基于物联网的贵重物品智能防盗系统

欧朴康，甘 伟，李聪豪，李元龙，杜壮壮

（西安石油大学 电子工程学院，陕西 西安 710000）

0 引 言

近年来，随着市民个人财富的不断增长，对贵重物品防盗的需求也不断增大。因此，加大贵重物品的安全保障力度并实现贵重物品的实时追踪以及追回变得尤其重要。然而，目前市面上保障贵重物品安全的产品以保险箱为主，保险箱主要分为机械密码锁和电子密码锁。机械密码锁具有使用方便和工作稳定的优点，但容易通过暴力破坏的方式进行破解；电子密码锁具有断电不可使用、耐用性低、电子系统易破解等缺点，且二者都不具备监测及报警功能，不能很好地满足人们的需求。因此，市场急需一种智能化地提供实时保障的防盗系统。

针对以上问题，本文旨在以物联网技术为基础，以STM32F103芯片作为微处理器，以震动传感器、GPS定位传感器等构成监测端，微处理器、蓝牙等构成用户端，通过移动终端实现用户对系统的操控；通过引入改进卡尔曼滤波算法提高位置精度，提高追踪效率，实现智能化防盗。

1 研究现状

在防盗领域，刘军等人[1]提出以STM32芯片作为处理器，以红外传感器、震动传感器作为信息采集点，通过核心处理器处理完信息后用WiFi发送到用户的设备上进行数据采集、处理、传输，实现防盗功能。王凯彬等人[2]提出利用摄像头、热释电红外传感器进行环境信息采集，采用GSM模块进行用户通知，通过微处理器STM32F103ZET6进行数据处理及系统控制，实时监测门外的情况，异常时则发出报警信息并检测室内情况，有不法分子进入时自动截取画面数据并实时通过GSM向用户发送报警信息，实现报警功能。周书友等人[3]提出通过搭建终端局域网、STM32网关和远程客户端以整合ZigBee、云服务器和STM32组建一套家居监控报警系统，用户可通过移动终端查看家居环境、控制门窗等，实现防盗功能。

2 系统工作原理

以STM32F103单片机作为核心处理器，GPS定位传感器、红外传感器等构成监测端，射频、微处理器、蓝牙等构成用户端。移动终端为用户提供工作模式设置及实时报警通知功能[4]。具体工作流程如下：当贵重物品处于安全状态时，用户开启安全模式，用户端停止接收监测端发送的信息。用户可自由移动和处理贵重物品。用户通过手机开启监测模式时，监测端的GPS定位传感器、震动传感器、红外传感器实时发送环境信息到用户端。监测端无人靠近且没有移动时，防盗系统处于静默，以保持最低功耗状态。一旦遇到突发情况，监测端各传感器即将异常的环境信息交由用户端的微处理器判断；一旦数据超过设定阈值即进入报警状态，蜂鸣器实时报警，用户端通过蓝牙向移动终端实时发送报警通知和监测端的位置信息，用户可立即对贵重物品进行查看；如果贵重物品已经被盗，用户可利用监测端的位置信息配合警方进行实时定位追踪，以实现被盗后的贵重物品实时追踪和及时追回[5]。

3 防盗系统结构构成

贵重物品智能防盗系统由监测端和用户端构成。

监测端由微处理器、震动传感器、红外传感器、GPS定位传感器及射频发送端组成。监测端可采取内嵌或隐藏式的方法安装在贵重物品上。

用户端由微处理器、射频接收端、蜂鸣器、蓝牙组成。用户端安装在用户身旁，可做成钥匙大小。

移动终端以智能手机为主，后续可扩展至智能手表或平板电脑，还可增加人脸识别或指纹识别功能，以确保用户合法性[6]，防止不法分子利用移动终端破解防盗系统。

主/备供电单元为监测端和用户端供电以保证电力供应，备用供电单元负责在主供电单元意外停止供电时为系统提供至少5～8 h的电量。系统结构如图1所示。

图1 系统结构

4 防盗系统功能实现

4.1 系统模式实现

为了提高防盗系统安全性能及防止误报警等情况发生，本文设计了多种工作模式适应不同的需求。系统模式共分为三种：安全模式、监测模式、报警模式[7]。

安全模式：贵重物品处于安全状态下，用户可开启移动终端，此模式下处理贵重物品也不会发生系统报警。该模式主要针对用户解锁防盗系统的情况，方便用户对贵重物品的处理。安全模式下，用户端的微处理器关闭射频接收端的信息接收功能，不再接收监测端各传感器发送的监测信息；对贵重物品的移动不会导致用户端的蜂鸣器报警，也不会发送报警信息到移动终端，方便用户处理贵重物品。该模式有利于解决安全状态下防盗系统误报警的问题。

监测模式：用户通过移动终端开启，使贵重物品进入防盗状态，进而监测贵重物品的安全状态。该模式主要是指防盗系统进入监测状态时，一旦监测到贵重物品存在被靠近、触碰、移动的情况，即实时发送异常状态信息到用户端[8]。监测模式下监测端各传感器开始采集监测信息并通过射频发送给用户端，用户端根据监测信息是否达到阈值判断其是否为异常信息，进而监测防盗系统状态。该模式下监测端及用户端保持低功耗状态，以降低电量消耗，从而优化系统电耗。该模式下系统能够实时监测贵重物品的状态，解决贵重物品无人看守的问题；系统能够保持低功耗状态，解决了防盗系统续航的问题。

报警模式是指用户开启监测模式后，贵重物品发生被靠近、触碰、移动的情况导致监测端各传感器产生异常信息时，用户端接收到的监测信息达到阈值，系统所进入的模式。报警模式下，用户端的蜂鸣器持续响鸣，并通过蓝牙实时发送报警信息到移动终端，用户可通过移动终端查看贵重物品的状态及位置信息，从而实现实时追踪的目的。该模式实现了在贵重物品被不法分子靠近、触碰及移动时及时进行蜂鸣器报警，并能够通过移动终端查看安全状态及位置信息，为物品被盗后的实时追踪提供位置信息等依据。

4.2 监测端功能实现

监测端功能主要是通过红外传感器、震动传感器、GPS定位传感器等采集贵重物品周围的环境信息发送给用户端，通过用户端判断其环境信息是否达到阈值，进而触发报警，实现监测环境及实时报警的功能。监测端功能如图2所示。

图2 监测端功能

（1）微处理器功能实现：微处理器以STM32F103芯片作为核心，主要采集震动传感器、红外传感器、GPS定位传感器等各传感器的环境信息，进行数据处理并发送到用户端。

（2）红外传感器功能实现：红外传感器主要负责在监测模式下，对贵重物品的周边状况进行监测，以确定是否有不法分子靠近贵重物品。当防盗系统处于监测模式，有不法分子靠近时即触发红外传感器，红外传感器则实时将异常信息发送给监测端的微处理器，进而通过射频发送给用户端判断。

（3）震动传感器功能实现：震动传感器采用SW-420常闭型震动传感器，其震动触发时间长。与常开型震动传感器模块相比，不易因微小震动而发生误响应。当防盗系统处于监测模式时，如有不法分子触碰贵重物品进而触发震动传感器，震动传感器即实时将异常信息发送给监测端的微处理器，并通过射频发送给用户端判断。

（4）GPS定位传感器功能实现：GPS模块主要是在监测模式下，确定贵重物品是否被不法分子移动。在监测端受到不法分子的破坏时，系统依然可以为移动终端提供GPS位置信息，从而实现对不法分子的实时追踪。

（5）射频发送端功能实现：该模块具有超低收发功耗，能解决系统的功耗问题；其主要负责监测端及用户端间的信息传输，采用纠错算法以减少信息传输的干扰及传输错误。其功能是将监测端的环境信息实时发送到用户端。

4.3 用户端功能实现

用户端的功能主要是判断监测端环境信息阈值及实时报警。当系统处于安全模式时，用户端停止接收来自监测端的环境信息，以方便用户处理贵重物品。当系统处于监测模式时，监测端收到异常信息并发送给用户端，用户端进行信息处理并判断是否达到阈值。如果达到信息的阈值，即进入报警模式，用户端的蜂鸣器实时响鸣，并通知移动终端贵重物品的异常情况及位置信息。用户端功能实现如图3所示。

图3 用户端功能

（1）微处理器功能实现：微处理器以STM32F103芯片作为核心，主要实现的功能是处理监测端发送的环境信息，并通过判断信息的阈值来判断是否进入报警模式。若进入报警模式，则开启蜂鸣器，用户端通过蓝牙向移动终端实时发送监测端的报警通知和位置信息。在用户端的数据处理过程中，通过改进卡尔曼滤波算法提高监测端的GPS位置信息采集的精度，可在用户追踪不法分子时更高效准确地提供位置信息，提高追踪的效率[9]。

（2）射频接收端功能实现：与监测端相同，该模块具有超低收发功耗，能解决系统的功耗问题；主要用于监测端及用户端间的信息传输，接收监测端发送的各传感器采集的信息。该模块采用纠错算法减少了信息传输的干扰及传输错误。

（3）蜂鸣器采用MK002465有源蜂鸣器模块，采用S8550三极管驱动，材质可靠，耐用寿命长。

（4）蓝牙模块功能实现：蓝牙模块可与手机和平板电脑等连接透传，其功能是将用户端微处理器发出的报警信息及监测端位置信息发送给用户的移动终端。

4.4 移动终端功能实现

移动终端通过蓝牙与用户端连接，主要供用户查看防盗系统安全状态，设置系统工作模式，接收贵重物品的位置及状态信息。

首先，用户可以通过移动终端设置安全模式，对贵重物品进行处理；可设置监测模式，以开启对贵重物品的实时监测。当防盗系统进入报警模式时，用户可通过移动终端实时获取防盗系统的报警信息，并在贵重物品被盗后通过系统反馈的位置信息进行实时追踪。

4.5 主/备供电单元设计

为了保证系统长期稳定地工作，本文提出主/备双供电单元的方案来保障系统的电力供应。当主供电单元的电量低于系统设定最低电量时，系统则及时切换至备供电单元供电。此外，备供电单元在主供电单元意外停止供电时能够为系统提供至少5～8 h的电量。

5 软件系统实现

本文研究的基于物联网的贵重物品智能防盗系统采用的核心处理器是STM32F103，软件程序是在Keil μVision5平台上由C语言编写调试而成，并通过Proteus 8 Professional平台搭建的模拟硬件电路共同承担该设计的智能化功能。软件设计主要包括监测端信息采集、用户端数据处理、移动终端界面设计。

在用户端的数据处理过程中，通过改进卡尔曼滤波算法提高监测端的GPS位置信息采集的精度，该算法主要是利用卡尔曼滤波估计接收机状态的误差，减少运算量，降低了计算误差，有效提高了定位精度；利用伪距估计接收机的钟差和位置，成功避免了量测噪声方差、滤波初值、系统噪声方差导致的滤波发散问题。通过改进卡尔曼滤波算法提高了系统的定位精度，可在用户追踪不法分子时更高效准确地提供位置信息，提高追踪的效率。

本文研究的基于物联网技术的贵重物品智能防盗系统采用红外传感器、震动传感器、GPS定位传感器实现监测端的环境信息采集，蜂鸣器、蓝牙实现用户端的报警蜂鸣及报警信息传输，移动终端实现通知用户报警和用户状态查看的功能[10]。系统软件流程如图4所示。

图4 系统软件流程

6 结 语

与目前市面上针对贵重物品的防盗产品相比，本文基于物联网技术提出的贵重物品智能防盗系统，拥有多工作模式，稳定性强，具有实时监测、实时报警、实时追踪功能。系统监测端通过红外传感器、震动传感器、GPS定位传感器实现多传感器监测，用户端引入改进卡尔曼滤波算法以提高系统的GPS定位精度，实现了高效率地实时追踪。移动终端为用户提供实时报警功能和物品位置信息。该系统不仅实现了被盗前的防盗监测，还实现了被盗后的实时追踪。与目前的防盗产品相比，本系统契合智能时代特点，通过物联网技术提高系统的连通性与协调性，使系统能够更好地满足人们的需求。