野外地学仪器防盗系统设计

魏高荣，石婉欣，李 梅

（中国地质大学（北京）信息工程学院，北京 100083）

野外地学仪器防盗系统设计

魏高荣，石婉欣，李 梅

（中国地质大学（北京）信息工程学院，北京 100083）

为保障地学仪器长时间野外作业情况下的安全，提出了一套基于GSM与GPS的嵌入式防盗系统设计。且为解决一般防盗系统出现的高误报率、交互性差以及高功耗问题，设计了一种将过滤算法与人为判断相结合的方法以消除系统误报，提高可交互性；采用多种工作模式自动切换以及模块开关控制来降低系统功耗；通过位置信息与环境图片返回实现仪器被盗后找回。试验证明，该系统在很大程度上避免了误报，提高了可交互性，实现了系统的超低功耗，且设计的被盗反制措施可实现仪器被盗后找回。

仪器防盗；GSM；GPS；加速度传感器

为了实时监测一些地质活动，采集地学信号进行分析，通常需要将一些地学仪器长时间的防止到野外工作。由于这些仪器价格昂贵，且置于野外无人看守的环境中，一旦发生失窃，会给地学工作者造成科研工作的延误和重大的经济损失。为了预防此类情况的发生，本设计针对地学仪器设计了一套电子嵌入式防盗系统。

本设计的设计依托于无线通信技术与嵌入式技术，相较于同类的电子防盗系统出现的高误报率，交互性差，高功耗问题，通过算法设计、报警策略设计和电路设计得到了一套行之有效的解决方案。同时设计了高效精确的定位系统。在以ARM7微处理器芯片STM32F103ZE为核心[1]，加速度传感器作为异动感应装置，GPS与GSM作为定位与信息通信装置的嵌入式平台上进行测试[2]。

1　系统设计与框架架构

1.1系统设计

本设计中采用STM32F103ZET6作为主控芯片，使用加速度传感器对仪器的异动信息进行检测，使用红外模块来控制主控芯片的工作模式，通过GSM与GPS模块实现与用户手机信息交互功能和定位功能[3-4]，摄像头模块可拍摄仪器所处环境照片，主控芯片可控制报警装置进行声音示警，系统设设计框图如图1所示。

图1　系统设计框图

1.2系统模式设计

主控芯片STM32F103ZET6支持3种低功耗模式[5]，设计中采用其中的两种：睡眠模式与待机模式，芯片正常运行时的状态称为监测模式，工作模式的切换设计如下所述：

1）系统刚上电启动后处于监测模式，如果在设定的一段时间内有异动发生，则按照设计的系统报警策略进行判断，若判断为被盗，则进入报警模式；如果在设定的时间内没有任何异动发生，则系统自动切换到睡眠模式。

2）系统处于睡眠模式时，STM32F103ZET6的内核，但其外设仍在运行，系统可以被加速度所产生的外部中断唤醒而进入监测模式。

3）在正常移动仪器时，需要监控模块停止检测，在设计中，通过红外遥控的按键操作使监控模块进入待机模式，也形象的称其为安全模式。在该模式下系统不可被加速度传感器产生的中断唤醒，只可由设定的wake-up键手动唤醒。唤醒后重新进入监测模式[6]。

系统通过4种工作模式的自动切换来降低功耗，工作模式切换过程如图2所示。

图2　工作模式切换示意图

1.3系统报警策略设计

为了解决普通防盗系统普遍存在的误报率高，以及实时性差的问题，本设计中经过模拟分析仪器可能所处的各种环境以及被盗情形，通过程序算法的设计，使监控模块能对仪器产生异动的一些情况进行初步分析，并作出判断，无需人工进行干预，改善了误报情况。

以上所述的过程作为整体报警策略的第一次判断，是监控模块自主判断实现的，依据这一判断过滤掉可能引起仪器产生异动的正常因素，如风雨雷电导致产生的异动，或是研究人员无意的触动所产生的异动。模块忽略此类异动后，进入正常检测状态。

对第一次过滤后仍存在的异动情况，系统要进行第二次判断。在主控芯片的控制下通过GSM模块发送异动消息到研究人员绑定的手机端[7]，研究人员收到短信后，依据对仪器所处状况的了解做出判断，具体判断情况如下：

1）如果是自然环境恶劣（持续大风等）可判断为合法异动，可通过短信回复sleep命令使监控模块忽略本次异动；

2）如果是研究人员授权他人移动该仪器，而此人没有经过规定的红外解锁操作直接移动仪器，则研究人员也可判断此异动为合法异动，通过短信回复standby命令使监控模块忽略本次异动，同时进入安全模式而不再检测异动信息；

3）如果研究人员判断仪器被盗，则短信回复alarm命令使模块进入报警模式，通过GPS、GSM模块以及摄像头模块协作[8]，每隔固定时间就发送仪器的位置信息和所处环境照片到绑定的手机端。

通过以上所述的系统报警策略设计，能够有效的降低防盗系统的误报率，降低系统对人工判断的依赖性，仪器被盗后也可以根据返回的位置信息和图片信息对其进行精确定位。报警策略流程图如图3所示。

图3　报警策略设计图

1.4系统解除警报设计

系统进入报警状态后会有产生持续的警报声，同时会隔一段固定的时间（本系统间隔5分钟）通过短信方式发送一次仪器的位置信息到用户的手机[9]。

为了使模块能够在非被盗情况下，以及在被盗后找回情况下解除警报状态，本系统中设计了两种解除模块报警的方式：

1）通过红外遥控器解除模块警报状态，进入到正常的监测状态，或进入到安全模式。

2）通过手机短信来控制模块解除警报状态；在模块进入警报状态后仍然后一直检测用户的短信命令，通过短信发送sleep或standby可以控制模块进入正常的监测状态或进入安全模式。

上述的解除报警设计可以在各种情况下对装置进行解除报警，如图4所示。

图4　解除报警设计图

2　系统硬件组成设计

2.1主控芯片接口设计

主控芯片引出了3个串口及一个模拟IIC接口来对片外的各模块进行控制及通信。为了进一步的节省功耗，同时使用核心芯片的两个引脚来对GPS与GSM的电源通断进行控制[10]。

2.2主控芯片与加速度传感器ADXL345的连接与通信

本设计中通过程序中配置ADXL345的寄存器使其开启活动检测功能，通过将其x轴、y轴上的加速度与设定的阈值比较来判断有无运动发生，并通过其中断输出引脚INT1触发核心芯片STM32F103ZET6的外部中断，从而进入模块的异动判断流程[11]。

ADXL345的供电来自于核心板上的3.3 V直流电源，通过IIC协议域主控芯片进行通信。上电后，主控芯片先对ADXL345的寄存器进行配置，设定其工作方式，之后ADXL345便可监测外界产生的异动并通过INT1对主控芯片触发中断。

2.3主控芯片与GSM模块的连接与通信

本设计中使用“全球鹰-SIM900A”GSM模块与用户的手机进行通信。该模块可实现语音，短信等数据传输功能，且支持TTL串口电平，可以非常方便的与主控芯片的串口相连通信。可通过AT指令集对SIM900A进行编程，控制其收发短信，并在程序中对短信内容进行解析[12]。

为进一步节省功耗，在设计中使用图5所示的控制电路对GSM模块的供电进行控制。

图5　电源控制电路图

2.4主控芯片与GPS模块的连接与通信

本设计中使用ATK-NEO-6M GPS模块来实现仪器的定位。该模块支持TTL电平，可通过串口与单片机进行通信，通过串口可以配置该模块的各种参数，设定其工作方式。

同样为了降低功耗，使用图5中的开关电路对GPS供电进行控制，只有在异常确认后由主控芯片控制接通GPS供电，使其开始工作，其它情况下将该模块断电。

开机后先通过串口2对GPS模块进行初始化，初始化完成后，GPS模块与卫星连接并返回位置数据，通过触发主控芯片的串口中断来提示单片机已经收到了位置数据，在程序中对该位置数据提取需要的部分并发送的手机端[13]。

2.5主控芯片与摄像头模块的连接

本设计中采用OV公司的OV2640摄像头模块[14]，STM32通过其DCMI接口连接控制OV2640模块进行环境拍照。

摄像头模块用于拍照，在仪器被盗后，由于GPS定位存在一定精度的问题，所以使用GPS提供的位置坐标信息做仪器的区域定位，同时使用摄像头拍摄的仪器周围环境图片做精确定位[15]。通过GPS模块与OV2640模块组合很好的实现了仪器的定位找回。

3　测试效果

3.1误报测试

测试中以简单的摇摆和敲击模拟产生误报的因素，监控模块从睡眠模式中唤醒，执行检测算法过滤误报因素，并不进入被盗处理流程，过段时间后自动进入睡眠模式。

3.2报警测试

测试中以连续的异动或敲击振动模拟被盗因素，监控模块从睡眠模式中唤醒，执行检测程序并进入被盗处理流程，主控芯片控制GSM模块发出异动确认短信到手机端，然后等待确认，用户回复控制命令到监控模块使其进入某种状态。

测试表明，使用过滤算法后，防盗装置的误报问题得到很大的改善，且用户可通过不同命令远程操控该装置。在使用多模式自动切换以及使用电源开关电路对GSM，GPS电源进行控制后，装置的功耗极大的被削减，可实现使用锂电池长期工作。

但由于GPS与GSM在上电后需要一段时间来启动，所以在被触发后GPS模块的使用大约会有1.5分钟的延迟，GSM模块的使用会有约15秒延迟。

4　结束语

为实现野外地学仪器的防盗，设计了一套防盗且具备被盗后找回措施的嵌入式系统。且针对现有的电子防盗设施的高误报率，交互性差，以及功耗高的问题，我们提出使用算法过滤，合理的报警策略设计来赋予防盗装置一定的智能性。设计中使用多种工作模式自动切换以及控制GSM与GPS电源的方式来节省功耗。测试结果表明本设计消除了绝大部分的误报，提高了可交互性，且功耗极低，达到了设计要求。

[1]朱丹.基于ARM7的GSM/GPS汽车防盗系统设计[D].浙江：浙江工业大学，2013.

[2]李钦.基于GSM的变压器防盗系统设计[J].传感器世界，2013（7）:38-40.

[3]郭素萍.基于GSM的变压器防盗报警系统的设计[D].南京：南京理工大学，2012.

[4]刘伯楠，张修红，娄海波，等.基于GPS-GSM的汽车短信防盗系统设计[J].陕西科技大学学报，2011（4）:33-35.

[5]张海斌.基于STM32的路灯电缆防盗报警系统设计[D].杭州：杭州电子科技大学，2013.

[6]张立军.偏远地区配电变压器防盗监控系统的设计[D].济南：山东科技大学，2011.

[7]代凌云，商政，高淑丹，等.基于GPS和GSM网络的汽车防盗系统[J].电子技术，2012，45（8）:28-30.

[8]赵亭.基于车联网的汽车智能防盗系统设计[J].测控技术与仪器仪表，2015（3）:61-64.

[9]谢海军，吴钟云，杨艳华，等.基于单片机汽车防盗报警系统设计与实现[J].电子设计工程，2012，20（3）:162-165.

[10]张亮红，刘文怡，王红亮.基于单片机的GPS定位系统的设计与实现[J].电子器件，2015，38（5）:1187-1191.

[11]朱国忠，雷声，潘敏，等.基于加速度传感器的保险箱报警系统设计[J].电子技术应用，2011，37（1）:120-123.

[12]陈丽娜.基于GSM和GPS的汽车防盗系统设计[J].农业装备与车辆工程，2015，53（1）:14-18.

[13]杨志刚.基于ARM的汽车防酒后驾驶及防盗系统设计[D].太原：中北大学，2014.

[14]秦芳丽.基于彩信的远程家庭防盗监控系统的研究[D].武汉：武汉理工大学，2010.

[15]蒋燕妮，吴苏.基于图像处理技术的嵌入式智能防盗系统设计[J].仪表技术，2012（6）:32-34.

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稿件编号：201603165

国家自然科学基金项目（41572347）

魏高荣（1991—），男，内蒙古包头人，硕士研究生。研究方向：嵌入式技术与应用开发。