基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )智能保險箱安防系統的設計（一）

摘要：提出了一種基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的智能保險箱安防監測系統。該系統由前端監測設備、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)和手機客戶(hù)端3部分組成，實(shí)現了集遠程監控、實(shí)時(shí)報警和、遠程動(dòng)態(tài)管理于一體的安防監測功能，并提出了部分重發(fā)算法等調優(yōu)算法以減低丟包率。測試結果表明，該系統實(shí)現了所提出要求，并擁有系統穩定，發(fā)送快速，可糾正丟幀等優(yōu)點(diǎn)，具有可行性與實(shí)用性。

　　0 引言

　　在當今保險箱快速發(fā)展的同時(shí)，人們對資產(chǎn)及個(gè)人收藏品的全方位防護需求也同樣在升級，而對于目前市面上的保險箱防護手段過(guò)于單一，應急反應緩慢等弊病，而造成了多起保險箱被盜事故。目前在貴重物品防護及相關(guān)珍藏品收藏的保險箱系統中，大多都采用物理安防手段，采取深層加密或者加厚保險箱外層材料厚度等等，雖然保護了保險箱內部的物品，但是系統不能保護保險箱自身，而常常造成保險箱本身失竊而給用戶(hù)帶來(lái)巨大損失。

　　在我國數字信息化發(fā)達的今天，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的興起，已在各個(gè)安防領(lǐng)域得到廣泛的應用。但就目前而言，基于多手段，全方位，全天時(shí)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)如何讓保險箱防護體系做到更安全，已經(jīng)成為目前安防保險箱行業(yè)的一個(gè)重要研究課題。目前，傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)應用到保險箱的領(lǐng)域在國內還沒(méi)有先例，有的企業(yè)也做了一些安防聯(lián)動(dòng)的手段，但是依然探測手段單一，無(wú)法真正達到實(shí)際應用的需求。

　　針對現有的保險箱系統中存在的這些問(wèn)題，將無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )引入現有保險箱系統中，希望能成為主流解決方案。仔細分析需求后，現代的保險箱安防系統應有以下特點(diǎn)：

　?。?）從硬件角度，該安防系統具有無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的特點(diǎn)：低功耗，自組織，可采集數據等，同時(shí)可發(fā)實(shí)時(shí)報警并追蹤狀態(tài)。該特點(diǎn)的使得保險箱一旦出現異常，可第一時(shí)間通知用戶(hù)，并實(shí)時(shí)追蹤動(dòng)態(tài)。

　?。?）從用戶(hù)角度看，安防系統提供多種查詢(xún)方式，例如短信息，B/S架構訪(fǎng)問(wèn)頁(yè)面，以及手機客戶(hù)端等等，使用戶(hù)時(shí)刻掌握保險箱的動(dòng)態(tài)。

　　因此，為了實(shí)現以上功能，除了在系統中使用技術(shù)通用分組無(wú)線(xiàn)服務(wù)技術(shù)（General Packet Radio Service,GPRS），全球定位系統技術(shù)（Global Positioning System,GPS）等常規模塊的同時(shí)，還需要增加不同功能的報警傳感器（如震動(dòng)傳感器等）。同時(shí)，還需要引入更多的用戶(hù)功能，例如用戶(hù)可能會(huì )用到的網(wǎng)頁(yè)支持，手機客戶(hù)端等。

　　1 基于物聯(lián)網(wǎng)的安防監測系統功能分析

　　本文所屬的安防系統的功能由以下子模塊組成：

　?。?）前端監測設備

　　異常監測模塊：包括了多種傳感器（紅外，震動(dòng)，溫濕度等）；無(wú)線(xiàn)傳輸模塊：通過(guò)GPRS 模塊將所有數據（報警信息，位置信息，心跳幀等）發(fā)送至網(wǎng)關(guān)；定位模塊：通過(guò)GPS完成對節點(diǎn)的定位；視頻采集模塊：通過(guò)具有夜視功能的廣角攝像頭進(jìn)行圖像采集后會(huì )發(fā)送至服務(wù)器；報警模塊：監測節點(diǎn)將報警信息以短信方式發(fā)送至用戶(hù)手機，手機客戶(hù)端則以推送的方式提醒用戶(hù)。

（2）服務(wù)器網(wǎng)關(guān)：一臺連入公網(wǎng)的服務(wù)器，作為系統的中間件部分負責連接底層硬件與上層應用，收發(fā)和存儲所有中間數據。

　?。?）用戶(hù)手機應用：允許用戶(hù)通過(guò)iPhone 客戶(hù)端對監控系統的狀態(tài)和信息進(jìn)行查詢(xún)。

　　這些模塊與功能是從實(shí)際應用角度進(jìn)行劃分與設計，實(shí)際上，他們是一個(gè)整體，之間有著(zhù)非常緊密的聯(lián)系，在某一功能被觸發(fā)時(shí)，需要多個(gè)模塊進(jìn)行協(xié)同工作。

　　2 硬件系統介紹

　　2.1 系統結構

　　本監測系統共分為3 個(gè)部分：前端監測，服務(wù)器網(wǎng)關(guān)和用戶(hù)終端。

　　其中前端監測部分實(shí)時(shí)監測用戶(hù)節點(diǎn)的異常變化，當有異常情況（震動(dòng)，溫度濕度超過(guò)標準值，非法闖入等）發(fā)生時(shí)，傳感器將數據通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )傳輸到服務(wù)器網(wǎng)關(guān)，并通過(guò)手機預警的方式通知用戶(hù)。若此時(shí)節點(diǎn)被移動(dòng)，還將對其進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤。

　　服務(wù)器網(wǎng)關(guān)部分包括數據接收，數據解析處理，數據存儲，有效數據挖掘4個(gè)部分。

　　用戶(hù)終端部分包括：手機訪(fǎng)問(wèn)平臺、手機預警平臺和手機主動(dòng)定位平臺。手機訪(fǎng)問(wèn)平臺是通過(guò)手機應用訪(fǎng)問(wèn)數據庫服務(wù)器獲取信息。手機預警平臺則是系統會(huì )以短信方式或推送方式通知異常。手機主動(dòng)定位方式是提供了主動(dòng)的方式定位到自己的保險箱并查詢(xún)狀態(tài)。如圖1所示。

　　2.2 節點(diǎn)結構

　　監測節點(diǎn)主要功能為：利用傳感器感應異常，利用GPRS 傳輸數據，使用GPS 模塊獲取位置，通過(guò)攝像頭/麥克風(fēng)等設備采集圖像音頻數據。

　　如圖2 所示，節點(diǎn)以MSP430F5438 單片機作為芯片，它擁有16 KB 的FLASH 以及256 KB 的RAM,以串口分別控制GSM 模塊（SIM900A），GPS 模塊（U-Blox），攝像頭（C328V,約118°視角）與USB 接口。同時(shí)，傳感器（可監測3軸加速度，沖擊，震動(dòng)等）通過(guò)中斷的方式參與到程序中。

　　2.3 數據流向

　　在正常狀態(tài)時(shí)，節點(diǎn)日常任務(wù)包括定時(shí)獲取GPS信息，定時(shí)發(fā)送心跳幀等，以確保系統在線(xiàn)，并隨時(shí)獲取到節點(diǎn)的最新位置。當異常感應模塊被觸發(fā)后（震動(dòng)異常，溫濕度異常等），MCU通過(guò)GPRS將獲取的警報信息連同GPS信息等發(fā)送至數據庫后臺，并同時(shí)提醒用戶(hù)此次異常。如圖3所示。

　　3 軟件實(shí)現及改進(jìn)

　　本節將分2部分介紹系統的軟件實(shí)現，從節點(diǎn)軟件和上層iPhone 客戶(hù)端來(lái)詳細說(shuō)明本安防系統的工作方式。

　　3.1 節點(diǎn)軟件實(shí)現

　　3.1.1 任務(wù)設計

　　考慮到節點(diǎn)選用的單片機為超低功耗芯片MSP430,以及監測系統對實(shí)時(shí)性的要求，因此謹慎的選擇了μC/OS-Ⅱ作為操作系統并盡可能合理的分配任務(wù)進(jìn)程。操作系統中任務(wù)如表1所示。

　　整個(gè)系統初始化完成后，所有初始化進(jìn)程會(huì )被終止，而后釋放相關(guān)內存。在此之后，系統只保留部分進(jìn)程，以完成日常上報數據，接收數據和報警的功能。系統進(jìn)程以外的進(jìn)程則以中斷的方式進(jìn)行搶占，如圖4所示。

　　下面會(huì )重點(diǎn)介紹核心模塊的實(shí)現。

　　3.1.2 接收中斷的實(shí)現

　　如表1所示，系統中含有4個(gè)串口接收中斷。出于功能分析與拓展性考慮，這些進(jìn)程的流程基本類(lèi)似，這里只介紹配置串口進(jìn)程的實(shí)現，如圖5所示。

　　從系統角度上講，該任務(wù)類(lèi)似一個(gè)內外數據接口：

　　它從串口讀入數據，并通過(guò)信號量傳遞給其他進(jìn)程。因此，在進(jìn)程開(kāi)始，初始化2個(gè)任務(wù)：緩沖區任務(wù)和超時(shí)任務(wù)。前者的工作是每當串口有中斷進(jìn)入時(shí)，從串口讀取收到的字符，存入一環(huán)形緩沖區；后者的任務(wù)是，當某個(gè)字符接收完畢后若2 ms內沒(méi)有新的字符進(jìn)入時(shí)，則將緩沖區的字符串POST至信號量。

　　3.1.3 拍照功能的實(shí)現

　　系統選用攝像頭為一款針對串口通信與微光條件的廣角黑白攝像頭，可作為JPEG照相機應用在系統中，獲得高解析度的單幀圖像，圖像壓縮成JPEG格式后通過(guò)串口傳回主控設備。程序流程如圖6所示。出于對系統性能的考慮，給收到的每個(gè)數據包重新打包，附加設備IMEI號與結尾校驗位后再發(fā)送至后臺服務(wù)器。這樣的好處是，當多臺設備同時(shí)發(fā)送數據時(shí)，后臺程序將數據包的頭尾進(jìn)行解析，從而避免混淆。