基于樹莓派的自動售貨機(jī)安保系統(tǒng)

李根+趙錦

摘要：鑒于樹莓派具有處理能力強(qiáng)、運(yùn)算速度快、超低功耗和片上資源豐富等特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了基于樹莓派的自動售貨機(jī)安保系統(tǒng)。該系統(tǒng)既可以監(jiān)測暴力破壞盜竊行為也可以監(jiān)測技術(shù)開鎖盜竊行為。當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測到盜竊信息時， 撥打管理人員電話，啟動現(xiàn)場報(bào)警裝置，同時將被盜信息和現(xiàn)場圖片上傳給上位機(jī)，工作人員根據(jù)上位機(jī)上的信息進(jìn)行相應(yīng)處理。該系統(tǒng)功能完善， 能實(shí)現(xiàn)自動售貨機(jī)的安防功能， 具有較高的實(shí)用價值。

關(guān)鍵詞：自動售貨機(jī)；技術(shù)開鎖盜竊；暴力破壞盜竊；樹莓派；遠(yuǎn)程操控

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）34-0037-04

Abstract： In this paper， vending machine security system Based on Raspberry Pi was designed because Raspberry Pi has some advantages such as strong processing ability， fast operation speed， low power consumption and rich resources on chip et. The system can detect the stealing information that was produced by violent destruction or unlocking by technical means. When the system detects any stealing information it will phone the manager， start the alarm device， and send the stolen information and the on-site photographs to the host computer. The manager can carry out corresponding treatment according to the information accepted by the host computer. This system can realize the vending machine security function， in which the practical value of this design is well exhibited.

Key words： vending machine；crime of unlocking by technical means；crime of violent destruction；Raspberry Pi；remote control

隨著人工智能的發(fā)展，自動售貨機(jī)由于節(jié)省人力成本，擺放位置不限，使用方便等優(yōu)點(diǎn)，受到了運(yùn)營商和消費(fèi)者的一致青睞。目前在醫(yī)院、學(xué)校、地鐵站、公園、街邊等公共場所都有自動售貨機(jī)的身影，可以說自動售貨機(jī)已經(jīng)成為現(xiàn)代生活的一部分。但由于無人值守，自動售貨機(jī)經(jīng)常會發(fā)生打砸等暴力破壞以及技術(shù)開鎖盜竊事件，讓運(yùn)營商苦不堪言。通過智能控制系統(tǒng)對現(xiàn)場的盜竊信號進(jìn)行采集并通過無線網(wǎng)絡(luò)向后臺管理人員發(fā)送信息可以很好地解決這一問題。但目前的盜竊信號采集主要集中在暴力打砸進(jìn)行的盜竊，針對技術(shù)開鎖進(jìn)行的盜竊研究較少[1，2]，且使用的主控中心多為單片機(jī)，硬件安裝和操作都比較麻煩[3，4]；管理人員接收被盜信號時，無法進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，因此如果發(fā)現(xiàn)誤報(bào)警，無法直接關(guān)閉現(xiàn)場報(bào)警裝置，即便是真的有盜竊行為發(fā)生，也不能第一時間進(jìn)行處理。

通過以上分析，我們開發(fā)了基于樹莓派的自動售貨機(jī)安保系統(tǒng)。該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于采用樹莓派3代 B+作為主控中心，相比于單片機(jī)或者DSP的片上編程，樹莓派可以運(yùn)行Linux或者windows系統(tǒng)，具有處理能力強(qiáng)、運(yùn)算速度快、超低功耗和片上資源豐富等特點(diǎn)，具有明顯的優(yōu)勢[5，6]。另外本系統(tǒng)既可以監(jiān)測暴力破壞盜竊行為也可以監(jiān)測技術(shù)開鎖盜竊行為，并能通過現(xiàn)場報(bào)警裝置和后臺管理人員的處理及時終止盜竊行為。該系統(tǒng)智能程度高，安全可靠，可全方位保護(hù)自動售貨機(jī)的安全，因此該技術(shù)具有很大的商業(yè)潛力。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及原理

該系統(tǒng)包括現(xiàn)場中控端和上位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控端兩部分，現(xiàn)場中控端包括信號采集模塊、主控中心模塊、SIM模塊、現(xiàn)場報(bào)警模塊，其中主控中心模塊里包括了盜竊信號識別模塊和無線模塊。上位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控端包括手機(jī)端和PC端。

信號采集模塊包括振動傳感器陣列、磁力開關(guān)和攝像頭。振動傳感器陣列用于采集售貨機(jī)受到撞擊時產(chǎn)生的振動信號。振動傳感器使用高靈敏震動傳感器SW-1801P報(bào)警感應(yīng)模塊， 在本設(shè)計(jì)中由于要求對于振動傳感的準(zhǔn)確性，所以不能使用單個傳感器，要使用多個傳感器進(jìn)行組網(wǎng)，組成一個傳感器陣列，來監(jiān)測自動售貨機(jī)不同部位的振動強(qiáng)度。磁力開關(guān)用于采集門被打開時產(chǎn)生的電信號，磁力開關(guān)模塊所用的傳感器的原理非常簡單，通過感應(yīng)磁場的有無，輸出不同的信號。當(dāng)在傳感器位于磁場的范圍內(nèi)，一直輸出高電平的信號，當(dāng)傳感器離開磁場，則輸出低電平的信號，所以我們通過監(jiān)測傳感器輸出的信號，來間接監(jiān)測門是否打開。攝像頭用于采集現(xiàn)場的圖像。

盜竊信號識別模塊對采集來的信號進(jìn)行識別，來確定是否存在暴力破壞盜竊行為或技術(shù)開鎖盜竊行為。振動傳感器仲裁機(jī)制用于識別是否存在暴力破壞盜竊行為，傳感器仲裁機(jī)制根據(jù)不同位置的振動傳感器振動信號有不同的加權(quán)值對所采集的振動信號進(jìn)行分析，當(dāng)這些傳感器陣列采集到的振動信號加權(quán)后的值超過警戒值，傳感器仲裁機(jī)制，將其判定為暴力破壞盜竊行為。身份識別模塊用來識別是否存在技術(shù)開鎖盜竊行為，在樹莓派這一端，我們在Python上設(shè)定全局變量，身份認(rèn)證標(biāo)識位，這個變量只有在接受上位機(jī)正確的命令的時候才能被使能。當(dāng)識別到售貨機(jī)的門被打開，樹莓派就會掃描該標(biāo)識位，如果這個位被使能了，那么樹莓派不會報(bào)警，如果這個位未被使能，樹莓派就會發(fā)生報(bào)警行為。

主控中心接收到信號識別模塊上傳的盜竊信號后發(fā)出報(bào)警指令，啟動SIM模塊撥打后臺管理人員的電話，同時進(jìn)行現(xiàn)場報(bào)警閃光燈報(bào)警，并通過無線網(wǎng)絡(luò)將現(xiàn)場圖片上傳給上位機(jī)。

上位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控端包括手機(jī)端和PC端，后臺管理人員接到主控中心打來的電話，在上位機(jī)通過無線網(wǎng)絡(luò)調(diào)取現(xiàn)場圖片信息并進(jìn)行遠(yuǎn)程管理，實(shí)現(xiàn)對自動售貨機(jī)的遠(yuǎn)程操控。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)置

2.1 磁力開關(guān)

如圖2所示，磁力開關(guān)有三個接口，一個是VCC，一個為GND，另一個為OUT，是輸出信號。樹莓派給磁力開關(guān)供電，并通過樹莓派上的GIOP接口從磁力開關(guān)的OUT口得到門的開、關(guān)信號。圖3為磁力開關(guān)與樹莓派的接線圖。

2.2 振動傳感器陣列

振動傳感器使用高靈敏振動傳感器SW-1801P報(bào)警感應(yīng)模塊，該傳感器使用監(jiān)測方式依然設(shè)定GPIO口為輸入模式。由于要求對于振動傳感的準(zhǔn)確性，所以不能使用單個傳感器，在這里共使用四個振動傳感器組成陣列。如圖4所示振動傳感器一共需要用3個引腳，需要給定5V的電源，另一端為信號輸出，原理同磁力開關(guān)傳感器。四個振動傳感器與樹莓派的接線如圖5所示。

2.3 報(bào)警閃光燈及繼電器模塊

為了控制報(bào)警閃光燈我們引入繼電器模塊，當(dāng)我們的樹莓派給出報(bào)警信號，繼電器模塊，會讓電路連通，報(bào)警燈開始工作，當(dāng)我們的樹莓派沒有給信號，電路一直處于斷開狀態(tài)，報(bào)警燈沒有電就不工作。

我們把繼電器和報(bào)警燈組合起來，然后從繼電器中引出一根信號線接到樹莓派上面，樹莓派可以通過一根信號線來控制報(bào)警燈的通斷了。

2.4 攝像頭模塊

本系統(tǒng)采用有線的具有CSI接口的攝像頭來實(shí)現(xiàn)圖像信息的采集，樹莓派上設(shè)置有CSI接口，攝像頭可通過該接口直接與樹莓派相連。圖7為攝像頭模塊的實(shí)物圖。

2.5 聲音播放設(shè)備

聲音播放，就如同我們的音響，也是直接插在樹莓派的音頻接口即可，樹莓派的硬件上集成了聲卡，并自帶聲卡驅(qū)動。

2.6 SIM模塊的硬件設(shè)計(jì)

SIM模塊如圖8所示，從圖中可以看出，SIM模塊通過串口進(jìn)行通信，所以在樹莓派上面還需要增加一個USB轉(zhuǎn)串口的工具。然后樹莓派通過USB和串口相連，我們通過串口協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)給AT指令給SIM模塊，讓SIM模塊，撥打電話，發(fā)短信，掛斷電話等等。

3 軟件關(guān)鍵技術(shù)和流程設(shè)計(jì)

3.1 磁力開關(guān)的軟件設(shè)計(jì)

圖9為磁力開關(guān)開門和關(guān)門時信號輸出的信號抓取，在中線處可以信號顯示出一個上升沿，我們在軟件中抓取這個上升沿，即可監(jiān)測門是否被打開。

3.3 軟件總流程

為了更高效的利用樹莓派，提升整體性能，我們啟用了Python的多線程編程模式，一共啟用了四個個線程。圖10為軟件總流程圖。

當(dāng)系統(tǒng)開始工作后整個系統(tǒng)進(jìn)行初始化，四個線程均處初始化狀態(tài)，各線程工作流程如下：

線程1：通過磁力開關(guān)對門是否開啟進(jìn)行監(jiān)測，若監(jiān)測到門未打開則繼續(xù)監(jiān)測，當(dāng)監(jiān)測到門已經(jīng)打開，則進(jìn)行下一步身份識別，如果身份已通過認(rèn)證，則返回到開門監(jiān)測狀態(tài)，如果身份未通過認(rèn)證，則發(fā)出報(bào)警信號。

線程2：對振動傳感器進(jìn)行掃描，將振動信號傳給傳感器仲裁機(jī)制進(jìn)行分析，如果傳感器未使能，說明自動售貨機(jī)沒有受到暴力破壞，則返回振動傳感器掃描狀態(tài)。如果傳感器使能，證明有暴力破壞行為存在，則發(fā)出報(bào)警信號。

主控中心接收到線路1或2發(fā)出的報(bào)警信號后，隨即開啟報(bào)警指令，SIM模塊開始撥打后臺工作人員電話，啟動現(xiàn)場報(bào)警裝置，音箱開始播放語音警告，報(bào)警閃光燈開始報(bào)警，同時驅(qū)動無線模塊給上位機(jī)發(fā)送報(bào)警信息。

線程3：等待上位機(jī)發(fā)出指令。當(dāng)上位機(jī)接收到報(bào)警信息后，通過無線模塊向主控中心發(fā)出調(diào)取現(xiàn)場圖像的指令，線程3接收指令后向線路4發(fā)出拍照指令。

線程4：線程4等待線程3發(fā)出的拍照指令。當(dāng)線程4接收到線程3發(fā)出的拍照指令后，啟動攝像頭拍攝照片并通過無線模塊上傳至上位機(jī)。

當(dāng)上位機(jī)接收到報(bào)警指令后，后臺管理人員通過上位機(jī)調(diào)取現(xiàn)場圖片，進(jìn)一步確認(rèn)是否存在盜竊行為，如果是誤報(bào)警則可以通過上位機(jī)向主控中心發(fā)出停止報(bào)警指令。如果確實(shí)有盜賊正在實(shí)施盜竊，可通過上位機(jī)者向現(xiàn)場喊話，或者采取其他措施及時終止盜竊行為，緝拿盜賊。

4 結(jié)束語

所開發(fā)的基于樹莓派的自動售貨機(jī)安保系統(tǒng)，采用樹莓派作為主控中心具有硬件安裝方便、開發(fā)周期短、成本低、防盜性能好等優(yōu)點(diǎn)具有很好的實(shí)際應(yīng)用價值。

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