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(yùn)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(jìn)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(jī)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(diǎn)。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(jì)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(jì)值SEq(i)

(6)標(biāo)準(zhǔn)化加速度計(jì)測量值

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

(8)利用J計(jì)算梯度(矩陣乘法)SEqHotDot(i)

(9)標(biāo)準(zhǔn)化梯度值

(10)利用w(j)，計(jì)算四元數(shù)SEqDot(i)

(11)對估計(jì)的四元數(shù)求積分

(12)標(biāo)準(zhǔn)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(bào)警模塊可通過手機(jī)對系統(tǒng)進(jìn)行控制，向用戶發(fā)送報(bào)警信息。同時通過藍(lán)牙模塊與手機(jī)連接時，設(shè)置登錄密碼，提高安全性。

報(bào)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(jī)，單片機(jī)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(jī)，同時單片機(jī)觸發(fā)舵機(jī)鎖工作，防止箱子被打開。當(dāng)行李丟失后，通過手機(jī)藍(lán)牙功能發(fā)送指令，觸發(fā)蜂鳴器報(bào)警，用戶可以基于警報(bào)聲音尋找行李，報(bào)警觸發(fā)程序如算法2所示。

算法2：

(1)定義“K”為觸發(fā)報(bào)警程序

(2)定義“G”為不觸發(fā)報(bào)警程序

(3)由藍(lán)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(bào)警

(10)end if

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

3 實(shí) 驗(yàn)

3.1 感知數(shù)據(jù)集

使用Arduino101開發(fā)板來模擬行李箱的運(yùn)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(diǎn)是以較低采樣率高效地使用較少計(jì)算資源。該算法從陀螺儀和加速度計(jì)采集原始數(shù)據(jù)，并通過計(jì)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(jì)算歐拉角的三個角參量：章動角、旋進(jìn)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?jì)算章動角、旋進(jìn)角和自轉(zhuǎn)角，其計(jì)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(yùn)動狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)收集。該實(shí)驗(yàn)通過Arduino101開發(fā)板上的IMU來收集開發(fā)板的運(yùn)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(jì)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(lán)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(shí)驗(yàn)說明

打開智能模塊的電源，待設(shè)備運(yùn)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(jī)，單片機(jī)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(jī)，同時單片機(jī)觸發(fā)舵機(jī)鎖工作，防止箱子被打開。當(dāng)行李丟失后，通過手機(jī)藍(lán)牙功能發(fā)送指令，觸發(fā)蜂鳴器報(bào)警，可以基于警報(bào)聲音進(jìn)行尋找。

慣性測量單元可以實(shí)時地檢測物體運(yùn)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(yùn)動狀態(tài)。因?yàn)樵诨疖噯⑼＿^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(bào)。同時，系統(tǒng)通過Madgwick濾波算法對加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將新產(chǎn)生的數(shù)據(jù)與前五次的平均值進(jìn)行對比，過濾掉因火車運(yùn)動造成的瞬間的加速度變化，從而消除火車運(yùn)動對系統(tǒng)造成的干擾。通過實(shí)驗(yàn)，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(zhǔn)確地監(jiān)測行李箱的狀態(tài)，及時報(bào)警。

3.3 仿真結(jié)果與分析

3.3.1 運(yùn)動加速度分析

通過模擬行李箱的各種運(yùn)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(jìn)過程中，行李箱可能會發(fā)生自由落體運(yùn)動。因此，為了區(qū)分是人為取下箱子，還是箱子由于火車運(yùn)動自己落下，使開發(fā)板做自由落體運(yùn)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(bào)警裝置。

然后使用開發(fā)板模擬行李在運(yùn)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(yùn)動狀態(tài)，有助于行李箱丟失時對其進(jìn)行尋找。

3.3.2 AHRS姿態(tài)分析

由于物體運(yùn)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?yàn)檫\(yùn)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(zhǔn)確可靠的姿態(tài)和航行信息。將其運(yùn)用到此模擬實(shí)驗(yàn)中，可以使用戶實(shí)時得到準(zhǔn)確的行李箱的運(yùn)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(zhǔn)確地掌握行李箱的狀態(tài)，以此來尋找行李箱。在此模擬實(shí)驗(yàn)中使用Madgwick濾波算法對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理。以開發(fā)板來模擬行李箱的運(yùn)動，得到行李箱運(yùn)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(yùn)動

圖8 翻轉(zhuǎn)運(yùn)動

圖9 左右轉(zhuǎn)彎運(yùn)動

分析以上圖像可以得知，當(dāng)行李箱上下運(yùn)動時其俯仰值變化較航向和側(cè)翻明顯。當(dāng)前后運(yùn)動時，其航向，俯仰和側(cè)翻的變化都不是很明顯。當(dāng)其進(jìn)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(shí)時地將行李箱的姿態(tài)信息發(fā)送給用戶，以便實(shí)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(bào)警信息。

4 結(jié)束語

設(shè)計(jì)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(yùn)動姿態(tài)數(shù)據(jù)并通過軟件平臺進(jìn)行AHRS姿態(tài)的解算，并實(shí)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(zhǔn)確判斷的問題，實(shí)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(bào)聲并發(fā)送報(bào)警短信到用戶手機(jī)，避免造成財(cái)務(wù)損失。

此系統(tǒng)運(yùn)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(jìn)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(shí)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(jìn)行運(yùn)算，并與原始數(shù)據(jù)進(jìn)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(lán)牙連接和報(bào)警模塊，需要輸入登錄密碼才可連接系統(tǒng)，進(jìn)而對系統(tǒng)進(jìn)行控制，整個系統(tǒng)具有良好的可擴(kuò)展性及安全性。用戶可在一定距離進(jìn)行操作，通過發(fā)送指令，系統(tǒng)會發(fā)出警報(bào)聲，提醒用戶行李箱位置。該設(shè)計(jì)使用方便，可靠性高。并且采用低功耗的傳感器，該設(shè)計(jì)功耗小，續(xù)航時間長，便于操作，穩(wěn)定性好，可靠性高。