基于AVR單片機防盜報警裝置的設計與實現

任 合，盧 鑫

（哈爾濱工業大學電子信息工程學院，黑龍江哈爾濱150001）

無論社會發展如何進步，偷盜行為不可避免。車站、機場短暫離開，貴重物品時刻隨身攜帶極不方便。又例如目前大學校園大都是開放式管理，筆記本電腦丟失現象也時有發生。如果不慎遺失，除了本身的經濟損失外，其內部的數據也存在被訪問或刪改的風險。許多同學在短暫離開教室去食堂用餐的過程中，提心吊膽害怕被盜，或為了防止被盜事件發生而不得不隨身攜帶，給學習生活帶來了很大不便。

目前市面上防盜產品品種多樣，最基本的機械鎖，在發生偷盜后只需損毀鎖頭本身即可達到目的；手機防盜大多采用指紋、圖形、數字等解碼方式，且偷盜或遺失行為已經發生；車輛、家庭門鎖等防盜系統與本系統屬于不同的應用范疇。本系統更適合應用于稍許離開一定距離而不必將一些貴重物品隨身攜帶的場景，意在有偷盜行為不幸發生的過程中及時發現，避免偷盜事件發生。目前，采用嵌入式防盜系統設計的防盜產品具有體積小功耗低的特點，受到電子設計愛好者的追捧[1-5]。文獻[1]中也是一種基于單片機系統的嵌入式防盜系統設計，但所選用單片機型號與本文不同，文章通過讀取防盜器的藍牙RSSI值，依據手機與防盜器的距離判斷被盜事件的發生，文章通過解決測距精度提高防盜報警的可靠性；文獻[2]采用了多種傳感器，主要采用視頻紅外等技術，應用于防火防盜系統，與本文設計應用背景有所差異。本文借鑒了這些文章的部分設計思路，開發了一種具有防誤報算法的防盜報警裝置。

1　系統設計

Arduino是一款基于Atmel公司AVR系列單片機的開發板，配合Arduino IDE開發環境便于進行二次開發。其主要功能特點有：

1）可依據官方提供開放源代碼的電路圖設計，簡化Arduino模組，完成獨立運行的微處理控制；

2）使用低價格的微處理控制器，可采用USB接口供電，不需外接電源方便調試，也可以使用外部9VDC輸入獨立工作，運行功耗在10～20 mA；

3）支持ISP燒入，將Bootloader固件燒入芯片；

4）可簡單地與傳感器，各種電子元件連接，應用于不同目的。

因此，本課題首先選用Arduino平臺完成本系統的開發，之后完成基于AVR Atmega16A單片機的防盜系統設計。系統總體結構圖如圖1所示。

圖1　系統總體結構圖

1.1　角位移檢測

當物品發生被盜事件時，必然將發生移動，產生角位移。角位移檢測部分比較簡單，采用滾珠開關HDX-2801感知物品是否被人移動，HDX-2801可以與Arduino的模擬端直接相連，通過讀取Arduino模擬口電壓值后進行判斷。若發生傾斜，則電壓值必然與當初人離開時發生變化，通過采集滾珠開關的電壓變化情況，可以判斷是否有偷盜行為的發生。

1.2　防誤報算法

在本系統設計中需重點考慮的是誤報問題，因為在實際情況下由于他人不小心移動了物品，也會造成微小位移，但此時并非被盜情況發生。本系統設計防誤報算法可以處理區分系統輕微抖動和被盜兩種情況，減少誤報率。一般由于不小心造成的抖動是無意（隨機）的，屬于高頻抖動，而筆記本被盜時系統會發生較大位移，屬于低頻信息。通過對系統位移信息進行低通濾波可消除由于無意造成的抖動干擾。

數字濾波器大致可分為：有限沖激響應（FIR）濾波器和無限沖激響應（IIR）濾波器兩種。FIR沖激響應在有限時間內衰減為零，其輸出僅取決于當前和過去的輸入信號值；FIR濾波器幅頻特性精度較IIR低，但具有線性相位，即不同頻率的信號經過FIR濾波器后，其延遲時間相同。而IIR沖激響應理論上會無限持續，其輸出不僅取決于當前和過去的輸入信號值，也取決于過去的信號輸出值。IIR濾波器幅頻特性精度很高，但不具有線性相位特性，因此一般用于對相位信息不敏感的場合。

IIR濾波器公式如式（1）所示。

其中:參數P是前向反饋階數，bi是前向反饋系數，Q是后向反饋階數，ai是后向反饋系數，x[n]是輸入信號，y[n]是輸出信號。

FIR濾波器公式如式（2）所示。

式中:N是濾波器階數，bi是濾波器系數，x[n]是輸入信號，y[n]是輸出信號。

均值濾波屬于一種特殊的FIR濾波器，對于N階濾波器，所有濾波器系數都取相同的值1/N，則濾波器的作用就是取輸入序列的均值。在本系統設計中，對信號處理的性能屬于寬范圍要求，因此選擇更易實現的均值濾波算法[3-5]。

均值濾波中的一個重要參數是濾波滑動窗口的長度L，窗口長度L的設置應該根據實際場景決定。如果輸入數據干擾頻率比較大，L的值就應該較小。如果輸入數據干擾頻率較小，窗口長度L的值就應該較大，否則無法有效濾除干擾。均值濾波時域表達和頻域表達式分別如式（3）和式（4）所示。

該濾波器的幅頻特性曲線如圖2所示。均值濾波具有低通特性，低頻段衰減小，高頻段衰減大。從幅頻曲線可以看出均值濾波的阻帶紋波較大，且在低頻段的平坦度也不是太好，但由于本系統主要用于被盜物品的狀態變化判斷，結果不受影響。

取不同的窗口長度對抖動位移進行均值濾波，將各個窗口長度下的濾波結果對比如圖3所示，可以看出窗口長度越小，濾波后的序列與原序列的趨勢越接近，適合濾除高頻干擾。窗口長度較大，濾波后序列就更加平穩，該算法能有效濾除低頻干擾。

圖2　不同長度均值濾波的幅頻特性曲線

圖3　不同窗口長度下濾波效果對比

根據以上分析，取窗口長度為5進行均值濾波。

1.3　報警及警情無線傳輸

當防誤報程序結果滿足報警條件，判斷有偷盜行為發生時，通過軟件將arduino的數字端口置高，為蜂鳴器提供工作條件，對偷盜者發出警示。

針對本系統設計應用背景的具體需求，可以選擇藍牙、WIFI等方式實現警情傳送。藍牙具有低成本、低功耗、低復雜度、系統穩定等優點，目前市場上的智能手機大多支持藍牙2.0，在很大程度上具有推廣應用的價值。

但是藍牙2.0作用距離有限，使得應用場景受限。與2.0相比，藍牙4.0具有功耗低，傳輸距離遠等優勢，理論傳輸距離為20～100m，可以覆蓋絕大多數應用場景。其缺點是，只有部分智能手機支持藍牙4.0，這種傳輸方式對不支持藍牙4.0協議的手機無能為力[6]。

Wi-Fi具有覆蓋范圍廣，傳輸速度快等特點。就覆蓋范圍而言，Wi-Fi在室外開闊空間里通信半徑可達300 m，在室內有障礙物遮擋時為100 m。本方案實現了采用UART-WiFi透傳模塊ESP8266完成警情信息的傳輸。

為滿足用戶需求，本系統實現了藍牙2.0、藍牙4.0和WIFI3種報警通信模式。

1.4　系統設計

以WIFI通信為例，系統軟件設計流程框圖如圖4所示。

圖4　系統工作流程圖

2　系統實現

本項目采用arduino開發板和以Atmega16A為核心模塊的自制電路板兩種方式實現了防盜系統的設計。考慮到檢測角位移和防誤報算法部分相同，且檢測本身比較簡單，只要對arduino的模擬端進行采樣即可實現檢測功能，而防誤報算法前面已經給出計算，系統實現時只需對采集后的數據按照文中確定的模型進行處理即可。至于報警部分，當判斷出確有警情出現時，當出現警情時，將連接于arduino的蜂鳴器數字端口置高，對偷盜者發出警示。由于篇幅所限，本論文只給出采用開發板藍牙傳送和以Atmega16A為核心模塊的自制電路板WIFI傳輸警情的開發實例[7-8]。

2.1　基于開發板藍牙傳輸的系統實現

將藍牙模塊連接至報警系統之前，首先通過USB轉TTL模塊將藍牙模塊與電腦相連，通過串口調試助手進行AT指令的設置。安裝arduino IDE開發調試環境，調試程序功能，電路連接如圖5所示[6-8]，下載程序后可實現系統功能。

2.2　基于AVRStmega16a的系統實現

圖5　電路連接

利用arduino的開發環境，調試完成實現系統功能后，用ISP下載到自制系統中，可以完成整個系統的研發[9-12]。使用ISP向系統板下載電路的部分界面如圖6所示。選擇芯片類型為Atmega16A[13-15]。所研發的系統實物如圖7。

圖6　使用ISP下載程序

圖7　防盜報警系統（WiFi版）

2.3　試驗驗證

由試驗結果可以看到，系統較好地實現了防盜報警的功能。

圖8　手機接收結果

3　結論

本系統完成了利用Arduino開發板和自制PCB板的防盜系統設計，分別實現了藍牙2.0、藍牙4.0和WIFI 3種通信模式報警。設計了防誤報濾波算法，對角位移信息進行均值濾波，有效減少了誤報率。該系統體積微小，功耗低，價格便宜，易于安裝。適合應用于貴重物品不便隨身攜帶，需要短期外出的防盜報警。

參考文獻：