基于無線傳感器網絡智能保險箱安防系統的設計（一）

摘要：提出了一種基于無線傳感器網絡技術的智能保險箱安防監測系統。該系統由前端監測設備、物聯網網關和手機客戶端3部分組成，實現了集遠程監控、實時報警和、遠程動態管理于一體的安防監測功能，并提出了部分重發算法等調優算法以減低丟包率。測試結果表明，該系統實現了所提出要求，并擁有系統穩定，發送快速，可糾正丟幀等優點，具有可行性與實用性。

　　0 引言

　　在當今保險箱快速發展的同時，人們對資產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帶來巨大損失。

　　在我國數字信息化發達的今天，無線傳感器網絡技術的興起，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絡技術如何讓保險箱防護體系做到更安全，已經成為目前安防保險箱行業的一個重要研究課題。目前，傳感器網絡技術應用到保險箱的領域在國內還沒有先例，有的企業也做了一些安防聯動的手段，但是依然探測手段單一，無法真正達到實際應用的需求。

　　針對現有的保險箱系統中存在的這些問題，將無線傳感器網絡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：

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

　　（2）從用戶角度看，安防系統提供多種查詢方式，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。

　　因此，為了實現以上功能，除了在系統中使用技術通用分組無線服務技術（General Packet Radio Service,GPRS），全球定位系統技術（Global Positioning System,GPS）等常規模塊的同時，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頁支持，手機客戶端等。

　　1 基于物聯網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：

　　（1）前端監測設備

　　異常監測模塊：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 模塊將所有數據（報警信息，位置信息，心跳幀等）發送至網關；定位模塊：通過GPS完成對節點的定位；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送至服務器；報警模塊：監測節點將報警信息以短信方式發送至用戶手機，手機客戶端則以推送的方式提醒用戶。

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

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

　　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系，在某一功能被觸發時，需要多個模塊進行協同工作。

　　2 硬件系統介紹

　　2.1 系統結構

　　本監測系統共分為3 個部分：前端監測，服務器網關和用戶終端。

　　其中前端監測部分實時監測用戶節點的異常變化，當有異常情況（震動，溫度濕度超過標準值，非法闖入等）發生時，傳感器將數據通過無線網絡傳輸到服務器網關，并通過手機預警的方式通知用戶。若此時節點被移動，還將對其進行實時跟蹤。

　　服務器網關部分包括數據接收，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據庫服務器獲取信息。手機預警平臺則是系統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。如圖1所示。

　　2.2 節點結構

　　監測節點主要功能為：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，通過攝像頭/麥克風等設備采集圖像音頻數據。

　　如圖2 所示，節點以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 數據流向

　　在正常狀態時，節點日常任務包括定時獲取GPS信息，定時發送心跳幀等，以確保系統在線，并隨時獲取到節點的最新位置。當異常感應模塊被觸發后（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信息等發送至數據庫后臺，并同時提醒用戶此次異常。如圖3所示。

　　3 軟件實現及改進

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

　　3.1 節點軟件實現

　　3.1.1 任務設計

　　考慮到節點選用的單片機為超低功耗芯片MSP430,以及監測系統對實時性的要求，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進程。操作系統中任務如表1所示。

　　整個系統初始化完成后，所有初始化進程會被終止，而后釋放相關內存。在此之后，系統只保留部分進程，以完成日常上報數據，接收數據和報警的功能。系統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。

　　3.1.2 接收中斷的實現

　　如表1所示，系統中含有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，如圖5所示。

　　從系統角度上講，該任務類似一個內外數據接口：

　　它從串口讀入數據，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，存入一環形緩沖區；后者的任務是，當某個字符接收完畢后若2 ms內沒有新的字符進入時，則將緩沖區的字符串POST至信號量。

　　3.1.3 拍照功能的實現

　　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，給收到的每個數據包重新打包，附加設備IMEI號與結尾校驗位后再發送至后臺服務器。這樣的好處是，當多臺設備同時發送數據時，后臺程序將數據包的頭尾進行解析，從而避免混淆。