基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的非機(jī)動(dòng)車協(xié)同防盜系統(tǒng)

馬向進(jìn)，周新明，李學(xué)飛，歐樸康，包學(xué)才

（南昌工程學(xué)院 信息工程學(xué)院，江西 南昌 330099）

0 引 言

社會(huì)公共安全一直以來(lái)都是熱點(diǎn)問(wèn)題，非機(jī)動(dòng)車防盜也已成為社會(huì)公共安全的關(guān)注熱點(diǎn)之一，由于非機(jī)動(dòng)車存在易盜易銷贓以及丟失后追蹤困難等問(wèn)題，導(dǎo)致電動(dòng)車被盜案件高發(fā)，而目前的防盜系統(tǒng)卻不能有效改善這種局面。

目前，針對(duì)非機(jī)動(dòng)車偷盜的問(wèn)題，市場(chǎng)上也出現(xiàn)了一些預(yù)警防盜系統(tǒng)。其大體分為兩類：一是單一的振動(dòng)感應(yīng)報(bào)警系統(tǒng)，其以單片機(jī)作為控制單元，彈簧開關(guān)（振動(dòng)傳感器）作為信號(hào)觸發(fā)，蜂鳴器作為報(bào)警裝置。通過(guò)觸發(fā)系統(tǒng)中振動(dòng)傳感器工作，檢測(cè)車體是否有人觸碰，進(jìn)而控制系統(tǒng)報(bào)警，通過(guò)報(bào)警器模塊震懾偷盜者[1,2]；二是安裝基于GPRS或GSM方式傳輸報(bào)警信息的裝置，通過(guò)紅外傳感器檢測(cè)車體周邊是否有人靠近，通過(guò)GPS對(duì)車體進(jìn)行定位，若檢測(cè)到車體發(fā)生位移，便通過(guò)GPRS或GSM方式傳輸報(bào)警信息給車主[3-6]。但是這兩類防盜裝置都存在一定的不足之處。對(duì)于前者，單一傳感器僅僅起到震懾偷盜者的作用，不能及時(shí)傳輸預(yù)警信息，以及被盜后裝置無(wú)法持續(xù)追蹤車輛位置；對(duì)于后者，防盜器后期的維護(hù)費(fèi)用較高。此外，當(dāng)車輛處于類似地下停車場(chǎng)等信號(hào)較差的場(chǎng)所時(shí)，易產(chǎn)生預(yù)警盲區(qū)防盜系統(tǒng)無(wú)法有效預(yù)警。

從目前防盜系統(tǒng)存在的缺點(diǎn)著手，依托物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用推廣的大環(huán)境[7]，本文提出了一種智能協(xié)同防盜系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要特點(diǎn)包括以STM32作為系統(tǒng)的主核芯片，很大程度上降低了系統(tǒng)的功耗[8]；以智能無(wú)線射頻網(wǎng)絡(luò)和智能傳感器技術(shù)作為系統(tǒng)核心；通過(guò)多智能傳感器感知，降低系統(tǒng)虛警率；運(yùn)用無(wú)線射頻傳感網(wǎng)絡(luò)通信[9]進(jìn)行預(yù)警信息的傳遞，減少用戶后期對(duì)防盜系統(tǒng)所支付的維護(hù)費(fèi)用；無(wú)線射頻采用LoRa擴(kuò)頻技術(shù)，其傳輸能力強(qiáng)，在減少傳輸過(guò)程中信息丟失的同時(shí)有效解決了高功耗問(wèn)題[10]；提出并建立協(xié)同防盜網(wǎng)絡(luò)，解決非機(jī)動(dòng)車在信號(hào)盲區(qū)下的持續(xù)追蹤問(wèn)題；此外，充分結(jié)合當(dāng)今物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開發(fā)獨(dú)有的手機(jī)APP，實(shí)現(xiàn)人機(jī)同步。因此本文設(shè)計(jì)了一款智能的、應(yīng)用型強(qiáng)的、用戶可接受的、在無(wú)流量費(fèi)用下持續(xù)協(xié)同的多等級(jí)智能預(yù)警以及可持續(xù)智能防盜追蹤的防盜系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)架構(gòu)與工作原理

整個(gè)系統(tǒng)可劃分為感知層、匯聚層和應(yīng)用層三個(gè)技術(shù)層級(jí)，采用物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算兩項(xiàng)核心技術(shù)，感知層以振動(dòng)傳感器、紅外傳感器、位移傳感器等多傳感器的信息采集作為防盜預(yù)警端，以穿透能力較強(qiáng)的無(wú)線射頻RF 433作為匯聚端的數(shù)據(jù)收集，以手機(jī)APP、商用云平臺(tái)作為預(yù)警決策終端，采用協(xié)同防盜策略，實(shí)現(xiàn)多預(yù)警器協(xié)同持續(xù)追蹤報(bào)警功能。在監(jiān)測(cè)預(yù)警過(guò)程中，采用規(guī)范的數(shù)據(jù)包格式來(lái)描述非機(jī)動(dòng)車狀態(tài)，有效進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和區(qū)分。

1.1 多傳感器監(jiān)測(cè)端

感知層包括振動(dòng)傳感器、紅外傳感器、位移傳感器、智能報(bào)警器等多傳感器，及GPS定位信息采集，預(yù)警報(bào)警器，發(fā)送采集信息的無(wú)線射頻端。通過(guò)多傳感器綜合運(yùn)用，起到預(yù)警防范和提醒用戶的作用，進(jìn)而降低系統(tǒng)虛警率。

鑒于現(xiàn)有報(bào)警系統(tǒng)傳感器單一和虛警率較大的問(wèn)題，本文提出多傳感器等級(jí)預(yù)警這一概念，如下所述：

一級(jí)預(yù)警：紅外傳感器檢測(cè)到人靠近車體時(shí)，系統(tǒng)會(huì)再次進(jìn)行感應(yīng)檢測(cè)以避免誤判干擾。再次感應(yīng)檢測(cè)到有人時(shí)，系統(tǒng)便視車體處于一級(jí)預(yù)警狀態(tài)并向主機(jī)發(fā)送報(bào)警信息；

二級(jí)預(yù)警：振動(dòng)傳感器檢測(cè)到人觸碰車體時(shí)，系統(tǒng)會(huì)再次進(jìn)行感應(yīng)檢測(cè)以避免誤判的干擾。再次感應(yīng)檢測(cè)到有人時(shí)，系統(tǒng)便視車體處于二級(jí)預(yù)警狀態(tài)。此時(shí)MCU驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)聲震懾靠近者，并向主機(jī)發(fā)送報(bào)警信息；

三級(jí)預(yù)警：位移傳感器感知到車體移動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)便立即視車體處于三級(jí)預(yù)警狀態(tài)（最高級(jí)別預(yù)警狀態(tài)）。此時(shí)，蜂鳴器發(fā)聲更加強(qiáng)烈，并向主機(jī)發(fā)送最高級(jí)別報(bào)警信息。

1.2 無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)

匯聚層包括接收信息的無(wú)線射頻端和藍(lán)牙中轉(zhuǎn)端，主要用于中轉(zhuǎn)采集信息。無(wú)線射頻接收端在接收感知層報(bào)警信息后，通過(guò)微控制器MCU中轉(zhuǎn)經(jīng)藍(lán)牙發(fā)送給應(yīng)用層，解決了防盜系統(tǒng)后期維護(hù)費(fèi)用高的問(wèn)題，減少用戶后期開支。

匯聚層中的通信也奠定了系統(tǒng)通信的基礎(chǔ)。系統(tǒng)采用無(wú)線射頻RF 433通信技術(shù)便于預(yù)警信息的準(zhǔn)確傳輸，此外采用LoRa擴(kuò)頻技術(shù)，實(shí)現(xiàn)預(yù)警信息的遠(yuǎn)距離傳輸，從而獲得更廣的傳輸范圍和距離；通過(guò)藍(lán)牙通信技術(shù)有效將匯聚層接收的預(yù)警信息傳送給應(yīng)用層（APP），成功建立預(yù)警端和應(yīng)用層之間的橋梁；此外，借助商業(yè)云平臺(tái)，將手機(jī)APP接收到的丟失態(tài)信息發(fā)布在云平臺(tái)中，便于車主尋找。

1.2.1 無(wú)線射頻RF 433

無(wú)線射頻RF 433模塊應(yīng)用于預(yù)警信息的傳輸，分布在感知層信息發(fā)送端和匯聚層信息接收端。感知層采集的預(yù)警信息會(huì)通過(guò)RF 433向外廣播，此時(shí)處在匯聚層的RF 433接收到外來(lái)信息并發(fā)送給MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理分析。

為了有效解決信號(hào)盲區(qū)問(wèn)題以及由于GSM，GPRS傳輸信息所產(chǎn)生的流量費(fèi)用等問(wèn)題，本文提出通過(guò)無(wú)線射頻RF 433技術(shù)傳輸預(yù)警信息，選取433 MHz免授權(quán)頻段進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；選用低頻段通信旨在提高信息傳輸穿透能力、解決信號(hào)盲區(qū)問(wèn)題；為進(jìn)一步提高RF 433無(wú)線射頻模塊的傳輸效率，對(duì)不同裝置的產(chǎn)品信息、用戶信息、車體所處狀態(tài)等信息進(jìn)行編碼，以構(gòu)建無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而提高信息的傳輸距離。

1.2.2 協(xié)同防盜

當(dāng)非機(jī)動(dòng)車被盜時(shí)，此時(shí)系統(tǒng)便默認(rèn)車體為丟失狀態(tài)，并向外界發(fā)出求救信號(hào)，其中求救信號(hào)包含此時(shí)的定位信息、時(shí)間、非機(jī)動(dòng)車的序列號(hào)等。借助建立的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，一方面可以直接通過(guò)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸給用戶，起到提醒和追蹤的作用，另一方面接收到車體求救信號(hào)的其他用戶可以向服務(wù)器傳送該車輛的狀態(tài)信息，方便丟失車主根據(jù)自己車輛的信息進(jìn)行車輛位置查詢。

1.3 智能追蹤應(yīng)用層

應(yīng)用層包括面向用戶的Web和APP。Web主要用于丟失態(tài)信息發(fā)布，便于用戶查詢搜索，APP主要用于建立人與系統(tǒng)的橋梁達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。該部分主要功能是解決車輛丟失后的追蹤問(wèn)題和實(shí)現(xiàn)智能可持續(xù)追蹤。由以RF 433構(gòu)成的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)、手機(jī)APP應(yīng)用端以及商業(yè)云平臺(tái)構(gòu)成。其中無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)用于車輛后的丟失態(tài)信息傳輸，手機(jī)APP用于收集監(jiān)測(cè)信息，進(jìn)而通過(guò)WiFi或基站經(jīng)互聯(lián)網(wǎng)傳到云平臺(tái)進(jìn)行信息的發(fā)送。

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離信息的傳輸，解決了單個(gè)通信設(shè)備傳輸距離較近的問(wèn)題，采用無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)可有效將信息快速準(zhǔn)確地傳送給用戶。手機(jī)APP則用于收集監(jiān)測(cè)信息，非丟失車主接收到信息后可通過(guò)WiFi或基站經(jīng)過(guò)互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)皆破脚_(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的發(fā)布，丟失車主可在該平臺(tái)進(jìn)行信息查詢。如若丟失車主接收到信息，則可直接根據(jù)信息對(duì)車輛進(jìn)行定位，將無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)和智能手機(jī)APP相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了物網(wǎng)相連，進(jìn)而達(dá)到持續(xù)追蹤、協(xié)同防盜目的。

該系統(tǒng)提出了一套完整的防盜解決方案，充分利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的各種信息傳輸手段（GPS、無(wú)線射頻、藍(lán)牙等），實(shí)現(xiàn)信息的有效傳輸與處理，解決了非機(jī)動(dòng)車防控、及時(shí)預(yù)警、持續(xù)追蹤等一系列問(wèn)題，可以保證24小時(shí)遠(yuǎn)距離監(jiān)控，及時(shí)消除被盜隱患，持續(xù)追蹤被盜車輛。系統(tǒng)的整體構(gòu)架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)驗(yàn)證與分析

為驗(yàn)證本系統(tǒng)的有效性，我們從實(shí)際使用環(huán)境出發(fā)，在不同條件的信號(hào)傳輸區(qū)域下（廣場(chǎng)空曠區(qū)域、地下車庫(kù)、室內(nèi)、車流量較多的街道等）進(jìn)行多次測(cè)試以及對(duì)各個(gè)傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)效性及準(zhǔn)確性、無(wú)線射頻及藍(lán)牙的傳輸質(zhì)量和不同環(huán)境下傳輸極限距離、應(yīng)用層APP的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)更新情況穩(wěn)定度和判斷等級(jí)的準(zhǔn)確性等方面進(jìn)行多次測(cè)驗(yàn)及數(shù)據(jù)記錄。

2.1 各個(gè)部分功能測(cè)試分析

（1）多傳感器采集分析數(shù)據(jù)測(cè)試。通過(guò)對(duì)單一模塊的測(cè)試，借助串口調(diào)試助手，將紅外、振動(dòng)傳感器作為觸點(diǎn)，一旦觸發(fā)紅外、振動(dòng)傳感器工作，MCU便通過(guò)串口向調(diào)試助手發(fā)送“不正?！毙畔?，若未檢測(cè)到傳感器觸發(fā)則MCU通過(guò)串口向調(diào)試助手發(fā)送正常指令。測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

（2）GPS定位信息數(shù)據(jù)測(cè)試。MCU通過(guò)發(fā)送讀GPS信息指令即可返回GPS所采集的信息，此時(shí)MCU通過(guò)串口將讀取的信息傳輸?shù)秸{(diào)試助手，在串口助手中顯示GPS所采集的數(shù)據(jù)信息，包含經(jīng)緯度信息，時(shí)間信息；此外把第一次數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)，當(dāng)定位信息發(fā)生變化，會(huì)迅速發(fā)送“dangerous”報(bào)警。數(shù)據(jù)測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

圖2 傳感器測(cè)試數(shù)據(jù)

圖3 GPS定位測(cè)試數(shù)據(jù)分析

（3）RF無(wú)線射頻之間傳輸測(cè)試數(shù)據(jù)，需借助PC端串口調(diào)試助手。配置圖1中，RF無(wú)線射頻通道等參數(shù)相同，連接RF 433發(fā)送端與串口CH340模塊，實(shí)現(xiàn)RF 433與PC直連，通過(guò)串口調(diào)試助手控制RF 433發(fā)送信息以及觀測(cè)RF 433接收的信息，記該裝置為RF1裝置，同樣對(duì)匯聚層中的RF 433接收端做同樣的操作，記該裝置為RF2裝置。

通過(guò)RF1廣播發(fā)送“RF1-RF2測(cè)試”，觀測(cè)RF2裝置的串口助手顯示窗口，接收到“RF1-RF2測(cè)試”便認(rèn)為單向測(cè)試成功。同樣通過(guò)RF2裝置向外廣播發(fā)送“RF2-RF1測(cè)試”，觀測(cè)RF1裝置的串口助手顯示窗口，接收到“RF2-RF1測(cè)試”便認(rèn)為雙向測(cè)試成功。測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

圖4 無(wú)線射頻測(cè)試

（4）藍(lán)牙與用戶手機(jī)通信測(cè)試。借助手機(jī)藍(lán)牙調(diào)試助手、PC端串口調(diào)試助手、CH340串口接口，配對(duì)藍(lán)牙模塊和手機(jī)端，通過(guò)連接CH340和藍(lán)牙裝置，借助串口調(diào)試助手模擬藍(lán)牙收發(fā)功能，藍(lán)牙模塊向外發(fā)送“Bluetooth test”信息，觀測(cè)藍(lán)牙調(diào)試助手，顯示串口為Bluetooth test”便視為導(dǎo)通。測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

圖5 藍(lán)牙接收測(cè)試

2.2 整體功能測(cè)試分析

在不同的環(huán)境下，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)試，系統(tǒng)環(huán)境分為空曠環(huán)境和信號(hào)盲區(qū)（地下車庫(kù)）。測(cè)試了車輛處于這兩種環(huán)境下，信息傳輸是否有所影響。

（1）空曠環(huán)境：整體測(cè)試的系統(tǒng)裝置如圖6、圖7所示，配對(duì)手機(jī)與藍(lán)牙模塊，靠近車體和觸碰車體，觀測(cè)到APP顯示的狀態(tài)如圖8所示。APP會(huì)根據(jù)預(yù)警情況顯示經(jīng)緯度，預(yù)警等級(jí)，初始狀態(tài)，變化位置。經(jīng)緯度在界面上方，界面中右側(cè)顯示預(yù)警等級(jí)，白色為一等預(yù)警，黃色為二等預(yù)警，紅色為三等預(yù)警（圖未顯示），界面中紅點(diǎn)為初始化位置，藍(lán)點(diǎn)為變化位置，可尋導(dǎo)位置。系統(tǒng)測(cè)試正常，不受干擾。

（2）地下車庫(kù)：系統(tǒng)安裝同上，依次靠近車體、觸碰車體以及移動(dòng)車輛，觀測(cè)到手機(jī)應(yīng)用端數(shù)據(jù)依次發(fā)生變化，無(wú)干擾情況出現(xiàn)。信息接收頻率和空曠環(huán)境下的情況一致。所得結(jié)論為系統(tǒng)測(cè)試正常，無(wú)盲區(qū)干擾。

圖6 模擬車模型

圖7 匯聚端模型

圖8 初始狀態(tài)的顯示界面

3 結(jié) 語(yǔ)

本文從用戶實(shí)際體驗(yàn)角度出發(fā)，在物聯(lián)網(wǎng)大環(huán)境的推動(dòng)下，建立了一整套可準(zhǔn)確預(yù)防和智能持續(xù)追蹤的體系。針對(duì)傳統(tǒng)防盜系統(tǒng)的不足以及協(xié)同防盜市場(chǎng)的空白等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種智能的、應(yīng)用型強(qiáng)的、用戶可接受的非機(jī)動(dòng)車協(xié)同防盜系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了在無(wú)流量費(fèi)用下持續(xù)協(xié)同的多等級(jí)預(yù)警智能防盜功能，有效解決了現(xiàn)有的單一傳感器帶來(lái)的虛警率高、用戶后期對(duì)防盜系統(tǒng)維護(hù)費(fèi)用高、在信號(hào)接收不靈敏區(qū)域的持續(xù)追蹤等一系列問(wèn)題。此外本系統(tǒng)進(jìn)行了小部分功能擴(kuò)展，還可應(yīng)用到走失兒童定位追蹤、貴重物品防盜、老幼看護(hù)、寵物防走失等領(lǐng)域。

[1]李錚，許又泉，湯神根，等.基于單片機(jī)的電動(dòng)自行車無(wú)線防盜報(bào)警器[J].電子世界，2016（7）27.

[2]張培君.幾款新穎實(shí)用的電動(dòng)車防盜報(bào)警器[J]. 電動(dòng)自行車， 2013（6）：38-41.

[3]孫慧，孫凱，賈冰心，等.基于GPS與GPRS通信的車輛主動(dòng)防盜報(bào)警系統(tǒng)[J]. 傳感器世界，2012，18（7）：29-31.

[4]劉一緯，張?jiān)骑w，馬千里.基于GPS和GSM的電動(dòng)車防盜追蹤報(bào)警系統(tǒng)[J]. 科學(xué)與財(cái)富， 2015（8）：119.

[5]張皓.基于MSP430單片機(jī)和GSM模塊的電動(dòng)車防盜器設(shè)計(jì)[J].通訊世界， 2015（10）：31-32.

[6]吳昌東.基于GPS與GPRS的嵌入式車載防盜系統(tǒng)的研究與開發(fā)[D].南京：南京理工大學(xué)，2014.

[7]劉云浩.物聯(lián)網(wǎng)導(dǎo)論[M].北京：科學(xué)出版社，2011.

[8] 彭剛.基于ARM Cortex-M3的STM32系列嵌入式微控制器應(yīng)用實(shí)踐[M].北京：電子工業(yè)出版，2011.

[9] Carl J.Weisman.射頻和無(wú)線技術(shù)入門[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[10]楊磊，梁活泉，張正，等.基于LoRa的物聯(lián)網(wǎng)低功耗廣域系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].信息通信技術(shù)，2017（1）：40-46 .