涉密場所的智能監(jiān)控和檔案管理系統(tǒng)

摘要：本項目利用ARM架構(gòu)微處理器、ZigBee物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、RFID高頻技術(shù)、多種高精度傳感器、蟻群算法打造出一款具有智能化監(jiān)控能力和高效能檔案管理系統(tǒng)。旨在解決當(dāng)今涉密場所監(jiān)控管理方面受人為因素影響嚴(yán)重、管理成本高等問題。

關(guān)鍵字：ARM處理器;ZigBee技術(shù);RFID技術(shù);檔案管理

1.項目研究背景

1.1研究意義

涉密場所的管理與安全監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)系著國家、企業(yè)各項涉密資料、設(shè)備的安全，在保證社會安定和企業(yè)發(fā)展的方面起著非常重要的作用。而涉密場所對安全性能的要求更加高。本項目立足于此，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)高精度的智能化監(jiān)控和高效率的檔案管理系統(tǒng)。

1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

（1）1999年，洛克菲勒大學(xué)把射頻識別技術(shù)引入到圖書館的檔案管理系統(tǒng)之中。

（2）2004年，荷蘭NBD Biblion公司免費為圖書館訂制RFID標(biāo)簽。

（3）2009年，我國首次提出實施“感知中國”的信息化構(gòu)想。

（4）2012年，政府制定《物聯(lián)網(wǎng)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》的方案，旨在推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。

（5）國內(nèi)安全監(jiān)控及檔案管理系統(tǒng)大多采用人工管理模式，監(jiān)控能力不夠強大。

1.3傳統(tǒng)方案缺陷

（1）布線復(fù)雜，設(shè)備龐雜。傳統(tǒng)的安防監(jiān)控系統(tǒng)通常是在有線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上進(jìn)行搭建，布線非常復(fù)雜，攝像頭、傳感器、報警器等設(shè)備都要布線到總監(jiān)控室，當(dāng)這些傳輸電纜或線路被破壞之后，整個監(jiān)控系統(tǒng)就將會處于癱瘓狀態(tài)。

（2）設(shè)備之間關(guān)聯(lián)性差。傳統(tǒng)的安防監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備與設(shè)備間的關(guān)聯(lián)性較差，各個功能性設(shè)備之間沒有聯(lián)動預(yù)警功能，所有預(yù)警信息都是先傳輸?shù)街行奶幚砥鳎缓笤儆芍行奶幚砥鞣职l(fā)指令到各功能節(jié)點，一旦CPU被破壞，整個系統(tǒng)都會因此癱瘓。

（3）報警功能單一。視頻監(jiān)控系統(tǒng)只能由人力實時監(jiān)控報警，紅外入侵檢測系統(tǒng)只能實現(xiàn)入侵檢測報警，這些功能單一的系統(tǒng)只能實現(xiàn)某一部分安防監(jiān)控功能，沒有能夠集合這些功能的綜合系統(tǒng)。

2.系統(tǒng)總體方案設(shè)計

基于Stm32F407的核心控制及檔案存儲管理系統(tǒng)包括Stm32F407核心控制模塊、高精度環(huán)境監(jiān)測模塊、檔案信息識別存儲及管理模塊、ZigBee物聯(lián)網(wǎng)短程通信模塊、遠(yuǎn)程通信模塊和聯(lián)動報警模塊。核心控制模塊作為整個系統(tǒng)的控制中心，向外分支出數(shù)個傳感器結(jié)點，主控板和各個傳感器結(jié)點上均載有一塊CC2530芯片用于短程通信。

向外散布的各個結(jié)點分別是用于監(jiān)測涉密環(huán)境的溫度、濕度、聲音等環(huán)境變量的各類高精度傳感器，用于檢測進(jìn)入涉密場所的人員信息以及涉密場所存儲的資料信息的RFID高頻信息識別系統(tǒng)，用于對異常因素作出反應(yīng)的報警系統(tǒng)。

基于Stm32F407的核心控制及檔案存儲管理系統(tǒng)組成如圖1所示。

3.系統(tǒng)硬件方案設(shè)計

涉密場所的監(jiān)測系統(tǒng)由Stm32F407作為整個系統(tǒng)的控制中樞，Stm32F407是一款A(yù)RM架構(gòu)的32位單片機(jī)，主頻高達(dá)168MHZ，性能卓越，可以高速分析處理各類高精度傳感器的數(shù)據(jù)，流暢處理攝像頭數(shù)據(jù)，具有各種通信協(xié)議的硬件接口。ZigBee物聯(lián)通信技術(shù)作為本系統(tǒng)的主要通信方式，所用芯片是德州儀器公司的CC2530芯片。

高精度傳感器包括溫度、濕度、PH值、聲音傳感器，攝像頭。在檢測到涉密場所內(nèi)溫度濕度異常時會向主機(jī)發(fā)送異常信號，主機(jī)接收后會打開室內(nèi)攝像頭，并向上位機(jī)發(fā)出警告信息與監(jiān)控信息。涉密場所內(nèi)聲音過大時會由警報器發(fā)出1秒的警告信號，如果聲音信息經(jīng)過相應(yīng)算法分析出是蓄意破壞或非法闖入，警報器會立刻展開報警，并自動將涉密場所死鎖，發(fā)送信息到監(jiān)控室上位機(jī)，通知安保人員。

RFID 是 Radio Frequency Identification 的縮寫，又稱為射頻識別。它借助射頻電磁波與貼有電子標(biāo)簽（Tag）的物體進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，從而得到物體的相關(guān)信息，實現(xiàn)對物體的識別。有源標(biāo)簽的特點：工作頻段很高，能夠在很遠(yuǎn)出進(jìn)行讀寫識別，通信速率快。

本項目使用RFID電子標(biāo)簽標(biāo)記各涉密檔案以及身份卡信息。所有信息都有兩份，一份存儲于主控板上的SRAM芯片中，這種芯片擁有穩(wěn)定性好，掉電不丟失等優(yōu)點，另一份存儲在上位機(jī)數(shù)據(jù)庫中。硬件電路的設(shè)計如圖2所示。

4.系統(tǒng)無線通信方案設(shè)計

無線通信具有一些固有的缺陷，在通信過程中發(fā)射和接收過程有可能會受到別處信號的干擾，導(dǎo)致信號錯亂，因此需要制定通信協(xié)議來保證收發(fā)數(shù)據(jù)的正確性，所以在主從機(jī)之間選用MODBUS通信協(xié)議來保證通信的正常。

MODBUS協(xié)議是一個master/slave架構(gòu)的協(xié)議。在整個MODBUS系統(tǒng)中，有一個通信結(jié)點是主機(jī)節(jié)點，其他的使用Modbus協(xié)議參與通信的結(jié)點是從機(jī)節(jié)點。每一個從機(jī)都有唯一的地址。MODBUS協(xié)議通信方式是主機(jī)發(fā)送一次數(shù)據(jù)，從機(jī)在接收到后回復(fù)給主機(jī)一次數(shù)據(jù)表示接收成功，在工業(yè)控制中只設(shè)置一個主機(jī)，主機(jī)發(fā)送指令給從機(jī)，從機(jī)再依次返回消息給主機(jī)，從機(jī)不會發(fā)消息給主機(jī)。MODBUS協(xié)議幀結(jié)構(gòu)如圖3所示

協(xié)調(diào)器結(jié)點負(fù)責(zé)管理整個通信系統(tǒng)，它負(fù)責(zé)建立與控制維護(hù)通信網(wǎng)絡(luò)，在新的設(shè)備結(jié)點加入時會為其分配地址，同時負(fù)責(zé)結(jié)點數(shù)據(jù)更新的任務(wù)，同時處理收到的數(shù)據(jù)，通過UART串口通信將數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器。協(xié)調(diào)器處理流程圖如圖4所示。

5.系統(tǒng)軟件方案設(shè)計

軟件部分同樣分為四大模塊：核心控制模塊、場所監(jiān)控模塊、聯(lián)動報警模塊、通信模塊。

核心控制模塊任務(wù)主要為身份及權(quán)限檢測、文檔管理、異常信息分析、人際交互、結(jié)點通信。

檔案管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示

場所監(jiān)控模塊包含了大量傳感器，各傳感器結(jié)構(gòu)如圖6所示。

聯(lián)合報警模塊在主控中心識別到下列任一異常信息時都會發(fā)出相對應(yīng)的報警信息。

報警元素：溫度異常、濕度異常、煙霧異常、人數(shù)異常、人員異常、門鎖異常、檔案鎖柜異常、檔案缺失、檔案違規(guī)獲取、檔案逾期未還、檔案位置異常、結(jié)點損壞、結(jié)點離線、ZigBee通信異常、聯(lián)網(wǎng)異常、越權(quán)進(jìn)入、越權(quán)獲取資料、權(quán)限卡使用者身份異常。

通信模塊主要包括了兩種通信方式，一種是基于ZigBee的短程通信網(wǎng)絡(luò)，用于統(tǒng)籌聯(lián)絡(luò)涉密場所里的各個結(jié)點。另一種是MODBUS，用于核心控制中心與上位機(jī)的通信。

通過基于ARM和ZigBee技術(shù)的涉密場所系統(tǒng)中的場所監(jiān)控模塊可以獲得大量的場所環(huán)境數(shù)據(jù)以及存儲文檔數(shù)據(jù)，對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行蟻群優(yōu)化處理，得到是否發(fā)生異常的分析結(jié)果，可根據(jù)分析結(jié)果反饋終端系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)控。

使用蟻群優(yōu)化算法將采集終端的放置賦予權(quán)重，再結(jié)合場所內(nèi)各傳感器的測量數(shù)據(jù)，該算法要求遍歷各值，求取最短路徑，在有一個路線且不允許重復(fù)的情況下，會出現(xiàn)不在路線上的點，那么此點作為誤差點被剔除。在經(jīng)過多次優(yōu)化后得到的數(shù)據(jù)為最優(yōu)數(shù)據(jù)。服務(wù)器將根據(jù)數(shù)據(jù)和時間擬合出函數(shù)圖像與和云端專家提供的圖像對比。若得到的函數(shù)圖像超出合理誤差范圍，系統(tǒng)會給出警告，并提出合理的參考方案。

6.結(jié)論

相比于傳統(tǒng)的監(jiān)控及檔案管理系統(tǒng)，本套系統(tǒng)具有傳統(tǒng)系統(tǒng)無法比擬的高可靠性與易用性。智能監(jiān)控部分由高性能MCU自動控制，受到異常情況觸發(fā)時會立刻反應(yīng)，可靠性遠(yuǎn)高于人工檢測。檔案管理系統(tǒng)使用優(yōu)秀的數(shù)據(jù)庫管理算法，能夠較好的管理現(xiàn)有檔案，對檔案分門別類。本系統(tǒng)能夠很好地實現(xiàn)對涉密場所的監(jiān)控和場所內(nèi)部涉密文檔的管理。

作者簡介：

戴進(jìn)（2000-），男，漢族，江蘇泰州人，揚州大學(xué)本科在讀，電子信息工程方向。

基金項目：

2020年江蘇省大學(xué)生實踐創(chuàng)新訓(xùn)練項目（X20200409）。

參考文獻(xiàn)：

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