基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)智能保險(xiǎn)箱安防系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（一）

摘要：提出了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的智能保險(xiǎn)箱安防監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)由前端監(jiān)測設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)和手機(jī)客戶端3部分組成，實(shí)現(xiàn)了集遠(yuǎn)程監(jiān)控、實(shí)時(shí)報(bào)警和、遠(yuǎn)程動(dòng)態(tài)管理于一體的安防監(jiān)測功能，并提出了部分重發(fā)算法等調(diào)優(yōu)算法以減低丟包率。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了所提出要求，并擁有系統(tǒng)穩(wěn)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(dāng)今保險(xiǎn)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(hù)需求也同樣在升級(jí)，而對于目前市面上的保險(xiǎn)箱防護(hù)手段過于單一，應(yīng)急反應(yīng)緩慢等弊病，而造成了多起保險(xiǎn)箱被盜事故。目前在貴重物品防護(hù)及相關(guān)珍藏品收藏的保險(xiǎn)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(xiǎn)箱外層材料厚度等等，雖然保護(hù)了保險(xiǎn)箱內(nèi)部的物品，但是系統(tǒng)不能保護(hù)保險(xiǎn)箱自身，而常常造成保險(xiǎn)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(dá)的今天，無線傳感器網(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(yīng)用。但就目前而言，基于多手段，全方位，全天時(shí)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)如何讓保險(xiǎn)箱防護(hù)體系做到更安全，已經(jīng)成為目前安防保險(xiǎn)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(yīng)用到保險(xiǎn)箱的領(lǐng)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(dòng)的手段，但是依然探測手段單一，無法真正達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的需求。

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

　?。?）從硬件角度，該安防系統(tǒng)具有無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)：低功耗，自組織，可采集數(shù)據(jù)等，同時(shí)可發(fā)實(shí)時(shí)報(bào)警并追蹤狀態(tài)。該特點(diǎn)的使得保險(xiǎn)箱一旦出現(xiàn)異常，可第一時(shí)間通知用戶，并實(shí)時(shí)追蹤動(dòng)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(gòu)訪問頁面，以及手機(jī)客戶端等等，使用戶時(shí)刻掌握保險(xiǎn)箱的動(dòng)態(tài)。

　　因此，為了實(shí)現(xiàn)以上功能，除了在系統(tǒng)中使用技術(shù)通用分組無線服務(wù)技術(shù)（General Packet Radio Service,GPRS），全球定位系統(tǒng)技術(shù)（Global Positioning System,GPS）等常規(guī)模塊的同時(shí)，還需要增加不同功能的報(bào)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功能，例如用戶可能會(huì)用到的網(wǎng)頁支持，手機(jī)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(shè)備

　　異常監(jiān)測模塊：包括了多種傳感器（紅外，震動(dòng)，溫濕度等）；無線傳輸模塊：通過GPRS 模塊將所有數(shù)據(jù)（報(bào)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GPS完成對節(jié)點(diǎn)的定位；視頻采集模塊：通過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(bào)警模塊：監(jiān)測節(jié)點(diǎn)將報(bào)警信息以短信方式發(fā)送至用戶手機(jī)，手機(jī)客戶端則以推送的方式提醒用戶。

（2）服務(wù)器網(wǎng)關(guān)：一臺(tái)連入公網(wǎng)的服務(wù)器，作為系統(tǒng)的中間件部分負(fù)責(zé)連接底層硬件與上層應(yīng)用，收發(fā)和存儲(chǔ)所有中間數(shù)據(jù)。

　?。?）用戶手機(jī)應(yīng)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(jìn)行查詢。

　　這些模塊與功能是從實(shí)際應(yīng)用角度進(jìn)行劃分與設(shè)計(jì)，實(shí)際上，他們是一個(gè)整體，之間有著非常緊密的聯(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(tǒng)介紹

　　2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　本監(jiān)測系統(tǒng)共分為3 個(gè)部分：前端監(jiān)測，服務(wù)器網(wǎng)關(guān)和用戶終端。

　　其中前端監(jiān)測部分實(shí)時(shí)監(jiān)測用戶節(jié)點(diǎn)的異常變化，當(dāng)有異常情況（震動(dòng)，溫度濕度超過標(biāo)準(zhǔn)值，非法闖入等）發(fā)生時(shí)，傳感器將數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)椒?wù)器網(wǎng)關(guān)，并通過手機(jī)預(yù)警的方式通知用戶。若此時(shí)節(jié)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(shù)據(jù)接收，數(shù)據(jù)解析處理，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，有效數(shù)據(jù)挖掘4個(gè)部分。

　　用戶終端部分包括：手機(jī)訪問平臺(tái)、手機(jī)預(yù)警平臺(tái)和手機(jī)主動(dòng)定位平臺(tái)。手機(jī)訪問平臺(tái)是通過手機(jī)應(yīng)用訪問數(shù)據(jù)庫服務(wù)器獲取信息。手機(jī)預(yù)警平臺(tái)則是系統(tǒng)會(huì)以短信方式或推送方式通知異常。手機(jī)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(xiǎn)箱并查詢狀態(tài)。如圖1所示。

　　2.2 節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

　　監(jiān)測節(jié)點(diǎn)主要功能為：利用傳感器感應(yīng)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(fēng)等設(shè)備采集圖像音頻數(shù)據(jù)。

　　如圖2 所示，節(jié)點(diǎn)以MSP430F5438 單片機(jī)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(jiān)測3軸加速度，沖擊，震動(dòng)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(shí)，節(jié)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(tǒng)在線，并隨時(shí)獲取到節(jié)點(diǎn)的最新位置。當(dāng)異常感應(yīng)模塊被觸發(fā)后（震動(dòng)異常，溫濕度異常等），MCU通過GPRS將獲取的警報(bào)信息連同GPS信息等發(fā)送至數(shù)據(jù)庫后臺(tái)，并同時(shí)提醒用戶此次異常。如圖3所示。

　　3 軟件實(shí)現(xiàn)及改進(jìn)

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

　　3.1 節(jié)點(diǎn)軟件實(shí)現(xiàn)

　　3.1.1 任務(wù)設(shè)計(jì)

　　考慮到節(jié)點(diǎn)選用的單片機(jī)為超低功耗芯片MSP430,以及監(jiān)測系統(tǒng)對實(shí)時(shí)性的要求，因此謹(jǐn)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(wù)進(jìn)程。操作系統(tǒng)中任務(wù)如表1所示。

　　整個(gè)系統(tǒng)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(nèi)存。在此之后，系統(tǒng)只保留部分進(jìn)程，以完成日常上報(bào)數(shù)據(jù)，接收數(shù)據(jù)和報(bào)警的功能。系統(tǒng)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(xiàn)。

　　3.1.2 接收中斷的實(shí)現(xiàn)

　　如表1所示，系統(tǒng)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)程的流程基本類似，這里只介紹配置串口進(jìn)程的實(shí)現(xiàn)，如圖5所示。

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

　　它從串口讀入數(shù)據(jù)，并通過信號(hào)量傳遞給其他進(jìn)程。因此，在進(jìn)程開始，初始化2個(gè)任務(wù)：緩沖區(qū)任務(wù)和超時(shí)任務(wù)。前者的工作是每當(dāng)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(qū)；后者的任務(wù)是，當(dāng)某個(gè)字符接收完畢后若2 ms內(nèi)沒有新的字符進(jìn)入時(shí)，則將緩沖區(qū)的字符串POST至信號(hào)量。

　　3.1.3 拍照功能的實(shí)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(jī)應(yīng)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(shè)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(gè)數(shù)據(jù)包重新打包，附加設(shè)備IMEI號(hào)與結(jié)尾校驗(yàn)位后再發(fā)送至后臺(tái)服務(wù)器。這樣的好處是，當(dāng)多臺(tái)設(shè)備同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，后臺(tái)程序?qū)?shù)據(jù)包的頭尾進(jìn)行解析，從而避免混淆。