基于樹莓派的自動售貨機安保系統

李根+趙錦

摘要：鑒于樹莓派具有處理能力強、運算速度快、超低功耗和片上資源豐富等特點，本文設計了基于樹莓派的自動售貨機安保系統。該系統既可以監測暴力破壞盜竊行為也可以監測技術開鎖盜竊行為。當系統監測到盜竊信息時， 撥打管理人員電話，啟動現場報警裝置，同時將被盜信息和現場圖片上傳給上位機，工作人員根據上位機上的信息進行相應處理。該系統功能完善， 能實現自動售貨機的安防功能， 具有較高的實用價值。

關鍵詞：自動售貨機；技術開鎖盜竊；暴力破壞盜竊；樹莓派；遠程操控

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：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

隨著人工智能的發展，自動售貨機由于節省人力成本，擺放位置不限，使用方便等優點，受到了運營商和消費者的一致青睞。目前在醫院、學校、地鐵站、公園、街邊等公共場所都有自動售貨機的身影，可以說自動售貨機已經成為現代生活的一部分。但由于無人值守，自動售貨機經常會發生打砸等暴力破壞以及技術開鎖盜竊事件，讓運營商苦不堪言。通過智能控制系統對現場的盜竊信號進行采集并通過無線網絡向后臺管理人員發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行的盜竊，針對技術開鎖進行的盜竊研究較少[1，2]，且使用的主控中心多為單片機，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，無法進行遠程控制，因此如果發現誤報警，無法直接關閉現場報警裝置，即便是真的有盜竊行為發生，也不能第一時間進行處理。

通過以上分析，我們開發了基于樹莓派的自動售貨機安保系統。該系統的優點在于采用樹莓派3代 B+作為主控中心，相比于單片機或者DSP的片上編程，樹莓派可以運行Linux或者windows系統，具有處理能力強、運算速度快、超低功耗和片上資源豐富等特點，具有明顯的優勢[5，6]。另外本系統既可以監測暴力破壞盜竊行為也可以監測技術開鎖盜竊行為，并能通過現場報警裝置和后臺管理人員的處理及時終止盜竊行為。該系統智能程度高，安全可靠，可全方位保護自動售貨機的安全，因此該技術具有很大的商業潛力。

1 系統總體設計及原理

該系統包括現場中控端和上位機遠程監控端兩部分，現場中控端包括信號采集模塊、主控中心模塊、SIM模塊、現場報警模塊，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。上位機遠程監控端包括手機端和PC端。

信號采集模塊包括振動傳感器陣列、磁力開關和攝像頭。振動傳感器陣列用于采集售貨機受到撞擊時產生的振動信號。振動傳感器使用高靈敏震動傳感器SW-1801P報警感應模塊， 在本設計中由于要求對于振動傳感的準確性，所以不能使用單個傳感器，要使用多個傳感器進行組網，組成一個傳感器陣列，來監測自動售貨機不同部位的振動強度。磁力開關用于采集門被打開時產生的電信號，磁力開關模塊所用的傳感器的原理非常簡單，通過感應磁場的有無，輸出不同的信號。當在傳感器位于磁場的范圍內，一直輸出高電平的信號，當傳感器離開磁場，則輸出低電平的信號，所以我們通過監測傳感器輸出的信號，來間接監測門是否打開。攝像頭用于采集現場的圖像。

盜竊信號識別模塊對采集來的信號進行識別，來確定是否存在暴力破壞盜竊行為或技術開鎖盜竊行為。振動傳感器仲裁機制用于識別是否存在暴力破壞盜竊行為，傳感器仲裁機制根據不同位置的振動傳感器振動信號有不同的加權值對所采集的振動信號進行分析，當這些傳感器陣列采集到的振動信號加權后的值超過警戒值，傳感器仲裁機制，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開鎖盜竊行為，在樹莓派這一端，我們在Python上設定全局變量，身份認證標識位，這個變量只有在接受上位機正確的命令的時候才能被使能。當識別到售貨機的門被打開，樹莓派就會掃描該標識位，如果這個位被使能了，那么樹莓派不會報警，如果這個位未被使能，樹莓派就會發生報警行為。

主控中心接收到信號識別模塊上傳的盜竊信號后發出報警指令，啟動SIM模塊撥打后臺管理人員的電話，同時進行現場報警閃光燈報警，并通過無線網絡將現場圖片上傳給上位機。

上位機遠程監控端包括手機端和PC端，后臺管理人員接到主控中心打來的電話，在上位機通過無線網絡調取現場圖片信息并進行遠程管理，實現對自動售貨機的遠程操控。

2 系統硬件設置

2.1 磁力開關

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

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報警感應模塊，該傳感器使用監測方式依然設定GPIO口為輸入模式。由于要求對于振動傳感的準確性，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 報警閃光燈及繼電器模塊

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

我們把繼電器和報警燈組合起來，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警燈的通斷了。

2.4 攝像頭模塊

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

2.5 聲音播放設備

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，并自帶聲卡驅動。

2.6 SIM模塊的硬件設計

SIM模塊如圖8所示，從圖中可以看出，SIM模塊通過串口進行通信，所以在樹莓派上面還需要增加一個USB轉串口的工具。然后樹莓派通過USB和串口相連，我們通過串口協議發送數據給AT指令給SIM模塊，讓SIM模塊，撥打電話，發短信，掛斷電話等等。

3 軟件關鍵技術和流程設計

3.1 磁力開關的軟件設計

圖9為磁力開關開門和關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。

當系統開始工作后整個系統進行初始化，四個線程均處初始化狀態，各線程工作流程如下：

線程1：通過磁力開關對門是否開啟進行監測，若監測到門未打開則繼續監測，當監測到門已經打開，則進行下一步身份識別，如果身份已通過認證，則返回到開門監測狀態，如果身份未通過認證，則發出報警信號。

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

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

線程3：等待上位機發出指令。當上位機接收到報警信息后，通過無線模塊向主控中心發出調取現場圖像的指令，線程3接收指令后向線路4發出拍照指令。

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

當上位機接收到報警指令后，后臺管理人員通過上位機調取現場圖片，進一步確認是否存在盜竊行為，如果是誤報警則可以通過上位機向主控中心發出停止報警指令。如果確實有盜賊正在實施盜竊，可通過上位機者向現場喊話，或者采取其他措施及時終止盜竊行為，緝拿盜賊。

4 結束語

所開發的基于樹莓派的自動售貨機安保系統，采用樹莓派作為主控中心具有硬件安裝方便、開發周期短、成本低、防盜性能好等優點具有很好的實際應用價值。

參考文獻：

[1] 呂家祥. 防破壞報警系統及方法， CN104376642A[P]. 2015.

[2] 曹峻.網絡式自動售貨機， CN 20562115 U [P]. 2016.

[3] 石俊杰，張雪峰. PLC在自動售貨機及其防盜系統中的應用[J]. 電氣時代， 2014（12）：106-108.

[4] 歐陽哲，張新左，陳翔等. 基于ARM9與 PLC 技術的家庭安防系統設計[J]. 微處理機， 2016， 37（2）：90-93.

[5] 張永安. 基于樹莓派的智能家居系統[J]. 電子世界， 2016（15）：53-53.

[6] 郝林煒， 梁穎. 基于樹莓派+云服務器的網絡監控及家居控制系統的研究與實際應用[J]. 物聯網技術， 2016， 6（9）：45-47.