一种基于三轴加速度传感器的便携式自动报警器

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一种基于三轴加速度传感器的便携式自动报警器\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种便携式自动报警器，特别是涉及一种基于三轴加速度传感器的便携式自动报警器。\n背景技术\n[0002] 在公共场所里，由于物主短暂的离开而导致的物品丢失的情况不胜枚举，如电脑等贵重物品放在图书馆和自修室里被小偷直接“拿走”，又如晚上跑步的同学随手放在操场旁边的书包被小偷偷走，再如火车站候车室和机场的候机厅里行李箱被顺走等。上述场景里，物主需要短暂的离开，比如去就餐，运动锻炼，上洗手间等，物品被偷时往往并不只有小偷在现场，只要使周围人群能够有效地认识到物品是否属于拿走它的人，或者物主接收到提醒信息，就可以有效地防止偷盗。\n[0003] 在现行的防盗体系中也有一些用于物品防盗的报警器，主要器材如下：\n[0004] 1、机械锁，防盗器材中的机械锁携带麻烦不便携而且易被撬开。\n[0005] 2、根据磁铁吸合原理研制的物品报警器，感应距离不能量化，精度低，不可调，不灵敏。\n[0006] 3、亲子防走丢报警，感应的距离精度很低，而且容易受到外界环境干扰，比如在人群密集的商场里，在障碍物密集的环境中，这种防走丢报警器容易十分不准确。\n[0007] 4、以上报警器的报警声用得最多的便是蜂鸣器的尖锐报警声，没有语音提醒，用户交互不好，不易引起人们的注意。\n发明内容\n[0008] 为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于三轴加速度传感器的便携式自动报警器，通过蓝牙实现无线控制的便携式语音报警器。\n[0009] 本发明的技术方案是：\n[0010] 本发明装置包括移动手机、无线通信模块、单片机最小系统、语音报警模块、三轴加速度传感器模块、智能开关电源模块和心跳灯及蜂鸣器模块；移动手机与无线通信模块无线连接，单片机最小系统分别与无线通信模块、语音报警模块、三轴加速度传感器模块和心跳灯及蜂鸣器模块连接，无线通信模块、单片机最小系统、语音报警模块、三轴加速度传感器模块和心跳灯及蜂鸣器模块均由智能开关电源模块供电。\n[0011] 所述的智能开关电源模块：电源负极接地，电源正极与三极管Q1的射极连接，三极管Q1的集电极与保险丝F1的一端连接，保险丝F1另一端输出+5V电源电压，三极管Q1的基极经电阻R9与三极管Q1的射极连接，三极管Q1的基极依次经电阻R10、按键K2后接地，三极管Q1的基极与三极管Q2的集电极连接，三极管Q2的射极接地，+5V电源电压经电阻R6、电阻R8后与三极管Q2的基极连接；+5V电源电压与电源稳压芯片U3的3脚连接，电源稳压芯片U3的2脚、3脚分别经电容C6、电容C5后接地，电源稳压芯片U3的1脚接地；\n连接线接口包括了两个接点，两个接点之间通过外部连接线连接，+5V电源电压与连接线接口的一端接点连接，连接线接口的另一端接点经电阻R7后接地，连接线接口的另一端接点与单片机最小系统中单片机U5的3脚连接，电源稳压芯片U3的2脚输出+3.3V电源电压。\n[0012] 所述的单片机最小系统：单片机U5的14脚和15脚之间串联有晶振Y1，单片机U5的14脚和15脚分别串联电容C9和电容C10后接地，单片机U5的29脚、37脚与+5V电源电压连接，单片机U5的4脚、16脚均接地；下载接口P1的1脚接+5V电源电压，下载接口P1的2脚、3脚分别与单片机U5的5脚、7脚连接，下载接口P1的4脚接地。\n[0013] 所述的三轴加速度传感器模块：三轴加速度传感器U4的1脚、6脚与+3.3V电源电压连接，三轴加速度传感器U4的1脚经电容C8后接地，三轴加速度传感器U4的13脚、14脚分别经电阻R16、电阻R15后与+3.3V电源电压连接，三轴加速度传感器U4的2脚、4脚、\n5脚和12脚接地，三轴加速度传感器U4的6脚、7脚之间串联有电阻R14，三轴加速度传感器U4的13脚、14脚分别与单片机最小系统中单片机U5的12脚、13脚连接。\n[0014] 所述的无线通信模块：串口蓝牙模块U6的12脚和13脚之间串联有电容C11，串口蓝牙模块U6的12脚与+3.3V电源电压连接，串口蓝牙模块U6的13脚、21脚、22脚均接地，串口蓝牙模块U6的24脚依次串联电阻R20、LED灯D3后接地，串口蓝牙模块U6的1脚、2脚分别与单片机最小系统中单片机U5的5脚、7脚连接。\n[0015] 所述的语音报警电路：语音芯片U2的1脚经按键K1后与+5V电源电压连接，+5V电源电压串联电阻R11、LED灯D1后与语音芯片U2的13脚连接，语音芯片U2的4脚和5脚分别串联电容C2、电容C3后与话筒MIC1的两端连接，语音芯片U2的6脚经电容C4接地，语音芯片U2的7脚、9脚与扬声器LS1连接，语音芯片U2的8脚接地，语音芯片U2的\n10脚、11脚分别串联电阻R12、电容C7后接地；语音芯片U2的11脚接+5V电源电压，+5V电源电压串联电阻R5后再经电阻R2与话筒MIC1的一端连接，话筒MIC1的另一端依次经电阻R3后与语音芯片U2的13脚连接，+5V电源电压串联电阻R5后再经电容C1与语音芯片U2的13脚连接。\n[0016] 所述的心跳灯及蜂鸣器模块：包括心跳灯模块和蜂鸣器报警模块；\n[0017] 心跳灯模块包括：三极管Q3的基极经电阻R17后与单片机最小系统中单片机U5的25脚连接，三极管Q3的集电极依次经LED灯D2、电阻R18后接地，三极管Q3的射极接+5V电源电压；\n[0018] 蜂鸣器报警模块包括：三极管Q4的基极经电阻R19后与单片机最小系统中单片机U5的23脚连接，三极管Q4的集电极经蜂鸣器F2后接地，三极管Q4的射极均与+5V电源电压连接。\n[0019] 所述的电源的电压为3.8V～6V，峰值输出电流为20mA以上\n[0020] 所述的电源采用七号干电池组、五号干电池组或者纽扣电池组。\n[0021] 所述的三极管Q1、三极管Q3、三极管Q4为PNP三极管，所述的三极管Q2为NPN三极管。\n[0022] 所述的电源稳压芯片U3的型号为AM1117-3.3，所述的单片机U5的型号为STC89C52RC，所述的三轴加速度传感器U4的型号为ADXL345，所述的串口蓝牙模块U6的型号为BLK-MD-BC04-B，所述的语音芯片U2的型号为ISD1820。\n[0023] 所述的连接线中部作为挂钩挂在需要保护的物品上。\n[0024] 本发明具有的有益效果是：\n[0025] 1)智能开关电源电路使外部按键只能开机，关机是通过单片机控制的，防止小偷关闭报警器，同时保证了报警器的低功耗。\n[0026] 2)采用蓝牙无线通讯，每个报警器都可以由用户通过移动手机设置密码，保证了无线通讯的安全性。\n[0027] 3)用户可以录制十秒以内的个性化声音作为报警声，同时还有蜂鸣器报警，语音报警能及时引起周围人群的注意，同时震慑到小偷，起到防盗作用。\n[0028] 4)外界暴力破坏报警器和物体连接线时，立即触发报警器，发出报警声，保证了外界破坏报警器时仍然起到报警作用。\n[0029] 5)成本低廉，体积小巧，易于携带。\n附图说明\n[0030] 图1是本发明的模块连接关系图；\n[0031] 图2是本发明的工作流程图；\n[0032] 图3是单片机最小系统的电路图；\n[0033] 图4是智能开关电源模块的电路图；\n[0034] 图5是语音报警模块的电路图；\n[0035] 图6是三轴加速度传感器模块的电路图；\n[0036] 图7是无线通讯模块的电路图；\n[0037] 图8是心跳灯模块的电路图；\n[0038] 图9是蜂鸣器模块的电路图；\n[0039] 图10是移动手机端的界面示意图；\n[0040] 图中：1、移动手机，2、无线通信模块，3、单片机最小系统，4、语音报警模块，5、三轴加速度传感器模块，6、智能开关电源模块，7、心跳灯及蜂鸣器模块。\n具体实施方式\n[0041] 下面结合附图和实施方式对本发明进一步说明。\n[0042] 如图1所示，本发明装置包括移动手机1、无线通信模块2、单片机最小系统3、语音报警模块4、三轴加速度传感器模块5、智能开关电源模块6和心跳灯及蜂鸣器模块7；移动手机1与无线通信模块2无线连接，单片机最小系统3分别与无线通信模块2、语音报警模块4、三轴加速度传感器模块5和心跳灯及蜂鸣器模块7连接，无线通信模块2、单片机最小系统3、语音报警模块4、三轴加速度传感器模块5和心跳灯及蜂鸣器模块7均由智能开关电源模块6供电。\n[0043] 如图4所示，所述的智能开关电源模块6：电源负极接地，电源正极与三极管Q1的射极连接，三极管Q1的集电极与保险丝F1的一端连接，保险丝F1另一端输出+5V电源电压，三极管Q1的基极经电阻R9与三极管Q1的射极连接，三极管Q1的基极依次经电阻R10、按键K2后接地，三极管Q1的基极与三极管Q2的集电极连接，三极管Q2的射极接地，+5V电源电压经电阻R6、电阻R8后与三极管Q2的基极连接；+5V电源电压与电源稳压芯片U3的3脚连接，电源稳压芯片U3的2脚、3脚分别经电容C6、电容C5后接地，电源稳压芯片U3的1脚接地；连接线接口包括了两个接点，两个接点之间通过外部连接线连接，+5V电源电压与连接线接口的一端接点连接，连接线接口的另一端接点经电阻R7后接地，连接线接口的另一端接点与单片机最小系统3中单片机U5的3脚连接，电源稳压芯片U3的2脚输出+3.3V电源电压。\n[0044] 如图3所示，所述的单片机最小系统3：单片机U5的14脚和15脚之间串联有晶振Y1，单片机U5的14脚和15脚分别串联电容C9和电容C10后接地，单片机U5的29脚、37脚与+5V电源电压连接，单片机U5的4脚、16脚均接地；下载接口P1的1脚接+5V电源电压，下载接口P1的2脚、3脚分别与单片机U5的5脚、7脚连接，下载接口P1的4脚接地。\n[0045] 如图6所示，所述的三轴加速度传感器模块5：三轴加速度传感器U4的1脚、6脚与+3.3V电源电压连接，三轴加速度传感器U4的1脚经电容C8后接地，三轴加速度传感器U4的13脚、14脚分别经电阻R16、电阻R15后与+3.3V电源电压连接，三轴加速度传感器U4的2脚、4脚、5脚和12脚接地，三轴加速度传感器U4的6脚、7脚之间串联有电阻R14，三轴加速度传感器U4的13脚、14脚分别与单片机最小系统3中单片机U5的12脚、13脚连接。\n[0046] 如图7所示，所述的无线通信模块2：串口蓝牙模块U6的12脚和13脚之间串联有电容C11，串口蓝牙模块U6的12脚与+3.3V电源电压连接，串口蓝牙模块U6的13脚、\n21脚、22脚均接地，串口蓝牙模块U6的24脚依次串联电阻R20、LED灯D3后接地，串口蓝牙模块U6的1脚、2脚分别与单片机最小系统3中单片机U5的5脚、7脚连接。\n[0047] 如图5所示，所述的语音报警电路4：语音芯片U2的1脚经按键K1后与+5V电源电压连接，+5V电源电压串联电阻R11、LED灯D1后与语音芯片U2的13脚连接，语音芯片U2的4脚和5脚分别串联电容C2、电容C3后与话筒MIC1的两端连接，语音芯片U2的6脚经电容C4接地，语音芯片U2的7脚、9脚与扬声器LS1连接，语音芯片U2的8脚接地，语音芯片U2的10脚、11脚分别串联电阻R12、电容C7后接地；语音芯片U2的11脚接+5V电源电压，+5V电源电压串联电阻R5后再经电阻R2与话筒MIC1的一端连接，话筒MIC1的另一端依次经电阻R3后与语音芯片U2的13脚连接，+5V电源电压串联电阻R5后再经电容C1与语音芯片U2的13脚连接。\n[0048] 所述的心跳灯及蜂鸣器模块7：包括心跳灯模块和蜂鸣器报警模块；\n[0049] 如图8所示，心跳灯模块包括：三极管Q3的基极经电阻R17后与单片机最小系统\n3中单片机U5的25脚连接，三极管Q3的集电极依次经LED灯D2、电阻R18后接地，三极管Q3的射极接+5V电源电压；\n[0050] 如图9所示，蜂鸣器报警模块包括：三极管Q4的基极经电阻R19后与单片机最小系统3中单片机U5的23脚连接，三极管Q4的集电极经蜂鸣器F2后接地，三极管Q4的射极均与+5V电源电压连接。\n[0051] 所述的电源的电压为3.8V～6V，峰值输出电流为20mA以上。\n[0052] 所述的电源采用七号干电池组、五号干电池组或者纽扣电池组。\n[0053] 所述的三极管Q1、三极管Q3、三极管Q4为PNP三极管，所述的三极管Q2为NPN三极管。\n[0054] 所述的电源稳压芯片U3的型号为AM1117-3.3，所述的单片机U5的型号为STC89C52RC，所述的三轴加速度传感器U4的型号为ADXL345，所述的串口蓝牙模块U6的型号为BLK-MD-BC04-B，所述的语音芯片U2的型号为ISD1820。\n[0055] 所述的连接线接口外接连接线，作为挂钩挂在需要保护的物品上。连接线中有金属导线，连接线中部通过暗扣连接，连接线起来时连接线导通，从而使图4中的+5V电源电压经过连接线接口U1在经过电阻R7后接地，形成通路。当连接线被破坏如剪断或则连接线之间的暗扣被打开，则图4中的U1断开，从而使R7种没有电流流过。\n[0056] 所述的连接线可以挂在被保护物体的任何部位。本发明报警器能作为挂件连接在书包、笔记本电脑、行李箱等贵重物品上，当物主需要在公众场合离开一段时间时启用报警器，本发明报警器即可起到报警防盗的作用。\n[0057] 所述的无线通信模块2采用蓝牙进行无线通信。使用的串口蓝牙模块可以被其他蓝牙设备主动搜寻到，其他蓝牙设备搜寻到报警器上的串口蓝牙模块后进行连接，初次连接时需要输入初始密码，报警器上的串口蓝牙模块确认初始密码后，串口蓝牙设备即和连接它的设备建立了无线连接，此时两者可以通过蓝牙进行无线通讯，初次连接后的设备再次连接该报警器的串口蓝牙设备时，不需要再次输入初始密码建立连接。其他设备和报警器的串口蓝牙模块建立连接后，需要输入用户为报警器设定的密码，只有报警器确认了用户设定的密码后，其他设备才能够取得操作报警器的权限，才能够发送指令使报警器开启监控状态和关闭报警器。\n[0058] 所述的单片机最小系统3中单片机U5的4引脚是复位引脚，该引脚直接接地，使报警器在上电的情形下不会因为复位引脚上电而复位。\n[0059] 所述的移动手机可以采用带蓝牙功能的移动手机。用户可以通过手机客户端来连接和控制报警器。如图10所示，手机客户端的每个按钮对应了约定的通讯协议，“连接”按钮可以打开手机蓝牙并开始搜寻周围可见的蓝牙设备，输入密码和修改密码文本框可以实现手机端与报警器的蓝牙设备配对，配对后 “启动”按钮使报警器处于监控状态，“关闭”按钮给报警器发送切断电源的命令，“清除”按钮使“状态信息”的信息框中的文字清零，“退出”按钮退出手机应用。\n[0060] 本发明报警器对移动距离的感知是基于三轴加速度传感器采集的加速度数据。三轴加速度传感器采集到空间三轴加速度值后，通过两次辛普森积分的数值处理方法得到物体移动距离。当物体移动距离超过设定的阈值时，报警器即发出语音报警声，同时蜂鸣器也发出尖锐的报警声，及时引起周围人群的注意，同时震慑到小偷，起到防盗作用。\n[0061] 本发明中，移动手机通过蓝牙无线向报警器发送用户密码，密码验证后，移动手机可以通过指令控制报警器。报警器处于监控状态时，若有人将连接该报警器的物体移动了一米以上距离时，控制器通过语音电路发出用户自己录制的个性化报警声，同时蜂鸣器发出刺耳的鸣叫声，以此提醒报警器周围的人们，移动物品的人是小偷不是物主。若小偷破坏了物品与报警器的连接线，那么该报警器一直报警。不使用报警器时，用手机客户端发送关闭指令，报警器通过智能开关机电路关闭报警器。\n[0062] 本发明的具体实施工作过程如图2所示：\n[0063] 1）物主离开被保护物品前，按下开机键K2，并保持1秒以上。\n[0064] 如图4所示，当按键K2未被按下时，Q1的射极和基极之间没有偏置电压，所以Q1处于断开状态，整个系统处于断电状态，电流为零，功耗为零。当按键K2按下时，Q1的射极和基极之间有偏置电压2.5V，使Q1处于饱和导通状态，此时保险丝F1的2引脚电压为+5V，可以为报警器其他模块提供电流。单片机最小系统的单片机U5上电后，立即将单片机最小系统的单片机U5的1引脚拉高，给Q2的基极和射极提供偏置电压，从而使Q2处于饱和导通，因而Q1的基极与地的压差可以忽略，此时松开K2按键，由于Q1维持导通状态，整个报警器仍然可以继续工作。若执行关机指令，则将单片机最小系统的单片机U5的1引脚置低，此时Q2的基极和射极之间的偏置电压消失，Q2的射极和集电极断开，从而Q1的基极和射极之间的偏置电压也消失，导致Q1的射极和集电极断开，整个系统断电。所以整个报警器在关闭状态的时候，功耗为零，以此保证系统的低功耗。\n[0065] 2）经过1）后报警器上所有模块都上电，等待和移动手机的客户端配对。物主打开移动手机的蓝牙功能，搜索周围可见蓝牙设备，每个报警器的蓝牙设备默认名为BLK，搜素到报警器的蓝牙设备名后选择连接。若是蓝牙连接成功后，报警器通过蓝牙发送“连接成功，请输入报警器密码”的提醒字样，手机客户端接收并且显示到屏幕上。然后物主在手机上输入报警器的密码，并且通过蓝牙发送，报警器接收到密码后，根据协议解密并且与存储在STC89C52内部EEPROM的密码匹配。若密码匹配成功，则返回“匹配成功，您可以开启或者关闭报警器”的提醒，此时物主可以通过蓝牙开启或者关闭报警器。若密码匹配失败，则返回“密码错误，请重新输入或者关闭报警器”，此时物主可以继续输入密码或者关闭报警器。在未开启报警器的情况下，若报警器五分钟内没有收到通讯信息，则自动关闭报警器，即将单片机最小系统的单片机U5的1引脚置低，整个系统断电。\n[0066] 3）经过2）若配对成功并且开启报警器，那么报警器即处于监控状态。处于监控状态时，报警中的三轴加速度传感器电路，如图5所示，将以100Hz的频率采样空间XYZ三轴的加速度值，得到的原始加速度值将经过一个数字滤波器，得到加速度值，然后通过两次辛普森积分的数值处理方法得到传感器在空间中的移动距离。若移动距离超过设定的阈值，比如阈值设定为一米，则报警器立即控制语音报警电路，发出报警声。若未超过一米距离，则不报警，这个由加速度值得到的积分值每两分钟清零一次。\n[0067] 4）在3）过程中所述的语音报警过程的原理如图3和图5所示。当外界触发报警器报警时，单片机最小系统的单片机U5的2引脚产生一个上升沿脉冲，ISD1820接收到这个上升沿信号后，驱动8欧姆的喇叭LS1，从而播放预先录制的报警声。与此同时，单片机最小系统的单片机U5的23引脚拉低，驱动图7中的蜂鸣器，使其发出尖锐的报警声。在报警器上电的情况下，物主还可以录制个性化的语音报警声。图5示，按下K1不要松开，对着话筒说话即可将自己的声音录入ISD1820中，每次录音时间十秒以内，超过十秒会自动切断十秒之后的语音信息，每次录音会自动覆盖上次语音内容。触发报警器的语音和蜂鸣器报警声将极大的震慑到小偷，同时报警声会引起周围立即人群的注意，人们将意识到移动物体的人不是物主而是小偷，从而采取报警和驱赶小偷等措施。触发语音和蜂鸣器报警的同时，报警器通过蓝牙串口模块发送报警提示信息给物主的移动手机客户端，物主收到报警的提示信息后立即返回被保护物品现场。\n[0068] 5）在上电情形下，无论报警器处于开启监控状态还是关闭监控状态下，只要图4的连接线接口的连接线被断掉，导致连接线接口上的两个接点之间形成断路，单片机最小系统的单片机U5的3引脚被拉为低电平。单片机最小系统的单片机U5 检测到3引脚从高电平变为低电平后，单片机最小系统的单片机U5的2引脚产生一个上升沿脉冲，ISD1820接收到这个上升沿信号后，驱动8欧姆的喇叭LS1，从而播放预先录制的报警声。与此同时，单片机最小系统的单片机U5的23引脚拉低，驱动图7中的蜂鸣器，使其发出尖锐的报警声。通过以上报警方式，当小偷剪断报警器与被保护物体的连接线时，报警器依然起到防盗的作用。\n[0069] 6）经过3）后，当物主返回物品放置处时，重复2）中步骤，使其连接上报警器，并且向报警器发送关机指令，则单片机最小系统的单片机U5的1引脚置低，此时Q2的基极和射极之间的偏置电压消失，Q2的射极和集电极断开，从而Q1的基极和射极之间的偏置电压也消失，导致Q1的射极和集电极断开，整个报警器断电。\n[0070] 上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。