史良

一、選題緣由

在偵查工作中，確定案件的發(fā)案時(shí)間至關(guān)重要，不同的發(fā)案時(shí)間將直接導(dǎo)致不同的偵查方式和警力、警種的配置與部署。同時(shí)，規(guī)?；占瘻?zhǔn)確發(fā)案時(shí)間信息，結(jié)合犯罪嫌疑人的作案手法、進(jìn)出方式、侵害目標(biāo)等信息，可以極大地提高串并案件的準(zhǔn)確性，為后期擴(kuò)展偵查線索、打擊流竄犯罪、信息研判及案件高危預(yù)警等工作起到重要的技術(shù)支撐作用。

有關(guān)痕跡檢驗(yàn)研究，都是以區(qū)分技術(shù)開(kāi)鎖類型和判斷留痕部位這兩個(gè)方向?yàn)橹?，尚無(wú)從異常開(kāi)鎖行為發(fā)生的時(shí)間角度進(jìn)行思考的。我們知道，由于入室作案現(xiàn)場(chǎng)的特殊性，絕大多數(shù)發(fā)案現(xiàn)場(chǎng)均無(wú)現(xiàn)場(chǎng)目擊者，絕大多數(shù)家庭也沒(méi)有在自己家門口安裝架設(shè)攝像探頭（即使安裝架設(shè)了攝像頭，犯罪行為人也往往會(huì)先破壞攝像監(jiān)控再作案），所以，發(fā)案后公安機(jī)關(guān)更多地是通過(guò)受害人等相關(guān)人員最后一次進(jìn)出現(xiàn)場(chǎng)的時(shí)間來(lái)推斷發(fā)案的可能時(shí)間段。發(fā)案時(shí)間作為一種犯罪行為要素，是證實(shí)犯罪關(guān)鍵證據(jù)。如何有效收集利用犯罪行為人的發(fā)案時(shí)間信息，是偵查工作的重要內(nèi)容之一。

本文在前期針對(duì)不同方式非正常開(kāi)鎖方式、留痕部位研究的基礎(chǔ)上，對(duì)鎖具異常開(kāi)啟的傳感信息指標(biāo)進(jìn)行了進(jìn)一步研究。設(shè)計(jì)了一種對(duì)異常開(kāi)鎖信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)并記錄監(jiān)測(cè)時(shí)間的方案，獲得異常開(kāi)鎖行為發(fā)生的時(shí)間，為案件發(fā)生后的偵破工作提供支撐，節(jié)約排查工作時(shí)間，提高工作效率。

查閱涉及這個(gè)問(wèn)題的相關(guān)文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)其中的技術(shù)方案［1］710-715都局限于檢測(cè)異常開(kāi)鎖場(chǎng)景的單一信息，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)多傳感器信息融合。因此，如果遇到開(kāi)鎖人預(yù)先破壞，檢測(cè)的信息傳輸通道就會(huì)失效。異常開(kāi)鎖涉及的信息較多，如開(kāi)鎖時(shí)間、震動(dòng)、壓力、開(kāi)鎖人的接近，以及開(kāi)鎖人的面部圖像等信息均是現(xiàn)場(chǎng)第一手資料，其中任意一個(gè)信息均可作為判斷發(fā)案時(shí)間的參考。而如果能夠收集到多個(gè)信息，則可以大大提高判斷發(fā)案時(shí)間的準(zhǔn)確率。因此，開(kāi)發(fā)一種采用多傳感器記錄異常開(kāi)鎖系統(tǒng)的研究具有創(chuàng)新價(jià)值，有助于公安機(jī)關(guān)減少物證信息獲取時(shí)間，震懾潛在不法分子，更好地保護(hù)國(guó)家、集體和個(gè)人的財(cái)產(chǎn)安全，維護(hù)社會(huì)治安穩(wěn)定。

二、門鎖的分類、結(jié)構(gòu)和開(kāi)鎖原理

門鎖，一直是防盜的關(guān)鍵。從古老的門栓到現(xiàn)代的電子鎖，破鎖技術(shù)和防盜鎖技術(shù)一直相互交替上升、更迭。目前市面上流通的鎖具（入戶鎖）主要分為兩類：機(jī)械鎖和電子鎖。

在機(jī)械鎖中，彈子鎖是最常見(jiàn)的鎖具結(jié)構(gòu)，其原理是在鎖內(nèi)使用一排（對(duì)應(yīng)單牙花鑰匙）或多排（對(duì)應(yīng)十字牙花鑰匙、一字鎖鑰匙）孔槽，在孔槽的垂直方向再開(kāi)鑿一定數(shù)量的孔洞（每個(gè)孔洞對(duì)應(yīng)鑰匙牙花個(gè)數(shù)，一般為5 個(gè)以上）并且孔洞深度貫穿鎖體和鎖芯。在每個(gè)孔洞內(nèi)放入兩個(gè)不同長(zhǎng)度的圓柱體（即彈子），并在孔洞的鎖體一端放置彈簧。

當(dāng)鎖內(nèi)彈子呈特定的排列形態(tài)時(shí)（與原配鑰匙牙花一致），所有鎖體、鎖芯孔洞內(nèi)的兩個(gè)彈子的間隙均在同一位置時(shí)，這時(shí)鎖芯可以轉(zhuǎn)動(dòng)，鎖具開(kāi)啟。反之，當(dāng)鎖內(nèi)彈子呈不符合特定的排列狀態(tài)時(shí)，彈子橫亙?cè)谪炌ㄦi芯和鎖體的孔洞中造成鎖芯無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)，鎖具無(wú)法開(kāi)啟。

所以，針對(duì)彈子鎖的工作原理，開(kāi)鎖技術(shù)也應(yīng)運(yùn)而生。無(wú)論是梳齒（萬(wàn)能鑰匙）開(kāi)鎖工具的制作（使用特定工具將鎖內(nèi)彈子全部壓入鎖體孔洞內(nèi)，使鎖芯轉(zhuǎn)動(dòng)），還是勾狀工具的使用（用鉤子反復(fù)劃撥插孔動(dòng)內(nèi)的彈子，同時(shí)持續(xù)施加鎖芯轉(zhuǎn)動(dòng)方向的力量，利用彈子與孔洞之間的間隙使鎖芯轉(zhuǎn)動(dòng)［2］［3］［4］），亦或是現(xiàn)在最廣泛使用的錫紙開(kāi)鎖（將平整錫紙插入無(wú)牙花鑰匙，反復(fù)晃動(dòng)鑰匙，讓鎖內(nèi)彈子緩慢并持續(xù)落在錫紙上，當(dāng)彈子間隙同一的臨界點(diǎn)到達(dá)時(shí)，由于持續(xù)的晃動(dòng)，鎖芯即刻被轉(zhuǎn)動(dòng)［5］）。這都是采用不同的方式將彈子的特定排列方式篩選出來(lái)，達(dá)到轉(zhuǎn)動(dòng)鎖芯的目的。

電子門鎖的結(jié)構(gòu)可簡(jiǎn)單分為電子系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)和繼電器三個(gè)部分。其中電子系統(tǒng)的工作原理是通過(guò)接收用戶的密碼或生物特征（指紋、人臉、虹膜和聲紋等［6］）信息，與前期儲(chǔ)存的密碼或生物特征進(jìn)行比對(duì)，如果匹配，則驅(qū)動(dòng)電磁繼電器轉(zhuǎn)動(dòng)。電子門鎖的機(jī)械系統(tǒng)部分的工作原理與傳統(tǒng)機(jī)械門鎖工作原理一致，只是鎖芯彈子特定排列組合狀態(tài)匹配變?yōu)殡娮酉到y(tǒng)的密碼或生物特征匹配。

在電子鎖內(nèi)連接電子系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)的是繼電器。當(dāng)匹配成功，電路板將給繼電器發(fā)出轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)。繼電器轉(zhuǎn)動(dòng)直接帶動(dòng)鎖具內(nèi)部的連接方鋼轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)開(kāi)鎖的，即為全自動(dòng)電子門鎖。繼電器轉(zhuǎn)動(dòng)只是解鎖鎖體外側(cè)把手，需要手動(dòng)下壓門把手才能實(shí)現(xiàn)開(kāi)鎖的，則為半自動(dòng)電子門鎖。同時(shí)，雖然電子門鎖的品牌種類繁多，但是均保留了備用應(yīng)急開(kāi)啟方式（應(yīng)對(duì)停電狀態(tài)，這是國(guó)家強(qiáng)制要求預(yù)留的）。應(yīng)急開(kāi)啟主要通過(guò)在鎖體隱秘處設(shè)置另一套機(jī)械鎖芯來(lái)實(shí)現(xiàn)。

所以，非正常開(kāi)啟電子鎖主要有以下三種情況。第一，攻擊鎖體的電子系統(tǒng)部分。包括制作假指紋（偽造虹膜、聲紋等）、特斯拉線圈（用過(guò)載電流使電路板重啟恢復(fù)出廠設(shè)置［7］［8］）、復(fù)制卡信息、強(qiáng)磁鐵（吸引繼電器使其轉(zhuǎn)動(dòng)［1］710-715）等。第二，攻擊電子鎖的機(jī)械部分。包括使用特制鋼片、面板鉗暴力插入鎖體和門體之間的縫隙，直接卡住鎖體內(nèi)部的連接方鋼，轉(zhuǎn)動(dòng)方鋼即可實(shí)現(xiàn)鎖芯轉(zhuǎn)動(dòng)［9］；在鎖體表面打孔，用鐵絲等劃拉繼電器轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)解鎖。第三，尋找應(yīng)急開(kāi)啟鎖芯，越過(guò)鎖體直接技術(shù)開(kāi)鎖應(yīng)急鎖芯，實(shí)現(xiàn)解鎖。

此外，還有繞開(kāi)鎖芯直接針對(duì)門鎖鎖舌的插片開(kāi)鎖方式；利用貓眼或門縫將特制套筒工具伸入門內(nèi)側(cè)，套住門內(nèi)把手，下壓開(kāi)門的方式；或者直接暴力撬壓門縫擴(kuò)縫開(kāi)啟的方式。

二、系統(tǒng)構(gòu)架

經(jīng)多方案研究驗(yàn)證，本研究的系統(tǒng)整體由六個(gè)部分構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖1 所示，分別是震動(dòng)信息采集部分、紅外信息采集部分、圖像信息采集部分、壓力信息采集部分、顯示單元和單片機(jī)部分。震動(dòng)信息采集部分，主要功能是采集開(kāi)鎖時(shí)的震動(dòng)力度。紅外信息采集部分，用于采集開(kāi)鎖人員是否接近鎖體的信息。圖像信息采集部分，采集開(kāi)鎖人員的面部圖像信息。壓力信息采集部分，采集開(kāi)鎖時(shí)是否超過(guò)正常開(kāi)鎖的壓力信息。上述采集的各部分信息，通過(guò)單片機(jī)的通用輸入輸出口（IO 口）進(jìn)行相應(yīng)的邏輯運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)多信息融合，最后得到該環(huán)境下較為準(zhǔn)確的是否為異常開(kāi)鎖的結(jié)論。若為異常開(kāi)鎖，在設(shè)定權(quán)限下保留上述信息，否則就下一次觸發(fā)異常開(kāi)鎖記錄時(shí)刪除該記錄，確保存儲(chǔ)空間記錄下有用信息，而不至于快速超出存儲(chǔ)容量。顯示單元與單片機(jī)單元通訊，將時(shí)間、圖像等直觀信息顯示出來(lái)，供進(jìn)一步使用。

圖1 多傳感器信息融合的異常開(kāi)鎖記錄系統(tǒng)構(gòu)架

三、技術(shù)方案

本系統(tǒng)中單片機(jī)部分，采用STM32F103 系列單片機(jī)STM32F103C8T，電路設(shè)計(jì)見(jiàn)圖2。其中的壓力、震動(dòng)、紅外、三個(gè)傳感器信息在此進(jìn)行邏輯運(yùn)算，進(jìn)行信息融合，經(jīng)驗(yàn)證獲得了準(zhǔn)確度較高的輸出顯示。

圖2 單片機(jī)部分

震動(dòng)信息采集部分，可選用震動(dòng)傳感器SW-18010P、SW-420 傳感器等，本研究采用SW-18010P 傳感器，具體接口電路設(shè)計(jì)見(jiàn)圖3。該傳感器用電平方式輸出震動(dòng)信號(hào)，通過(guò)LM393雙電壓比較器芯片輸出比較結(jié)果，用網(wǎng)絡(luò)DO 與單片機(jī)IO 口相連接，如果是強(qiáng)震動(dòng)則比較結(jié)果為低電平，同時(shí)指示燈量。單片機(jī)對(duì)應(yīng)IO 口獲取該信息后再與其他信息進(jìn)行邏輯運(yùn)算，即信息融合。圖像信息采集部分，使用現(xiàn)有的攝像頭，本研究選用OV2640 型，其與單片機(jī)連接的接口定義如圖4。該電路用于視覺(jué)傳感器獲取圖像與單片機(jī)通信，拍攝開(kāi)鎖時(shí)刻圖像存儲(chǔ)在SD 卡上備用。

圖3 震動(dòng)信息采集部分

圖4 圖像信號(hào)采集部分接口定義

壓力信息采集部分，使用現(xiàn)有的傳感器，研究采用RPF 壓力傳感器，其與單片機(jī)連接的接口定義如圖5。壓力傳感器信號(hào)采集部分RFP 壓力傳感器輸出信號(hào)為電阻值，當(dāng)壓力越大傳感器輸出的阻值越小。

圖5 壓力傳感器接口

紅外信息采集部分，該電路使用RDB223 數(shù)字人體紅外線感應(yīng)器探頭，其輸出信號(hào)直接進(jìn)入單片機(jī)IO 口，參與邏輯運(yùn)算，具體接口電路設(shè)計(jì)見(jiàn)圖6。

圖6 紅外信息采集部分接口電路

顯示單元設(shè)計(jì)，采用11 腳的ILI9341 液晶顯示屏，具體電路設(shè)計(jì)見(jiàn)圖7 所示顯示部分接口電路，該接口上所標(biāo)的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)PEN、CS2、CS1、MISO、BLK、DC、RES1、MOSI、CLK 共9 個(gè)信號(hào)與單片機(jī)上對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)名稱相連接，其中3V3 和GND 分別代表3.3V 直流電壓和地。

圖7 顯示部分接口電路

四、研究結(jié)果

通過(guò)該異常開(kāi)鎖記錄系統(tǒng)的研究，實(shí)現(xiàn)了以單片機(jī)為邏輯運(yùn)算核心，分別對(duì)來(lái)自于震動(dòng)、紅外、壓力和圖像傳感器信息進(jìn)行融合，利用單片機(jī)的邏輯運(yùn)算功能判別記錄異常開(kāi)鎖場(chǎng)景信息，進(jìn)行各主要模塊電路仿真驗(yàn)證。使用Keil 和Protues 軟件，在Keil 軟件數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)用數(shù)據(jù)，編寫函數(shù)內(nèi)容，對(duì)單片機(jī)進(jìn)行了相應(yīng)程序的編寫、編譯與錯(cuò)誤修正。用Protues 制圖完成器件檢索，引腳標(biāo)號(hào)連接，電路繪制，隨后進(jìn)行程序?qū)懭爰胺抡妗Ｔ诳傮w的設(shè)計(jì)流程里，單獨(dú)完成了相應(yīng)的功能模塊，進(jìn)行驗(yàn)證，最終呈現(xiàn)總體功能。模擬顯示遠(yuǎn)程設(shè)備上的鎖具正常開(kāi)啟、暴力開(kāi)啟及非暴力開(kāi)啟信息的遠(yuǎn)程模擬顯示如圖8 所示，當(dāng)系統(tǒng)判斷鎖具被暴力破壞，輸出驅(qū)動(dòng)紅色LED 燈亮，蜂鳴器報(bào)警。模擬在遠(yuǎn)程設(shè)備上的信息顯示“鎖被暴力打開(kāi)！?。　弊謽?，包括時(shí)間和非正常電壓值。當(dāng)鎖具被非暴力開(kāi)啟，模擬在遠(yuǎn)程設(shè)備上的信息顯示“非暴力開(kāi)鎖，請(qǐng)留意?。?！”字樣，包括開(kāi)鎖時(shí)間和非正常頻率值。當(dāng)調(diào)節(jié)頻率不在500-700 之間，按下按鈕，模擬鎖具非暴力開(kāi)啟，紅色LED 燈亮，蜂鳴器報(bào)警，如圖9 所示。

圖8 異常開(kāi)鎖檢測(cè)模擬遠(yuǎn)程信息顯示

圖9 非正常頻率

一定環(huán)境下的異常開(kāi)鎖現(xiàn)場(chǎng)有多個(gè)傳感器信號(hào)呈現(xiàn)，單一信息的采集不足以判斷是否為異常開(kāi)鎖，用多信息及其融合可保證最大程度地還原當(dāng)時(shí)場(chǎng)景；采用多傳感器信息融合的方法能得到相較更為準(zhǔn)確的異常開(kāi)鎖信息；可采用權(quán)限設(shè)置保存開(kāi)鎖現(xiàn)場(chǎng)的多個(gè)信息，待信息融合和邏輯判斷確為正常開(kāi)鎖后再刪除信息，確保信息不易丟失、可靠又提高了記錄系統(tǒng)的存儲(chǔ)器利用效率。

通過(guò)研究一種基于單片機(jī)及多傳感器信息融合的異常開(kāi)鎖記錄系統(tǒng)，從而得到較高準(zhǔn)確率和真實(shí)性的異常開(kāi)鎖信息，真實(shí)反映了現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)鎖時(shí)刻的實(shí)時(shí)狀態(tài)，相對(duì)于利用單一的開(kāi)鎖信息判斷，結(jié)論的準(zhǔn)確性得到進(jìn)一步提高。準(zhǔn)確的異常開(kāi)鎖時(shí)間可視為準(zhǔn)確的發(fā)案時(shí)間，在發(fā)案后的現(xiàn)場(chǎng)勘查中被發(fā)現(xiàn)、提取下來(lái)，可極大的節(jié)約后期偵查摸底排查的時(shí)間，為下一步偵查措施的制定提供時(shí)間依據(jù)。同時(shí)，異常開(kāi)鎖記錄系統(tǒng)中的異常開(kāi)鎖信息，只能由現(xiàn)場(chǎng)勘查人員在現(xiàn)場(chǎng)勘查這個(gè)偵查行為中獲取，具有數(shù)據(jù)不可修改性和證據(jù)的可溯源性，也為后期案件訴訟提供了時(shí)間證據(jù)。