基于無線傳感器網絡智能保險箱安防系統的設計

摘 要： 提出了一種基于無線傳感器網絡技術的智能保險箱安防監測系統。該系統由前端監測設備、物聯網網關和手機客戶端3部分組成，實現了集遠程監控、實時報警和、遠程動態管理于一體的安防監測功能，并提出了部分重發算法等調優算法以減低丟包率。測試結果表明，該系統實現了所提出要求，并擁有系統穩定，發送快速，可糾正丟幀等優點， 具有可行性與實用性。

關鍵詞： 無線傳感器網絡； 智能保險箱； iPhone； 遠程監測； MSP430

中圖分類號： TN964?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）12?0137?06

0 引 言

在當今保險箱快速發展的同時，人們對資產及個人收藏品的全方位防護需求也同樣在升級，而對于目前市面上的保險箱防護手段過于單一，應急反應緩慢等弊病，而造成了多起保險箱被盜事故。目前在貴重物品防護及相關珍藏品收藏的保險箱系統中，大多都采用物理安防手段，采取深層加密或者加厚保險箱外層材料厚度等等，雖然保護了保險箱內部的物品，但是系統不能保護保險箱自身，而常常造成保險箱本身失竊而給用戶帶來巨大損失。

在我國數字信息化發達的今天，無線傳感器網絡技術的興起，已在各個安防領域得到廣泛的應用[1]。但就目前而言，基于多手段，全方位，全天時的無線傳感器網絡技術如何讓保險箱防護體系做到更安全，已經成為目前安防保險箱行業的一個重要研究課題。目前，傳感器網絡技術應用到保險箱的領域在國內還沒有先例，有的企業也做了一些安防聯動的手段，但是依然探測手段單一，無法真正達到實際應用的需求[2]。

針對現有的保險箱系統中存在的這些問題，將無線傳感器網絡引入現有保險箱系統中，希望能成為主流解決方案。仔細分析需求后，現代的保險箱安防系統應有以下特點：

（1）從硬件角度，該安防系統具有無線傳感器網絡的特點[3]：低功耗，自組織，可采集數據等，同時可發實時報警并追蹤狀態。該特點的使得保險箱一旦出現異常，可第一時間通知用戶，并實時追蹤動態。

（2）從用戶角度看，安防系統提供多種查詢方式，例如短信息，B/S架構訪問頁面，以及手機客戶端等等，使用戶時刻掌握保險箱的動態。

因此，為了實現以上功能，除了在系統中使用技術通用分組無線服務技術（General Packet Radio Service，GPRS）[4]，全球定位系統技術（Global Positioning System，GPS）[5]等常規模塊的同時，還需要增加不同功能的報警傳感器（如震動傳感器等）。同時，還需要引入更多的用戶功能，例如用戶可能會用到的網頁支持，手機客戶端等。

1 基于物聯網的安防監測系統功能分析

本文所屬的安防系統的功能由以下子模塊組成：

（1）前端監測設備

異常監測模塊：包括了多種傳感器（紅外，震動，溫濕度等）；

無線傳輸模塊：通過GPRS模塊將所有數據（報警信息，位置信息，心跳幀等）發送至網關；

定位模塊：通過GPS完成對節點的定位；

視頻采集模塊：通過具有夜視功能的廣角攝像頭進行圖像采集后會發送至服務器；

報警模塊：監測節點將報警信息以短信方式發送至用戶手機，手機客戶端則以推送的方式提醒用戶。

（2）服務器網關：一臺連入公網的服務器，作為系統的中間件部分負責連接底層硬件與上層應用，收發和存儲所有中間數據。

（3）用戶手機應用：允許用戶通過iPhone 客戶端對監控系統的狀態和信息進行查詢。

這些模塊與功能是從實際應用角度進行劃分與設計，實際上，他們是一個整體，之間有著非常緊密的聯系，在某一功能被觸發時，需要多個模塊進行協同工作。

2 硬件系統介紹

2.1 系統結構

本監測系統共分為3個部分：前端監測，服務器網關和用戶終端。

其中前端監測部分實時監測用戶節點的異常變化，當有異常情況（震動，溫度濕度超過標準值，非法闖入等）發生時，傳感器將數據通過無線網絡傳輸到服務器網關，并通過手機預警的方式通知用戶。若此時節點被移動，還將對其進行實時跟蹤。

服務器網關部分包括數據接收，數據解析處理，數據存儲，有效數據挖掘4個部分。

2.2 節點結構

監測節點主要功能為：利用傳感器感應異常，利用GPRS傳輸數據，使用GPS模塊獲取位置，通過攝像頭/麥克風等設備采集圖像音頻數據。

2.3 數據流向

3 軟件實現及改進

本節將分2部分介紹系統的軟件實現，從節點軟件和上層iPhone客戶端來詳細說明本安防系統的工作方式。

3.1 節點軟件實現

3.1.1 任務設計

下面會重點介紹核心模塊的實現。

3.1.2 接收中斷的實現

如表1所示，系統中含有4個串口接收中斷。出于功能分析與拓展性考慮，這些進程的流程基本類似，這里只介紹配置串口進程的實現，如圖5所示。

3.1.3 拍照功能的實現

系統選用攝像頭為一款針對串口通信與微光條件的廣角黑白攝像頭，可作為JPEG照相機應用在系統中，獲得高解析度的單幀圖像，圖像壓縮成JPEG格式后通過串口傳回主控設備。程序流程如圖6所示。出于對系統性能的考慮，給收到的每個數據包重新打包，附加設備IMEI號與結尾校驗位后再發送至后臺服務器。這樣的好處是，當多臺設備同時發送數據時，后臺程序將數據包的頭尾進行解析，從而避免混淆。

3.2 節點軟件調優

3.2.1 模式的選擇

該模塊擁有2種發送模式，分別是命令模式與透明模式，他們的特點為：

透明模式 模塊收到的任何從串口得到的數據均會被轉發出去，包括數據與AT命令。

在通常情況下，人們會默認使用命令模式來進行配置與數據解析，但在該模式下發送過程會因遇到某些特殊位而停止（例如中止位一般為0x1A），因此在該模式下無法發送例如JEPG圖等16進制數據。但若使用透明模式，則無法解析短信或AT命令，使模塊處于

為了解決這個問題，在本系統中引入混合模式，即命令模式與透明模式。

3.2.2 丟幀的解決

（1）部分重發機制：仿滑動窗口協議

在本系統中，由于選用超低功耗芯片MSP430，因此不可能將整張圖片保存在FLASH中。本文在此借用了TCP/IP中的滑動窗口協議原理實現部分重發機制。

（2）丟幀后的校正

此部分算法在網關服務器上實現，大致流程為：在服務器上將JEPG圖像轉化為BMP圖像（利用GDI+實現），并獲得其縮略圖。然后利用灰度圖像處理中的膨脹算法，通過計算空白區域周圍的像素點獲得內部像素點。

3.3 iPhone客戶端實現

3.3.1 iOS系統與Objective?C介紹

蘋果iOS是由蘋果公司開發的手持設備操作系統。iOS與蘋果的Mac OS X操作系統一樣，它是以Darwin為基礎的，因此同樣屬于類Unix的商業操作系統。

iOS開發所需語言為Objective?C，它是擴充C的面向對象編程語言。

3.3.2 iOS客戶端設計

作為此監測系統的移動客戶端，在iOS平臺上實現主要功能為：用戶登錄，查詢保險箱位置，查詢實時圖片，主動拍照與定位以及基本配置。這些功能既滿足了客戶的基本需求，又具有了一定的可移植性。

如上節所述，當保險箱報警模塊被觸發后（異常震動，濕度溫度過高等），會將最新GPS位置信息，連同所采集到的圖像信息發送至服務器。此時服務器會向iOS客戶端發送一報警信息，隨后客戶端通過PUSH（推送）功能向手機使用者推送報警信息。若用戶查看客戶端，可以獲取當前最新的所有信息，有助于幫助用戶更好地管理以及追回保險箱。同時，該客戶端提供用戶主動查詢位置與拍照功能，使用戶了解保險箱的實時狀態。

3.3.3 iOS客戶端實現

從用戶角度進行需求分析，該應用主要用到與服務器交互，地圖定位，圖片操作，發送短信等功能。以上功能的實現將逐條介紹。

（1）與服務器交互

手機終端與服務器間的通信的數據格式采用可擴展標記語言格式（Extensible Markup Language，XML），手機通過HTTP和SOAP方式與服務器進行數據交互。

SOAP方式可通過開源類“ASIHTTPRequest”與“GDATA”共同實現。

具體實現流程為：首先按照WEB Service提供SOAP 1.2請求示例打包SOAP請求字符串，同時按照該示例創建請求實例，所包含字段為：HOST，Content?Tpye，Content?Length與SOAPAction。完成后將該請求發送至Web服務器，在收到回復后利用SOAP類解析其中內容即可。

（2）地圖定位

在iOS 5.x及以下版本中，都可采用谷歌地圖實現該功能。本軟件利于MapKit框架并配合CoreLocation框架進行開發。在進入地圖頁面后，客戶端訪問Web服務器獲得用戶保險箱所在位置坐標，并對坐標值進行校對，而后標注在地圖上。考慮到若保險箱丟失，用戶無法判斷陌生地點的情況，客戶端允許用戶分別以標準/衛星/混合3種方式查看地圖。在載入地圖后，客戶端通過調用MKReverseGeocoder類反相查詢坐標點信息，以獲得所處位置的國家/城市/街道名，供用戶更方便的追蹤設備位置。

（3）數據信息處理

客戶端提供3種數據信息服務：查看最新報警數據，查看歷史數據與手動采集數據。查看最新報警數據是利用Web服務器從服務器讀取最新數據，用戶若認為此數據有用，那么可以連同該圖片所在位置信息等保存至客戶端，方便以后查看。另外，客戶端可以通過短信方式控制用戶擁有的監控設備進行數據采集，隨后在更新服務器數據后顯示在客戶端上。

4 功能測試

5 結 語

在對基于WSN的安防監測系統進行功能分析，系統設計與軟硬件實現后，開發出了一套基于C/S架構的安防監測系統。該系統的硬件以超低功耗單片機MSP430為核心，具有無線傳感器網絡的優點，并結合了多媒體技術，具有穩定性高，正確報警率高，監測信息完善等特點。同時該套系統具有較為完善的用戶服務，提供包括PC機，短信，用戶網站與手機客戶端等多種方式進行查詢與追蹤。

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