基于無線傳感器網(wǎng)絡智能保險箱安防系統(tǒng)的設計（一）

0 引言

在當今保險箱快速發(fā)展的同時，人們對資產(chǎn)及個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珍藏品收藏的保險箱系統(tǒng)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(nèi)部的物品，但是系統(tǒng)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帶來巨大損失。

在我國數(shù)字信息化發(fā)達的今天，無線傳感器網(wǎng)絡技術的興起，已在各個安防領域得到廣泛的應用。但就目前而言，基于多手段，全方位，全天時的無線傳感器網(wǎng)絡技術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)的一個重要研究課題。目前，傳感器網(wǎng)絡技術應用到保險箱的領域在國內(nèi)還沒有先例，有的企業(yè)也做了一些安防聯(lián)動的手段，但是依然探測手段單一，無法真正達到實際應用的需求。

針對現(xiàn)有的保險箱系統(tǒng)中存在的這些問題，將無線傳感器網(wǎng)絡引入現(xiàn)有保險箱系統(tǒng)中，希望能成為主流解決方案。仔細分析需求后，現(xiàn)代的保險箱安防系統(tǒng)應有以下特點：

(1)從硬件角度，該安防系統(tǒng)具有無線傳感器網(wǎng)絡的特點：低功耗，自組織，可采集數(shù)據(jù)等，同時可發(fā)實時報警并追蹤狀態(tài)。該特點的使得保險箱一旦出現(xiàn)異常，可第一時間通知用戶，并實時追蹤動態(tài)。

(2)從用戶角度看，安防系統(tǒng)提供多種查詢方式，例如短信息，B/S架構訪問頁面，以及手機客戶端等等，使用戶時刻掌握保險箱的動態(tài)。

因此，為了實現(xiàn)以上功能，除了在系統(tǒng)中使用技術通用分組無線服務技術(General Packet Radio Service,GPRS)，全球定位系統(tǒng)技術(Global Positioning System,GPS)等常規(guī)模塊的同時，還需要增加不同功能的報警傳感器(如震動傳感器等)。同時，還需要引入更多的用戶功能，例如用戶可能會用到的網(wǎng)頁支持，手機客戶端等。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)的安防監(jiān)測系統(tǒng)功能分析

本文所屬的安防系統(tǒng)的功能由以下子模塊組成：

(1)前端監(jiān)測設備

異常監(jiān)測模塊：包括了多種傳感器(紅外，震動，溫濕度等);無線傳輸模塊：通過GPRS 模塊將所有數(shù)據(jù)(報警信息，位置信息，心跳幀等)發(fā)送至網(wǎng)關;定位模塊：通過GPS完成對節(jié)點的定位;視頻采集模塊：通過具有夜視功能的廣角攝像頭進行圖像采集后會發(fā)送至服務器;報警模塊：監(jiān)測節(jié)點將報警信息以短信方式發(fā)送至用戶手機，手機客戶端則以推送的方式提醒用戶。

(2)服務器網(wǎng)關：一臺連入公網(wǎng)的服務器，作為系統(tǒng)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(shù)據(jù)。

(3)用戶手機應用：允許用戶通過iPhone 客戶端對監(jiān)控系統(tǒng)的狀態(tài)和信息進行查詢。

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

2 硬件系統(tǒng)介紹

2.1 系統(tǒng)結構

本監(jiān)測系統(tǒng)共分為3 個部分：前端監(jiān)測，服務器網(wǎng)關和用戶終端。

其中前端監(jiān)測部分實時監(jiān)測用戶節(jié)點的異常變化，當有異常情況(震動，溫度濕度超過標準值，非法闖入等)發(fā)生時，傳感器將數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡傳輸?shù)椒掌骶W(wǎng)關，并通過手機預警的方式通知用戶。若此時節(jié)點被移動，還將對其進行實時跟蹤。

服務器網(wǎng)關部分包括數(shù)據(jù)接收，數(shù)據(jù)解析處理，數(shù)據(jù)存儲，有效數(shù)據(jù)挖掘4個部分。

用戶終端部分包括：手機訪問平臺、手機預警平臺和手機主動定位平臺。手機訪問平臺是通過手機應用訪問數(shù)據(jù)庫服務器獲取信息。手機預警平臺則是系統(tǒng)會以短信方式或推送方式通知異常。手機主動定位方式是提供了主動的方式定位到自己的保險箱并查詢狀態(tài)。如圖1所示。

2.2 節(jié)點結構

監(jiān)測節(jié)點主要功能為：利用傳感器感應異常，利用GPRS 傳輸數(shù)據(jù)，使用GPS 模塊獲取位置，通過攝像頭/麥克風等設備采集圖像音頻數(shù)據(jù)。

如圖2 所示，節(jié)點以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，傳感器(可監(jiān)測3軸加速度，沖擊，震動等)通過中斷的方式參與到程序中。

2.3 數(shù)據(jù)流向

在正常狀態(tài)時，節(jié)點日常任務包括定時獲取GPS信息，定時發(fā)送心跳幀等，以確保系統(tǒng)在線，并隨時獲取到節(jié)點的最新位置。當異常感應模塊被觸發(fā)后(震動異常，溫濕度異常等)，MCU通過GPRS將獲取的警報信息連同GPS信息等發(fā)送至數(shù)據(jù)庫后臺，并同時提醒用戶此次異常。如圖3所示。

3 軟件實現(xiàn)及改進

本節(jié)將分2部分介紹系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)，從節(jié)點軟件和上層iPhone 客戶端來詳細說明本安防系統(tǒng)的工作方式。

3.1 節(jié)點軟件實現(xiàn)

3.1.1 任務設計

考慮到節(jié)點選用的單片機為超低功耗芯片MSP430,以及監(jiān)測系統(tǒng)對實時性的要求，因此謹慎的選擇了μC/OS-Ⅱ作為操作系統(tǒng)并盡可能合理的分配任務進程。操作系統(tǒng)中任務如表1所示。

整個系統(tǒng)初始化完成后，所有初始化進程會被終止，而后釋放相關內(nèi)存。在此之后，系統(tǒng)只保留部分進程，以完成日常上報數(shù)據(jù)，接收數(shù)據(jù)和報警的功能。系統(tǒng)進程以外的進程則以中斷的方式進行搶占，如圖4所示。

下面會重點介紹核心模塊的實現(xiàn)。

3.1.2 接收中斷的實現(xiàn)

如表1所示，系統(tǒng)中含有4個串口接收中斷。出于功能分析與拓展性考慮，這些進程的流程基本類似，這里只介紹配置串口進程的實現(xiàn)，如圖5所示。

從系統(tǒng)角度上講，該任務類似一個內(nèi)外數(shù)據(jù)接口：

它從串口讀入數(shù)據(jù)，并通過信號量傳遞給其他進程。因此，在進程開始，初始化2個任務：緩沖區(qū)任務和超時任務。前者的工作是每當串口有中斷進入時，從串口讀取收到的字符，存入一環(huán)形緩沖區(qū);后者的任務是，當某個字符接收完畢后若2 ms內(nèi)沒有新的字符進入時，則將緩沖區(qū)的字符串POST至信號量。

3.1.3 拍照功能的實現(xiàn)

系統(tǒng)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(tǒng)中，獲得高解析度的單幀圖像，圖像壓縮成JPEG格式后通過串口傳回主控設備。程序流程如圖6所示。出于對系統(tǒng)性能的考慮，給收到的每個數(shù)據(jù)包重新打包，附加設備IMEI號與結尾校驗位后再發(fā)送至后臺服務器。這樣的好處是，當多臺設備同時發(fā)送數(shù)據(jù)時，后臺程序?qū)?shù)據(jù)包的頭尾進行解析，從而避免混淆。