基于物聯(lián)網(wǎng)技術的非機動車協(xié)同防盜系統(tǒng)

馬向進，周新明，李學飛，歐樸康，包學才

（南昌工程學院 信息工程學院，江西 南昌 330099）

0 引 言

社會公共安全一直以來都是熱點問題，非機動車防盜也已成為社會公共安全的關注熱點之一，由于非機動車存在易盜易銷贓以及丟失后追蹤困難等問題，導致電動車被盜案件高發(fā)，而目前的防盜系統(tǒng)卻不能有效改善這種局面。

目前，針對非機動車偷盜的問題，市場上也出現(xiàn)了一些預警防盜系統(tǒng)。其大體分為兩類：一是單一的振動感應報警系統(tǒng)，其以單片機作為控制單元，彈簧開關（振動傳感器）作為信號觸發(fā)，蜂鳴器作為報警裝置。通過觸發(fā)系統(tǒng)中振動傳感器工作，檢測車體是否有人觸碰，進而控制系統(tǒng)報警，通過報警器模塊震懾偷盜者[1,2]；二是安裝基于GPRS或GSM方式傳輸報警信息的裝置，通過紅外傳感器檢測車體周邊是否有人靠近，通過GPS對車體進行定位，若檢測到車體發(fā)生位移，便通過GPRS或GSM方式傳輸報警信息給車主[3-6]。但是這兩類防盜裝置都存在一定的不足之處。對于前者，單一傳感器僅僅起到震懾偷盜者的作用，不能及時傳輸預警信息，以及被盜后裝置無法持續(xù)追蹤車輛位置；對于后者，防盜器后期的維護費用較高。此外，當車輛處于類似地下停車場等信號較差的場所時，易產(chǎn)生預警盲區(qū)防盜系統(tǒng)無法有效預警。

從目前防盜系統(tǒng)存在的缺點著手，依托物聯(lián)網(wǎng)技術應用推廣的大環(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]；以智能無線射頻網(wǎng)絡和智能傳感器技術作為系統(tǒng)核心；通過多智能傳感器感知，降低系統(tǒng)虛警率；運用無線射頻傳感網(wǎng)絡通信[9]進行預警信息的傳遞，減少用戶后期對防盜系統(tǒng)所支付的維護費用；無線射頻采用LoRa擴頻技術，其傳輸能力強，在減少傳輸過程中信息丟失的同時有效解決了高功耗問題[10]；提出并建立協(xié)同防盜網(wǎng)絡，解決非機動車在信號盲區(qū)下的持續(xù)追蹤問題；此外，充分結合當今物聯(lián)網(wǎng)技術開發(fā)獨有的手機APP，實現(xiàn)人機同步。因此本文設計了一款智能的、應用型強的、用戶可接受的、在無流量費用下持續(xù)協(xié)同的多等級智能預警以及可持續(xù)智能防盜追蹤的防盜系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)架構與工作原理

整個系統(tǒng)可劃分為感知層、匯聚層和應用層三個技術層級，采用物聯(lián)網(wǎng)和云計算兩項核心技術，感知層以振動傳感器、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警端，以穿透能力較強的無線射頻RF 433作為匯聚端的數(shù)據(jù)收集，以手機APP、商用云平臺作為預警決策終端，采用協(xié)同防盜策略，實現(xiàn)多預警器協(xié)同持續(xù)追蹤報警功能。在監(jiān)測預警過程中，采用規(guī)范的數(shù)據(jù)包格式來描述非機動車狀態(tài)，有效進行數(shù)據(jù)傳輸和區(qū)分。

1.1 多傳感器監(jiān)測端

感知層包括振動傳感器、紅外傳感器、位移傳感器、智能報警器等多傳感器，及GPS定位信息采集，預警報警器，發(fā)送采集信息的無線射頻端。通過多傳感器綜合運用，起到預警防范和提醒用戶的作用，進而降低系統(tǒng)虛警率。

鑒于現(xiàn)有報警系統(tǒng)傳感器單一和虛警率較大的問題，本文提出多傳感器等級預警這一概念，如下所述：

一級預警：紅外傳感器檢測到人靠近車體時，系統(tǒng)會再次進行感應檢測以避免誤判干擾。再次感應檢測到有人時，系統(tǒng)便視車體處于一級預警狀態(tài)并向主機發(fā)送報警信息；

二級預警：振動傳感器檢測到人觸碰車體時，系統(tǒng)會再次進行感應檢測以避免誤判的干擾。再次感應檢測到有人時，系統(tǒng)便視車體處于二級預警狀態(tài)。此時MCU驅(qū)動蜂鳴器發(fā)聲震懾靠近者，并向主機發(fā)送報警信息；

三級預警：位移傳感器感知到車體移動時，系統(tǒng)便立即視車體處于三級預警狀態(tài)（最高級別預警狀態(tài)）。此時，蜂鳴器發(fā)聲更加強烈，并向主機發(fā)送最高級別報警信息。

1.2 無線通信網(wǎng)絡

匯聚層包括接收信息的無線射頻端和藍牙中轉(zhuǎn)端，主要用于中轉(zhuǎn)采集信息。無線射頻接收端在接收感知層報警信息后，通過微控制器MCU中轉(zhuǎn)經(jīng)藍牙發(fā)送給應用層，解決了防盜系統(tǒng)后期維護費用高的問題，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。系統(tǒng)采用無線射頻RF 433通信技術便于預警信息的準確傳輸，此外采用LoRa擴頻技術，實現(xiàn)預警信息的遠距離傳輸，從而獲得更廣的傳輸范圍和距離；通過藍牙通信技術有效將匯聚層接收的預警信息傳送給應用層（APP），成功建立預警端和應用層之間的橋梁；此外，借助商業(yè)云平臺，將手機APP接收到的丟失態(tài)信息發(fā)布在云平臺中，便于車主尋找。

1.2.1 無線射頻RF 433

無線射頻RF 433模塊應用于預警信息的傳輸，分布在感知層信息發(fā)送端和匯聚層信息接收端。感知層采集的預警信息會通過RF 433向外廣播，此時處在匯聚層的RF 433接收到外來信息并發(fā)送給MCU進行數(shù)據(jù)的處理分析。

為了有效解決信號盲區(qū)問題以及由于GSM，GPRS傳輸信息所產(chǎn)生的流量費用等問題，本文提出通過無線射頻RF 433技術傳輸預警信息，選取433 MHz免授權頻段進行數(shù)據(jù)傳輸；選用低頻段通信旨在提高信息傳輸穿透能力、解決信號盲區(qū)問題；為進一步提高RF 433無線射頻模塊的傳輸效率，對不同裝置的產(chǎn)品信息、用戶信息、車體所處狀態(tài)等信息進行編碼，以構建無線通信網(wǎng)絡，進而提高信息的傳輸距離。

1.2.2 協(xié)同防盜

當非機動車被盜時，此時系統(tǒng)便默認車體為丟失狀態(tài)，并向外界發(fā)出求救信號，其中求救信號包含此時的定位信息、時間、非機動車的序列號等。借助建立的無線通信網(wǎng)絡，一方面可以直接通過無線傳感網(wǎng)絡傳輸給用戶，起到提醒和追蹤的作用，另一方面接收到車體求救信號的其他用戶可以向服務器傳送該車輛的狀態(tài)信息，方便丟失車主根據(jù)自己車輛的信息進行車輛位置查詢。

1.3 智能追蹤應用層

應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)的橋梁達到實時監(jiān)測。該部分主要功能是解決車輛丟失后的追蹤問題和實現(xiàn)智能可持續(xù)追蹤。由以RF 433構成的無線傳感網(wǎng)絡、手機APP應用端以及商業(yè)云平臺構成。其中無線傳感網(wǎng)絡用于車輛后的丟失態(tài)信息傳輸，手機APP用于收集監(jiān)測信息，進而通過WiFi或基站經(jīng)互聯(lián)網(wǎng)傳到云平臺進行信息的發(fā)送。

無線傳感網(wǎng)絡的構成可實現(xiàn)遠距離信息的傳輸，解決了單個通信設備傳輸距離較近的問題，采用無線傳感網(wǎng)絡可有效將信息快速準確地傳送給用戶。手機APP則用于收集監(jiān)測信息，非丟失車主接收到信息后可通過WiFi或基站經(jīng)過互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)皆破脚_進行數(shù)據(jù)信息的發(fā)布，丟失車主可在該平臺進行信息查詢。如若丟失車主接收到信息，則可直接根據(jù)信息對車輛進行定位，將無線傳感網(wǎng)絡和智能手機APP相結合，實現(xiàn)了物網(wǎng)相連，進而達到持續(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)技術的各種信息傳輸手段（GPS、無線射頻、藍牙等），實現(xiàn)信息的有效傳輸與處理，解決了非機動車防控、及時預警、持續(xù)追蹤等一系列問題，可以保證24小時遠距離監(jiān)控，及時消除被盜隱患，持續(xù)追蹤被盜車輛。系統(tǒng)的整體構架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架結構圖

2 系統(tǒng)驗證與分析

為驗證本系統(tǒng)的有效性，我們從實際使用環(huán)境出發(fā)，在不同條件的信號傳輸區(qū)域下（廣場空曠區(qū)域、地下車庫、室內(nèi)、車流量較多的街道等）進行多次測試以及對各個傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r效性及準確性、無線射頻及藍牙的傳輸質(zhì)量和不同環(huán)境下傳輸極限距離、應用層APP的實時數(shù)據(jù)更新情況穩(wěn)定度和判斷等級的準確性等方面進行多次測驗及數(shù)據(jù)記錄。

2.1 各個部分功能測試分析

（1）多傳感器采集分析數(shù)據(jù)測試。通過對單一模塊的測試，借助串口調(diào)試助手，將紅外、振動傳感器作為觸點，一旦觸發(fā)紅外、振動傳感器工作，MCU便通過串口向調(diào)試助手發(fā)送“不正常”信息，若未檢測到傳感器觸發(fā)則MCU通過串口向調(diào)試助手發(fā)送正常指令。測試結果如圖2所示。

（2）GPS定位信息數(shù)據(jù)測試。MCU通過發(fā)送讀GPS信息指令即可返回GPS所采集的信息，此時MCU通過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，時間信息；此外把第一次數(shù)據(jù)作為基準，當定位信息發(fā)生變化，會迅速發(fā)送“dangerous”報警。數(shù)據(jù)測試結果如圖3所示。

圖2 傳感器測試數(shù)據(jù)

圖3 GPS定位測試數(shù)據(jù)分析

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

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

圖4 無線射頻測試

（4）藍牙與用戶手機通信測試。借助手機藍牙調(diào)試助手、PC端串口調(diào)試助手、CH340串口接口，配對藍牙模塊和手機端，通過連接CH340和藍牙裝置，借助串口調(diào)試助手模擬藍牙收發(fā)功能，藍牙模塊向外發(fā)送“Bluetooth test”信息，觀測藍牙調(diào)試助手，顯示串口為Bluetooth test”便視為導通。測試結果如圖5所示。

圖5 藍牙接收測試

2.2 整體功能測試分析

在不同的環(huán)境下，對系統(tǒng)的穩(wěn)定性進行測試，系統(tǒng)環(huán)境分為空曠環(huán)境和信號盲區(qū)（地下車庫）。測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：整體測試的系統(tǒng)裝置如圖6、圖7所示，配對手機與藍牙模塊，靠近車體和觸碰車體，觀測到APP顯示的狀態(tài)如圖8所示。APP會根據(jù)預警情況顯示經(jīng)緯度，預警等級，初始狀態(tài)，變化位置。經(jīng)緯度在界面上方，界面中右側顯示預警等級，白色為一等預警，黃色為二等預警，紅色為三等預警（圖未顯示），界面中紅點為初始化位置，藍點為變化位置，可尋導位置。系統(tǒng)測試正常，不受干擾。

（2）地下車庫：系統(tǒng)安裝同上，依次靠近車體、觸碰車體以及移動車輛，觀測到手機應用端數(shù)據(jù)依次發(fā)生變化，無干擾情況出現(xiàn)。信息接收頻率和空曠環(huán)境下的情況一致。所得結論為系統(tǒng)測試正常，無盲區(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 語

本文從用戶實際體驗角度出發(fā)，在物聯(lián)網(wǎng)大環(huán)境的推動下，建立了一整套可準確預防和智能持續(xù)追蹤的體系。針對傳統(tǒng)防盜系統(tǒng)的不足以及協(xié)同防盜市場的空白等問題，設計了一種智能的、應用型強的、用戶可接受的非機動車協(xié)同防盜系統(tǒng)，實現(xiàn)了在無流量費用下持續(xù)協(xié)同的多等級預警智能防盜功能，有效解決了現(xiàn)有的單一傳感器帶來的虛警率高、用戶后期對防盜系統(tǒng)維護費用高、在信號接收不靈敏區(qū)域的持續(xù)追蹤等一系列問題。此外本系統(tǒng)進行了小部分功能擴展，還可應用到走失兒童定位追蹤、貴重物品防盜、老幼看護、寵物防走失等領域。

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