采用單片機與多傳感器記錄異常開鎖多元信息系統的開發

史良

一、選題緣由

在偵查工作中，確定案件的發案時間至關重要，不同的發案時間將直接導致不同的偵查方式和警力、警種的配置與部署。同時，規模化收集準確發案時間信息，結合犯罪嫌疑人的作案手法、進出方式、侵害目標等信息，可以極大地提高串并案件的準確性，為后期擴展偵查線索、打擊流竄犯罪、信息研判及案件高危預警等工作起到重要的技術支撐作用。

有關痕跡檢驗研究，都是以區分技術開鎖類型和判斷留痕部位這兩個方向為主，尚無從異常開鎖行為發生的時間角度進行思考的。我們知道，由于入室作案現場的特殊性，絕大多數發案現場均無現場目擊者，絕大多數家庭也沒有在自己家門口安裝架設攝像探頭（即使安裝架設了攝像頭，犯罪行為人也往往會先破壞攝像監控再作案），所以，發案后公安機關更多地是通過受害人等相關人員最后一次進出現場的時間來推斷發案的可能時間段。發案時間作為一種犯罪行為要素，是證實犯罪關鍵證據。如何有效收集利用犯罪行為人的發案時間信息，是偵查工作的重要內容之一。

本文在前期針對不同方式非正常開鎖方式、留痕部位研究的基礎上，對鎖具異常開啟的傳感信息指標進行了進一步研究。設計了一種對異常開鎖信號進行監測并記錄監測時間的方案，獲得異常開鎖行為發生的時間，為案件發生后的偵破工作提供支撐，節約排查工作時間，提高工作效率。

查閱涉及這個問題的相關文獻，發現其中的技術方案［1］710-715都局限于檢測異常開鎖場景的單一信息，沒有實現多傳感器信息融合。因此，如果遇到開鎖人預先破壞，檢測的信息傳輸通道就會失效。異常開鎖涉及的信息較多，如開鎖時間、震動、壓力、開鎖人的接近，以及開鎖人的面部圖像等信息均是現場第一手資料，其中任意一個信息均可作為判斷發案時間的參考。而如果能夠收集到多個信息，則可以大大提高判斷發案時間的準確率。因此，開發一種采用多傳感器記錄異常開鎖系統的研究具有創新價值，有助于公安機關減少物證信息獲取時間，震懾潛在不法分子，更好地保護國家、集體和個人的財產安全，維護社會治安穩定。

二、門鎖的分類、結構和開鎖原理

門鎖，一直是防盜的關鍵。從古老的門栓到現代的電子鎖，破鎖技術和防盜鎖技術一直相互交替上升、更迭。目前市面上流通的鎖具（入戶鎖）主要分為兩類：機械鎖和電子鎖。

在機械鎖中，彈子鎖是最常見的鎖具結構，其原理是在鎖內使用一排（對應單牙花鑰匙）或多排（對應十字牙花鑰匙、一字鎖鑰匙）孔槽，在孔槽的垂直方向再開鑿一定數量的孔洞（每個孔洞對應鑰匙牙花個數，一般為5 個以上）并且孔洞深度貫穿鎖體和鎖芯。在每個孔洞內放入兩個不同長度的圓柱體（即彈子），并在孔洞的鎖體一端放置彈簧。

當鎖內彈子呈特定的排列形態時（與原配鑰匙牙花一致），所有鎖體、鎖芯孔洞內的兩個彈子的間隙均在同一位置時，這時鎖芯可以轉動，鎖具開啟。反之，當鎖內彈子呈不符合特定的排列狀態時，彈子橫亙在貫通鎖芯和鎖體的孔洞中造成鎖芯無法轉動，鎖具無法開啟。

所以，針對彈子鎖的工作原理，開鎖技術也應運而生。無論是梳齒（萬能鑰匙）開鎖工具的制作（使用特定工具將鎖內彈子全部壓入鎖體孔洞內，使鎖芯轉動），還是勾狀工具的使用（用鉤子反復劃撥插孔動內的彈子，同時持續施加鎖芯轉動方向的力量，利用彈子與孔洞之間的間隙使鎖芯轉動［2］［3］［4］），亦或是現在最廣泛使用的錫紙開鎖（將平整錫紙插入無牙花鑰匙，反復晃動鑰匙，讓鎖內彈子緩慢并持續落在錫紙上，當彈子間隙同一的臨界點到達時，由于持續的晃動，鎖芯即刻被轉動［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，達到轉動鎖芯的目的。

電子門鎖的結構可簡單分為電子系統、機械系統和繼電器三個部分。其中電子系統的工作原理是通過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，與前期儲存的密碼或生物特征進行比對，如果匹配，則驅動電磁繼電器轉動。電子門鎖的機械系統部分的工作原理與傳統機械門鎖工作原理一致，只是鎖芯彈子特定排列組合狀態匹配變為電子系統的密碼或生物特征匹配。

在電子鎖內連接電子系統和機械系統的是繼電器。當匹配成功，電路板將給繼電器發出轉動信號。繼電器轉動直接帶動鎖具內部的連接方鋼轉動實現開鎖的，即為全自動電子門鎖。繼電器轉動只是解鎖鎖體外側把手，需要手動下壓門把手才能實現開鎖的，則為半自動電子門鎖。同時，雖然電子門鎖的品牌種類繁多，但是均保留了備用應急開啟方式（應對停電狀態，這是國家強制要求預留的）。應急開啟主要通過在鎖體隱秘處設置另一套機械鎖芯來實現。

所以，非正常開啟電子鎖主要有以下三種情況。第一，攻擊鎖體的電子系統部分。包括制作假指紋（偽造虹膜、聲紋等）、特斯拉線圈（用過載電流使電路板重啟恢復出廠設置［7］［8］）、復制卡信息、強磁鐵（吸引繼電器使其轉動［1］710-715）等。第二，攻擊電子鎖的機械部分。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，直接卡住鎖體內部的連接方鋼，轉動方鋼即可實現鎖芯轉動［9］；在鎖體表面打孔，用鐵絲等劃拉繼電器轉動，實現解鎖。第三，尋找應急開啟鎖芯，越過鎖體直接技術開鎖應急鎖芯，實現解鎖。

此外，還有繞開鎖芯直接針對門鎖鎖舌的插片開鎖方式；利用貓眼或門縫將特制套筒工具伸入門內側，套住門內把手，下壓開門的方式；或者直接暴力撬壓門縫擴縫開啟的方式。

二、系統構架

經多方案研究驗證，本研究的系統整體由六個部分構成，結構如圖1 所示，分別是震動信息采集部分、紅外信息采集部分、圖像信息采集部分、壓力信息采集部分、顯示單元和單片機部分。震動信息采集部分，主要功能是采集開鎖時的震動力度。紅外信息采集部分，用于采集開鎖人員是否接近鎖體的信息。圖像信息采集部分，采集開鎖人員的面部圖像信息。壓力信息采集部分，采集開鎖時是否超過正常開鎖的壓力信息。上述采集的各部分信息，通過單片機的通用輸入輸出口（IO 口）進行相應的邏輯運算，實現多信息融合，最后得到該環境下較為準確的是否為異常開鎖的結論。若為異常開鎖，在設定權限下保留上述信息，否則就下一次觸發異常開鎖記錄時刪除該記錄，確保存儲空間記錄下有用信息，而不至于快速超出存儲容量。顯示單元與單片機單元通訊，將時間、圖像等直觀信息顯示出來，供進一步使用。

圖1 多傳感器信息融合的異常開鎖記錄系統構架

三、技術方案

本系統中單片機部分，采用STM32F103 系列單片機STM32F103C8T，電路設計見圖2。其中的壓力、震動、紅外、三個傳感器信息在此進行邏輯運算，進行信息融合，經驗證獲得了準確度較高的輸出顯示。

圖2 單片機部分

震動信息采集部分，可選用震動傳感器SW-18010P、SW-420 傳感器等，本研究采用SW-18010P 傳感器，具體接口電路設計見圖3。該傳感器用電平方式輸出震動信號，通過LM393雙電壓比較器芯片輸出比較結果，用網絡DO 與單片機IO 口相連接，如果是強震動則比較結果為低電平，同時指示燈量。單片機對應IO 口獲取該信息后再與其他信息進行邏輯運算，即信息融合。圖像信息采集部分，使用現有的攝像頭，本研究選用OV2640 型，其與單片機連接的接口定義如圖4。該電路用于視覺傳感器獲取圖像與單片機通信，拍攝開鎖時刻圖像存儲在SD 卡上備用。

圖3 震動信息采集部分

圖4 圖像信號采集部分接口定義

壓力信息采集部分，使用現有的傳感器，研究采用RPF 壓力傳感器，其與單片機連接的接口定義如圖5。壓力傳感器信號采集部分RFP 壓力傳感器輸出信號為電阻值，當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 數字人體紅外線感應器探頭，其輸出信號直接進入單片機IO 口，參與邏輯運算，具體接口電路設計見圖6。

圖6 紅外信息采集部分接口電路

顯示單元設計，采用11 腳的ILI9341 液晶顯示屏，具體電路設計見圖7 所示顯示部分接口電路，該接口上所標的網絡標號PEN、CS2、CS1、MISO、BLK、DC、RES1、MOSI、CLK 共9 個信號與單片機上對應的網絡標號名稱相連接，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、研究結果

通過該異常開鎖記錄系統的研究，實現了以單片機為邏輯運算核心，分別對來自于震動、紅外、壓力和圖像傳感器信息進行融合，利用單片機的邏輯運算功能判別記錄異常開鎖場景信息，進行各主要模塊電路仿真驗證。使用Keil 和Protues 軟件，在Keil 軟件數據庫中調用數據，編寫函數內容，對單片機進行了相應程序的編寫、編譯與錯誤修正。用Protues 制圖完成器件檢索，引腳標號連接，電路繪制，隨后進行程序寫入及仿真。在總體的設計流程里，單獨完成了相應的功能模塊，進行驗證，最終呈現總體功能。模擬顯示遠程設備上的鎖具正常開啟、暴力開啟及非暴力開啟信息的遠程模擬顯示如圖8 所示，當系統判斷鎖具被暴力破壞，輸出驅動紅色LED 燈亮，蜂鳴器報警。模擬在遠程設備上的信息顯示“鎖被暴力打開！！！”字樣，包括時間和非正常電壓值。當鎖具被非暴力開啟，模擬在遠程設備上的信息顯示“非暴力開鎖，請留意！！！”字樣，包括開鎖時間和非正常頻率值。當調節頻率不在500-700 之間，按下按鈕，模擬鎖具非暴力開啟，紅色LED 燈亮，蜂鳴器報警，如圖9 所示。

圖8 異常開鎖檢測模擬遠程信息顯示

圖9 非正常頻率

一定環境下的異常開鎖現場有多個傳感器信號呈現，單一信息的采集不足以判斷是否為異常開鎖，用多信息及其融合可保證最大程度地還原當時場景；采用多傳感器信息融合的方法能得到相較更為準確的異常開鎖信息；可采用權限設置保存開鎖現場的多個信息，待信息融合和邏輯判斷確為正常開鎖后再刪除信息，確保信息不易丟失、可靠又提高了記錄系統的存儲器利用效率。

通過研究一種基于單片機及多傳感器信息融合的異常開鎖記錄系統，從而得到較高準確率和真實性的異常開鎖信息，真實反映了現場開鎖時刻的實時狀態，相對于利用單一的開鎖信息判斷，結論的準確性得到進一步提高。準確的異常開鎖時間可視為準確的發案時間，在發案后的現場勘查中被發現、提取下來，可極大的節約后期偵查摸底排查的時間，為下一步偵查措施的制定提供時間依據。同時，異常開鎖記錄系統中的異常開鎖信息，只能由現場勘查人員在現場勘查這個偵查行為中獲取，具有數據不可修改性和證據的可溯源性，也為后期案件訴訟提供了時間證據。