野外地學(xué)儀器防盜系統(tǒng)設(shè)計

魏高榮，石婉欣，李 梅

（中國地質(zhì)大學(xué)（北京）信息工程學(xué)院，北京 100083）

野外地學(xué)儀器防盜系統(tǒng)設(shè)計

魏高榮，石婉欣，李 梅

（中國地質(zhì)大學(xué)（北京）信息工程學(xué)院，北京 100083）

為保障地學(xué)儀器長時間野外作業(yè)情況下的安全，提出了一套基于GSM與GPS的嵌入式防盜系統(tǒng)設(shè)計。且為解決一般防盜系統(tǒng)出現(xiàn)的高誤報率、交互性差以及高功耗問題，設(shè)計了一種將過濾算法與人為判斷相結(jié)合的方法以消除系統(tǒng)誤報，提高可交互性；采用多種工作模式自動切換以及模塊開關(guān)控制來降低系統(tǒng)功耗；通過位置信息與環(huán)境圖片返回實現(xiàn)儀器被盜后找回。試驗證明，該系統(tǒng)在很大程度上避免了誤報，提高了可交互性，實現(xiàn)了系統(tǒng)的超低功耗，且設(shè)計的被盜反制措施可實現(xiàn)儀器被盜后找回。

儀器防盜；GSM；GPS；加速度傳感器

為了實時監(jiān)測一些地質(zhì)活動，采集地學(xué)信號進行分析，通常需要將一些地學(xué)儀器長時間的防止到野外工作。由于這些儀器價格昂貴，且置于野外無人看守的環(huán)境中，一旦發(fā)生失竊，會給地學(xué)工作者造成科研工作的延誤和重大的經(jīng)濟損失。為了預(yù)防此類情況的發(fā)生，本設(shè)計針對地學(xué)儀器設(shè)計了一套電子嵌入式防盜系統(tǒng)。

本設(shè)計的設(shè)計依托于無線通信技術(shù)與嵌入式技術(shù)，相較于同類的電子防盜系統(tǒng)出現(xiàn)的高誤報率，交互性差，高功耗問題，通過算法設(shè)計、報警策略設(shè)計和電路設(shè)計得到了一套行之有效的解決方案。同時設(shè)計了高效精確的定位系統(tǒng)。在以ARM7微處理器芯片STM32F103ZE為核心[1]，加速度傳感器作為異動感應(yīng)裝置，GPS與GSM作為定位與信息通信裝置的嵌入式平臺上進行測試[2]。

1　系統(tǒng)設(shè)計與框架架構(gòu)

1.1系統(tǒng)設(shè)計

本設(shè)計中采用STM32F103ZET6作為主控芯片，使用加速度傳感器對儀器的異動信息進行檢測，使用紅外模塊來控制主控芯片的工作模式，通過GSM與GPS模塊實現(xiàn)與用戶手機信息交互功能和定位功能[3-4]，攝像頭模塊可拍攝儀器所處環(huán)境照片，主控芯片可控制報警裝置進行聲音示警，系統(tǒng)設(shè)設(shè)計框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)設(shè)計框圖

1.2系統(tǒng)模式設(shè)計

主控芯片STM32F103ZET6支持3種低功耗模式[5]，設(shè)計中采用其中的兩種：睡眠模式與待機模式，芯片正常運行時的狀態(tài)稱為監(jiān)測模式，工作模式的切換設(shè)計如下所述：

1）系統(tǒng)剛上電啟動后處于監(jiān)測模式，如果在設(shè)定的一段時間內(nèi)有異動發(fā)生，則按照設(shè)計的系統(tǒng)報警策略進行判斷，若判斷為被盜，則進入報警模式；如果在設(shè)定的時間內(nèi)沒有任何異動發(fā)生，則系統(tǒng)自動切換到睡眠模式。

2）系統(tǒng)處于睡眠模式時，STM32F103ZET6的內(nèi)核，但其外設(shè)仍在運行，系統(tǒng)可以被加速度所產(chǎn)生的外部中斷喚醒而進入監(jiān)測模式。

3）在正常移動儀器時，需要監(jiān)控模塊停止檢測，在設(shè)計中，通過紅外遙控的按鍵操作使監(jiān)控模塊進入待機模式，也形象的稱其為安全模式。在該模式下系統(tǒng)不可被加速度傳感器產(chǎn)生的中斷喚醒，只可由設(shè)定的wake-up鍵手動喚醒。喚醒后重新進入監(jiān)測模式[6]。

系統(tǒng)通過4種工作模式的自動切換來降低功耗，工作模式切換過程如圖2所示。

圖2　工作模式切換示意圖

1.3系統(tǒng)報警策略設(shè)計

為了解決普通防盜系統(tǒng)普遍存在的誤報率高，以及實時性差的問題，本設(shè)計中經(jīng)過模擬分析儀器可能所處的各種環(huán)境以及被盜情形，通過程序算法的設(shè)計，使監(jiān)控模塊能對儀器產(chǎn)生異動的一些情況進行初步分析，并作出判斷，無需人工進行干預(yù)，改善了誤報情況。

以上所述的過程作為整體報警策略的第一次判斷，是監(jiān)控模塊自主判斷實現(xiàn)的，依據(jù)這一判斷過濾掉可能引起儀器產(chǎn)生異動的正常因素，如風(fēng)雨雷電導(dǎo)致產(chǎn)生的異動，或是研究人員無意的觸動所產(chǎn)生的異動。模塊忽略此類異動后，進入正常檢測狀態(tài)。

對第一次過濾后仍存在的異動情況，系統(tǒng)要進行第二次判斷。在主控芯片的控制下通過GSM模塊發(fā)送異動消息到研究人員綁定的手機端[7]，研究人員收到短信后，依據(jù)對儀器所處狀況的了解做出判斷，具體判斷情況如下：

1）如果是自然環(huán)境惡劣（持續(xù)大風(fēng)等）可判斷為合法異動，可通過短信回復(fù)sleep命令使監(jiān)控模塊忽略本次異動；

2）如果是研究人員授權(quán)他人移動該儀器，而此人沒有經(jīng)過規(guī)定的紅外解鎖操作直接移動儀器，則研究人員也可判斷此異動為合法異動，通過短信回復(fù)standby命令使監(jiān)控模塊忽略本次異動，同時進入安全模式而不再檢測異動信息；

3）如果研究人員判斷儀器被盜，則短信回復(fù)alarm命令使模塊進入報警模式，通過GPS、GSM模塊以及攝像頭模塊協(xié)作[8]，每隔固定時間就發(fā)送儀器的位置信息和所處環(huán)境照片到綁定的手機端。

通過以上所述的系統(tǒng)報警策略設(shè)計，能夠有效的降低防盜系統(tǒng)的誤報率，降低系統(tǒng)對人工判斷的依賴性，儀器被盜后也可以根據(jù)返回的位置信息和圖片信息對其進行精確定位。報警策略流程圖如圖3所示。

圖3　報警策略設(shè)計圖

1.4系統(tǒng)解除警報設(shè)計

系統(tǒng)進入報警狀態(tài)后會有產(chǎn)生持續(xù)的警報聲，同時會隔一段固定的時間（本系統(tǒng)間隔5分鐘）通過短信方式發(fā)送一次儀器的位置信息到用戶的手機[9]。

為了使模塊能夠在非被盜情況下，以及在被盜后找回情況下解除警報狀態(tài)，本系統(tǒng)中設(shè)計了兩種解除模塊報警的方式：

1）通過紅外遙控器解除模塊警報狀態(tài)，進入到正常的監(jiān)測狀態(tài)，或進入到安全模式。

2）通過手機短信來控制模塊解除警報狀態(tài)；在模塊進入警報狀態(tài)后仍然后一直檢測用戶的短信命令，通過短信發(fā)送sleep或standby可以控制模塊進入正常的監(jiān)測狀態(tài)或進入安全模式。

上述的解除報警設(shè)計可以在各種情況下對裝置進行解除報警，如圖4所示。

圖4　解除報警設(shè)計圖

2　系統(tǒng)硬件組成設(shè)計

2.1主控芯片接口設(shè)計

主控芯片引出了3個串口及一個模擬IIC接口來對片外的各模塊進行控制及通信。為了進一步的節(jié)省功耗，同時使用核心芯片的兩個引腳來對GPS與GSM的電源通斷進行控制[10]。

2.2主控芯片與加速度傳感器ADXL345的連接與通信

本設(shè)計中通過程序中配置ADXL345的寄存器使其開啟活動檢測功能，通過將其x軸、y軸上的加速度與設(shè)定的閾值比較來判斷有無運動發(fā)生，并通過其中斷輸出引腳INT1觸發(fā)核心芯片STM32F103ZET6的外部中斷，從而進入模塊的異動判斷流程[11]。

ADXL345的供電來自于核心板上的3.3 V直流電源，通過IIC協(xié)議域主控芯片進行通信。上電后，主控芯片先對ADXL345的寄存器進行配置，設(shè)定其工作方式，之后ADXL345便可監(jiān)測外界產(chǎn)生的異動并通過INT1對主控芯片觸發(fā)中斷。

2.3主控芯片與GSM模塊的連接與通信

本設(shè)計中使用“全球鷹-SIM900A”GSM模塊與用戶的手機進行通信。該模塊可實現(xiàn)語音，短信等數(shù)據(jù)傳輸功能，且支持TTL串口電平，可以非常方便的與主控芯片的串口相連通信?？赏ㄟ^AT指令集對SIM900A進行編程，控制其收發(fā)短信，并在程序中對短信內(nèi)容進行解析[12]。

為進一步節(jié)省功耗，在設(shè)計中使用圖5所示的控制電路對GSM模塊的供電進行控制。

圖5　電源控制電路圖

2.4主控芯片與GPS模塊的連接與通信

本設(shè)計中使用ATK-NEO-6M GPS模塊來實現(xiàn)儀器的定位。該模塊支持TTL電平，可通過串口與單片機進行通信，通過串口可以配置該模塊的各種參數(shù)，設(shè)定其工作方式。

同樣為了降低功耗，使用圖5中的開關(guān)電路對GPS供電進行控制，只有在異常確認后由主控芯片控制接通GPS供電，使其開始工作，其它情況下將該模塊斷電。

開機后先通過串口2對GPS模塊進行初始化，初始化完成后，GPS模塊與衛(wèi)星連接并返回位置數(shù)據(jù)，通過觸發(fā)主控芯片的串口中斷來提示單片機已經(jīng)收到了位置數(shù)據(jù)，在程序中對該位置數(shù)據(jù)提取需要的部分并發(fā)送的手機端[13]。

2.5主控芯片與攝像頭模塊的連接

本設(shè)計中采用OV公司的OV2640攝像頭模塊[14]，STM32通過其DCMI接口連接控制OV2640模塊進行環(huán)境拍照。

攝像頭模塊用于拍照，在儀器被盜后，由于GPS定位存在一定精度的問題，所以使用GPS提供的位置坐標(biāo)信息做儀器的區(qū)域定位，同時使用攝像頭拍攝的儀器周圍環(huán)境圖片做精確定位[15]。通過GPS模塊與OV2640模塊組合很好的實現(xiàn)了儀器的定位找回。

3　測試效果

3.1誤報測試

測試中以簡單的搖擺和敲擊模擬產(chǎn)生誤報的因素，監(jiān)控模塊從睡眠模式中喚醒，執(zhí)行檢測算法過濾誤報因素，并不進入被盜處理流程，過段時間后自動進入睡眠模式。

3.2報警測試

測試中以連續(xù)的異動或敲擊振動模擬被盜因素，監(jiān)控模塊從睡眠模式中喚醒，執(zhí)行檢測程序并進入被盜處理流程，主控芯片控制GSM模塊發(fā)出異動確認短信到手機端，然后等待確認，用戶回復(fù)控制命令到監(jiān)控模塊使其進入某種狀態(tài)。

測試表明，使用過濾算法后，防盜裝置的誤報問題得到很大的改善，且用戶可通過不同命令遠程操控該裝置。在使用多模式自動切換以及使用電源開關(guān)電路對GSM，GPS電源進行控制后，裝置的功耗極大的被削減，可實現(xiàn)使用鋰電池長期工作。

但由于GPS與GSM在上電后需要一段時間來啟動，所以在被觸發(fā)后GPS模塊的使用大約會有1.5分鐘的延遲，GSM模塊的使用會有約15秒延遲。

4　結(jié)束語

為實現(xiàn)野外地學(xué)儀器的防盜，設(shè)計了一套防盜且具備被盜后找回措施的嵌入式系統(tǒng)。且針對現(xiàn)有的電子防盜設(shè)施的高誤報率，交互性差，以及功耗高的問題，我們提出使用算法過濾，合理的報警策略設(shè)計來賦予防盜裝置一定的智能性。設(shè)計中使用多種工作模式自動切換以及控制GSM與GPS電源的方式來節(jié)省功耗。測試結(jié)果表明本設(shè)計消除了絕大部分的誤報，提高了可交互性，且功耗極低，達到了設(shè)計要求。

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Design of outdoor geological instrumentanti-theft system

WEI Gao-rong，SHI Wan-xin，LI Mei
（School of Information Engineering，University of Geosciences（Beijing），Beijing 100083，China）

In order to ensure the safety of the outdoor-working geological instrument，an embed anti-theft system based on GSM and GPS was designed.And to solve the high misinformation，poor interaction and high power dissipation of the ordinary anti-theft system，thereproposes a method that combines a filtering algorithm with artificial judgment to eliminate the miss tatement and improve the interactivity.Moreover，power dissipation can be decreased through using the multi-mode automatic switching and controlling the power supply of modules.Even the equipmenthas been stolen，we can find it back with the coordinate and surrounding information

by the location system.It is proved that this anti-theft system could avoid most of the misinformation，increase the interaction，realize the ultra-low power consumption and the stolen equipment retrievement.

instrument anti-theft；GSM；GPS；acceleration sensor

TN709

A

1674－6236（2016）21-0092-03

2016-03-14稿件編號：201603165

國家自然科學(xué)基金項目（41572347）

魏高榮（1991—），男，內(nèi)蒙古包頭人，碩士研究生。研究方向：嵌入式技術(shù)與應(yīng)用開發(fā)。