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(jì)

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(shí)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(jì)。且為解決一般防盜系統(tǒng)出現(xiàn)的高誤報(bào)率、交互性差以及高功耗問題，設(shè)計(jì)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(bào)，提高可交互性；采用多種工作模式自動(dòng)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(shí)現(xiàn)儀器被盜后找回。試驗(yàn)證明，該系統(tǒng)在很大程度上避免了誤報(bào)，提高了可交互性，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的超低功耗，且設(shè)計(jì)的被盜反制措施可實(shí)現(xiàn)儀器被盜后找回。

儀器防盜；GSM；GPS；加速度傳感器

為了實(shí)時(shí)監(jiān)測一些地質(zhì)活動(dòng)，采集地學(xué)信號進(jìn)行分析，通常需要將一些地學(xué)儀器長時(shí)間的防止到野外工作。由于這些儀器價(jià)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(jì)損失。為了預(yù)防此類情況的發(fā)生，本設(shè)計(jì)針對地學(xué)儀器設(shè)計(jì)了一套電子嵌入式防盜系統(tǒng)。

本設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)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(bào)率，交互性差，高功耗問題，通過算法設(shè)計(jì)、報(bào)警策略設(shè)計(jì)和電路設(shè)計(jì)得到了一套行之有效的解決方案。同時(shí)設(shè)計(jì)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(dòng)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(jìn)行測試[2]。

1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)與框架架構(gòu)

1.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中采用STM32F103ZET6作為主控芯片，使用加速度傳感器對儀器的異動(dòng)信息進(jìn)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(shí)現(xiàn)與用戶手機(jī)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(bào)警裝置進(jìn)行聲音示警，系統(tǒng)設(shè)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

1.2系統(tǒng)模式設(shè)計(jì)

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

1）系統(tǒng)剛上電啟動(dòng)后處于監(jiān)測模式，如果在設(shè)定的一段時(shí)間內(nèi)有異動(dòng)發(fā)生，則按照設(shè)計(jì)的系統(tǒng)報(bào)警策略進(jìn)行判斷，若判斷為被盜，則進(jìn)入報(bào)警模式；如果在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)沒有任何異動(dòng)發(fā)生，則系統(tǒng)自動(dòng)切換到睡眠模式。

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

3）在正常移動(dòng)儀器時(shí)，需要監(jiān)控模塊停止檢測，在設(shè)計(jì)中，通過紅外遙控的按鍵操作使監(jiān)控模塊進(jìn)入待機(jī)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(dòng)喚醒。喚醒后重新進(jìn)入監(jiān)測模式[6]。

系統(tǒng)通過4種工作模式的自動(dòng)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(bào)警策略設(shè)計(jì)

為了解決普通防盜系統(tǒng)普遍存在的誤報(bào)率高，以及實(shí)時(shí)性差的問題，本設(shè)計(jì)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(jì)，使監(jiān)控模塊能對儀器產(chǎn)生異動(dòng)的一些情況進(jìn)行初步分析，并作出判斷，無需人工進(jìn)行干預(yù)，改善了誤報(bào)情況。

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

對第一次過濾后仍存在的異動(dòng)情況，系統(tǒng)要進(jìn)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(dòng)消息到研究人員綁定的手機(jī)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(dòng)，可通過短信回復(fù)sleep命令使監(jiān)控模塊忽略本次異動(dòng)；

2）如果是研究人員授權(quán)他人移動(dòng)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(dòng)儀器，則研究人員也可判斷此異動(dòng)為合法異動(dòng)，通過短信回復(fù)standby命令使監(jiān)控模塊忽略本次異動(dòng)，同時(shí)進(jìn)入安全模式而不再檢測異動(dòng)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(jìn)入報(bào)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(shí)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(jī)端。

通過以上所述的系統(tǒng)報(bào)警策略設(shè)計(jì)，能夠有效的降低防盜系統(tǒng)的誤報(bào)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(jìn)行精確定位。報(bào)警策略流程圖如圖3所示。

圖3　報(bào)警策略設(shè)計(jì)圖

1.4系統(tǒng)解除警報(bào)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)進(jìn)入報(bào)警狀態(tài)后會有產(chǎn)生持續(xù)的警報(bào)聲，同時(shí)會隔一段固定的時(shí)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(jī)[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(bào)狀態(tài)，本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了兩種解除模塊報(bào)警的方式：

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

2）通過手機(jī)短信來控制模塊解除警報(bào)狀態(tài)；在模塊進(jìn)入警報(bào)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(jìn)入正常的監(jiān)測狀態(tài)或進(jìn)入安全模式。

上述的解除報(bào)警設(shè)計(jì)可以在各種情況下對裝置進(jìn)行解除報(bào)警，如圖4所示。

圖4　解除報(bào)警設(shè)計(jì)圖

2　系統(tǒng)硬件組成設(shè)計(jì)

2.1主控芯片接口設(shè)計(jì)

主控芯片引出了3個(gè)串口及一個(gè)模擬IIC接口來對片外的各模塊進(jìn)行控制及通信。為了進(jìn)一步的節(jié)省功耗，同時(shí)使用核心芯片的兩個(gè)引腳來對GPS與GSM的電源通斷進(jìn)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(jì)中通過程序中配置ADXL345的寄存器使其開啟活動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(jìn)入模塊的異動(dòng)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(jìn)行通信。上電后，主控芯片先對ADXL345的寄存器進(jìn)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(dòng)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(jì)中使用“全球鷹-SIM900A”GSM模塊與用戶的手機(jī)進(jìn)行通信。該模塊可實(shí)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。可通過AT指令集對SIM900A進(jìn)行編程，控制其收發(fā)短信，并在程序中對短信內(nèi)容進(jìn)行解析[12]。

為進(jìn)一步節(jié)省功耗，在設(shè)計(jì)中使用圖5所示的控制電路對GSM模塊的供電進(jìn)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(jì)中使用ATK-NEO-6M GPS模塊來實(shí)現(xiàn)儀器的定位。該模塊支持TTL電平，可通過串口與單片機(jī)進(jìn)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(jìn)行控制，只有在異常確認(rèn)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(jī)后先通過串口2對GPS模塊進(jìn)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(jī)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(jī)端[13]。

2.5主控芯片與攝像頭模塊的連接

本設(shè)計(jì)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(jìn)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(shí)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(shí)現(xiàn)了儀器的定位找回。

3　測試效果

3.1誤報(bào)測試

測試中以簡單的搖擺和敲擊模擬產(chǎn)生誤報(bào)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(bào)因素，并不進(jìn)入被盜處理流程，過段時(shí)間后自動(dòng)進(jìn)入睡眠模式。

3.2報(bào)警測試

測試中以連續(xù)的異動(dòng)或敲擊振動(dòng)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(jìn)入被盜處理流程，主控芯片控制GSM模塊發(fā)出異動(dòng)確認(rèn)短信到手機(jī)端，然后等待確認(rèn)，用戶回復(fù)控制命令到監(jiān)控模塊使其進(jìn)入某種狀態(tài)。

測試表明，使用過濾算法后，防盜裝置的誤報(bào)問題得到很大的改善，且用戶可通過不同命令遠(yuǎn)程操控該裝置。在使用多模式自動(dòng)切換以及使用電源開關(guān)電路對GSM，GPS電源進(jìn)行控制后，裝置的功耗極大的被削減，可實(shí)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(shí)間來啟動(dòng)，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(shí)現(xiàn)野外地學(xué)儀器的防盜，設(shè)計(jì)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(bào)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(bào)警策略設(shè)計(jì)來賦予防盜裝置一定的智能性。設(shè)計(jì)中使用多種工作模式自動(dòng)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(jì)消除了絕大部分的誤報(bào)，提高了可交互性，且功耗極低，達(dá)到了設(shè)計(jì)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(xiàng)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)。