隨著人們生活水平的提高，對保險箱防盜報警的及時性和準確性提出了更高的要求。目前的保險箱可以實現(xiàn)在密碼輸錯、外來物體入侵、離開時忘關(guān)箱門等不同狀態(tài)下的報警。報警方式主要有：現(xiàn)場報警、電話報警和無線網(wǎng)絡(luò)報警[1-4]。后兩種方式主要實現(xiàn)的是遠程報警功能,遠程報警已經(jīng)成為保險箱報警的主要手段之一。而對于電話報警，由于存在易遭破壞、處于通話時無法即時報警和受報警范圍限制等諸多弊端，可推廣性較低。隨著手機的普及和GSM技術(shù)的不斷成熟，短信息報警方式以其廉價和方便等特點，成為了遠程報警的主要方式。但是，如果僅僅采用短信報警，則會出現(xiàn)主人未及時收到短信的可能。為確保主人能夠及時準確地收到報警信息，本系統(tǒng)采用了短信、語音和電話三種不同的報警方式。在短信報警沒發(fā)生作用的情況下，發(fā)出語音或電話報警，并通過GPS定位系統(tǒng)實現(xiàn)保險箱的實時定位，從而有效地保障了保險箱的安全。
    此外，目前的保險箱雖然可以分別實現(xiàn)振動和移動的檢測功能，但這樣的方式隨著元器件的增加，將使電路板的面積相應(yīng)擴大，從而降低了保險箱的防暴強度。本文采用加速度傳感器可以同時檢測振動和移動兩種狀態(tài)，從而可以解決這方面的弊端,增強現(xiàn)有保險箱的防暴強度。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
　該報警系統(tǒng)主要由MCU（MSP430）、信號采集模塊(飛思卡爾公司生產(chǎn)的MMA7260加速度傳感器和DS18B20數(shù)字溫度傳感器)、短信息發(fā)送模塊(GSM)、語音報警模塊和定位模塊(GPS)組成。系統(tǒng)框架如圖1所示。

    將該報警裝置置于保險箱門板處。加速度傳感器用于檢測保險箱是否處于被移動和被撬兩種不同的狀態(tài)，溫度傳感器用于檢測保險箱是否處于溫度異常狀態(tài)，并將信號發(fā)送給MCU進行處理，根據(jù)信號處理結(jié)果，MCU將預(yù)先設(shè)置的AT指令報警信號發(fā)送給TC35i模塊，進而通知主人。報警方式：先短信式報警，主人接收短信后回復(fù)短信，若TC35i模塊未接收到回復(fù)的短信，則根據(jù)需要自動執(zhí)行第二種報警方式：語音或電話報警。若前兩種方式主人都無反應(yīng)，則將報警信號發(fā)送給第二個手機號碼。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
2.1 MCU的選擇
    由于市面上大部分保險箱采用電池供電，因此在設(shè)計電路時，應(yīng)考慮電路的低功耗問題。低功耗設(shè)計不僅省電，而且降低了電源模塊及散熱系統(tǒng)的成本。因為電流的減小也相應(yīng)減少了電磁輻射和熱噪聲的干擾,隨著設(shè)備溫度的降低，相應(yīng)延長了器件的壽命。本系統(tǒng)從低功耗和A/D轉(zhuǎn)換方面考慮,采用MSP430F149作為系統(tǒng)的微處理器，主要用于分析處理加速度傳感器的輸出信號，并將相應(yīng)的報警信號發(fā)送給TC35i模塊。
2.2 加速度傳感器的選擇及其電路設(shè)計
    MMA7260是美國Freescale公司推出的一款低成本、單芯片的三軸加速度傳感器。該微型電容式加速度傳感器具有三軸向加速度檢測功能，使系統(tǒng)能夠方便地得到位置、姿態(tài)和運動的變化。由于MMA7260可準確測量三軸低量級的下降、傾斜、移動、撞擊和震動等，因此其在硬盤保護、手機、筆記本電腦、游戲機及其他便攜式電子設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用[5]。本系統(tǒng)采用MMA7260檢測保險箱被移和被撬時的三維加速度信號，其與MCU的接口電路如圖2所示。

    圖2中,g-Select1和g-Select2兩引腳分別與MCU的I/O端口相連，用于加速度傳感器測量范圍的選擇。當(dāng)g-Select1和g-Select2兩端的輸入都是低電平時,測量范圍將設(shè)定在±1.5 g，此時達到傳感器的最高靈敏度為800 mV/g，可以使系統(tǒng)檢測到保險箱的輕微動作。SleepMode引腳與單片機的I/O口相連，用于控制加速度傳感器的工作狀態(tài)，當(dāng)該端輸入為低電平時，傳感器處于睡眠狀態(tài)，電流僅為3 ?滋A，適合于對低功耗要求較高的便攜式設(shè)備之中。而作為傳感器模擬信號輸出的X、Y、Z三個端口通過濾波和分壓電路后，與單片機的A/D端口相連，以對信號進一步的分析處理。
2.3 短信電路設(shè)計
    短信電路采用西門子公司生產(chǎn)的TC35i模塊作為電路的核心。該GSM模塊是一個支持中文短信息的工業(yè)級GSM模塊，工作在EGSM9OO和GSM1800雙頻段。
　TC35i模塊主要由GSM基帶處理器、GSM射頻模塊、供電模塊、閃存、ZIF連接器、天線接口等六部分組成。該模塊通過40個引腳的ZIF連接器與單片機實現(xiàn)電路接口，通過該接口實現(xiàn)TC35i模塊和MSP430F149之間的數(shù)據(jù)通信。
　TC35i短信電路電氣原理圖如圖3所示。該電路由電源電路、40芯ZIF連接接口電路、電平轉(zhuǎn)換電路、SIM卡電路等外圍電路組成，是系統(tǒng)實現(xiàn)遠程報警和遠程控制的關(guān)鍵。由于MCU的TTL電平與TC35i的電平不匹配，考慮到產(chǎn)品成本問題，本設(shè)計直接使用4個三極管進行電平轉(zhuǎn)換。

2.4 語音電路設(shè)計
　語音電路采用美國ISD公司生產(chǎn)的ISD4002語音芯片作為電路的核心部件，主要是將事先錄制的語音通過TC35i模塊，與綁定的手機取得聯(lián)系，實現(xiàn)短信報警沒回應(yīng)狀態(tài)下的語音報警。電路設(shè)計如圖4所示。

    ISD4002系列語音芯片，其工作電壓為3~5 V，單片錄放時間為2~8 min，音質(zhì)好，適用于移動電話及其他便攜式電子產(chǎn)品中。芯片設(shè)計基于所有操作必須由微控制器控制，操作命令可通過串行通信接口送入。芯片采用多電平直接模擬量存儲技術(shù)，每個采樣值直接存儲在片內(nèi)的閃爍存儲器中，因此能夠非常真實、自然地再現(xiàn)語音、音樂、音調(diào)和效果聲，避免了一半固體錄音電路因量化和壓縮造成的量化噪聲和“金屬聲”。
3 軟件設(shè)計
    該系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要分成MCU控制程序、GSM模塊和語音電路的程序設(shè)計三大部分。軟件流程如圖5所示。 首先通過加速度傳感器檢測保險箱是否有被侵犯信號，若有，則進一步進行算法分析以判定保險箱處于何種狀態(tài)，并根據(jù)判定結(jié)果給手機主人發(fā)送相應(yīng)的報警信息，主人收到短信后，須給予回復(fù)。若GSM模塊未接收到主人的回復(fù)信息，則撥打主人手機，給予語音或電話報警，同時判斷主人是否收到報警語音，若未收到，則向事先設(shè)定的第二個手機號碼發(fā)送短信，并以前述方法再次進行判斷，該系統(tǒng)目前設(shè)定的號碼為3個。

3.1 單片機程序設(shè)計
    通過MSP430F149內(nèi)部的A/D將加速度傳感器的輸出信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并通過閾值法，得到保險箱處于被撬、被移還是安全狀態(tài)。若處于前兩種狀態(tài)，MSP430F149將針對不同的狀態(tài)，控制TC35i發(fā)出不同的短信報警內(nèi)容，并等待手機主人的回復(fù);若在設(shè)定的時間內(nèi)未得到回復(fù)，則通過語音電路，撥通手機，將錄制的語音傳遞給手機主人，若對方無應(yīng)答，則按照上面的次序發(fā)送短信給第二個設(shè)定的手機。
3.2 短信模塊程序設(shè)計
    目前短消息收發(fā)實現(xiàn)的模式主要有三種：BLOCK 模式、TEXT 模式和PDU 模式。本系統(tǒng)主要是基于GSM的PDU模式進行設(shè)計。用PDU模式收發(fā)短消息可以使用三種編碼: 7 bit 編碼、8 bit 編碼和UCS2 編碼。由于本系統(tǒng)要實現(xiàn)中文短消息的發(fā)送,所以選擇用UCS2編碼(中文Unicode 碼),即將單個的字符轉(zhuǎn)換為由4位的0~9、A~F數(shù)字和字母組成的字符串,待發(fā)送的消息以UCS2 碼的形式進行發(fā)送。
    在本系統(tǒng)中，主要發(fā)送“保險箱被撬”和“保險箱被移動”兩條信息內(nèi)容。通過UCS2 編碼得到2條信息對應(yīng)的中文Unicode 碼(4FDD 9669 7BB1 88AB 64AC和4FDD 9669 7BB1 88AB 79FB 52A8)，接著就可以進行發(fā)送PDU 串的編制了。PDU 串除了包含所發(fā)送的消息本身外，還包含很多其他參數(shù)信息，如服務(wù)中心號碼、目標(biāo)號碼和編碼方式等。
3.3 語音電路程序設(shè)計
　ISD4002工作于SPI串行接口。SPI協(xié)議是一個同步串行數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，協(xié)議假定為控制器的SPI移位寄存器在SCLK的下降沿動作，因此對ISD4002，在時鐘上升沿鎖存MOSI引腳的數(shù)據(jù)，在下降沿將數(shù)據(jù)送至MISO引腳。
4 實驗結(jié)果與討論
    采用該系統(tǒng)對型號為D-30BL3C的永發(fā)牌保險箱進行報警實驗。將該報警系統(tǒng)的檢測模塊放置于保險箱門板上，如圖6所示，其中Z軸為垂直保險箱門板方向。

     實驗共進行兩組，每組各進行10次，分別通過檢測X、Z軸的數(shù)據(jù)變化來確定保險箱被抬起和被敲擊時的報警閾值。如圖7所示，其中縱坐標(biāo)為加速度傳感器輸出對應(yīng)的A/D值，橫坐標(biāo)為實驗次數(shù)，第一次實驗為保險箱未受任何干擾時，加速度傳感器各軸的輸出。圖7(a)所示是以不同的速度抬起保險箱時X軸的數(shù)據(jù)變化，由于-X軸處于豎直向下方向,被抬起時便受到一個重力加速度的作用,所以其經(jīng)初始化后輸出的A/D值為1 060，由圖7(a)可知，10次抬動保險箱的實驗中，第5次實驗的X軸輸出數(shù)據(jù)最小，此時抬動的速度也是最慢的，由此，確定了保險箱被抬動時報警的閾值為1 350。同樣地，如圖7(b)所示是以不同力道敲擊保險箱門板時Z軸的數(shù)據(jù)變化。由于敲擊保險箱時，產(chǎn)生的加速度發(fā)生在-Z軸方向上，所以當(dāng)該方向上有加速度時，Z軸的輸出數(shù)據(jù)將減小，且在Z軸上作用的加速度越小，則Z軸的輸出就越大，并始終低于保險箱未受干擾時的Z軸輸出值。在10次敲擊實驗中，第7次的Z軸輸出最高，此時的敲擊力度也是10次中最輕的一次，由此，確定了保險箱被敲擊時的報警閾值為2 078。經(jīng)過多次實驗發(fā)現(xiàn)，采用以上兩個閾值的報警準確率可達100%。

    本文闡述了一種基于加速度傳感器的保險箱短信報警系統(tǒng)。實驗表明，該系統(tǒng)報警準確率可達100%，而且，經(jīng)過廠家考證，該系統(tǒng)成本處于廠家可接受范圍之內(nèi)，可帶來很大的經(jīng)濟價值和社會價值。然而，目前大部分保險箱采用電池供電，對功耗有較高的要求，雖然本系統(tǒng)采用的很多模塊都已最大程度降低了功耗，但GSM模塊的功耗還有待改進。
參考文獻
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