文物安防系統(tǒng)

【摘要】目前傳統(tǒng)的博物館安防系統(tǒng)雖然可以較全面的保護(hù)博物館的各個(gè)方面，但隨著盜竊分子和犯罪團(tuán)伙的手段的提升，博物館安防系統(tǒng)在發(fā)展過(guò)程中仍然暴露出一些問(wèn)題。主要有以下幾個(gè)方面的體現(xiàn)：各子系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立，難以發(fā)揮整體效應(yīng)；安防系統(tǒng)被動(dòng)防御，難以主動(dòng)預(yù)防；缺少和公安、消防等系統(tǒng)的有效聯(lián)動(dòng)。隨著技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)的興起給傳統(tǒng)安保系統(tǒng)注入了新的血液。本文在物聯(lián)網(wǎng)的概念范圍內(nèi)對(duì)博物館的安保進(jìn)行了研究，做出了相關(guān)研究與設(shè)計(jì)，旨在改進(jìn)博物館的安防系統(tǒng)。

【關(guān)鍵詞】文物安防傳感器ZigBee無(wú)線傳感器

2010年5月8日，故宮發(fā)生了舉世震驚的盜竊案，“京城第一保衛(wèi)處”沒(méi)有捍衛(wèi)住故宮的國(guó)寶，被一個(gè)事前并無(wú)準(zhǔn)備的盜竊分子成功盜得國(guó)寶并逃之夭夭，讓故宮蒙羞，這不禁讓本系統(tǒng)們對(duì)博物館的安保系統(tǒng)產(chǎn)生了很大的質(zhì)疑。[4][5]

隨著技術(shù)的發(fā)展，安保產(chǎn)品種類(lèi)不斷豐富，發(fā)展到了視頻控制、出入口控制、入侵報(bào)警、防爆安檢等十幾大類(lèi)，閉路監(jiān)控發(fā)展迅猛，年增長(zhǎng)率達(dá)到30%左右。[1]而物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)諸如實(shí)時(shí)監(jiān)控、位置定位、智能分析判斷、人機(jī)對(duì)話等諸多功能，基于物聯(lián)網(wǎng)的安保系統(tǒng)具備自感應(yīng)、自適應(yīng)和自學(xué)習(xí)能力，能夠結(jié)合多種傳感器信息，實(shí)現(xiàn)事故目標(biāo)的有效分類(lèi)和高精度區(qū)域定位。[3]同時(shí)針對(duì)目前安防系統(tǒng)主要存在幾個(gè)問(wèn)題：

1、各子系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立，難以發(fā)揮整體效應(yīng)；

2、安防系統(tǒng)被動(dòng)防御，難以主動(dòng)預(yù)防；

3、缺少和公安、消防等系統(tǒng)的有效聯(lián)動(dòng)。[2]

本文分別從多種探測(cè)器的應(yīng)用、數(shù)據(jù)傳輸、預(yù)警機(jī)制、應(yīng)急機(jī)制四方面出發(fā)，旨在改進(jìn)現(xiàn)有的博物館安防系統(tǒng)，預(yù)估可能出現(xiàn)的不利狀況，轉(zhuǎn)被動(dòng)防御為主動(dòng)防御，探索人防和物防的結(jié)合。

一、系統(tǒng)工作原理

探測(cè)器是探測(cè)入侵者入侵行為的電子和機(jī)械部件組成的裝置，由傳感器和信號(hào)處理器組成。在本系統(tǒng)中，使用多種傳感器對(duì)受監(jiān)控對(duì)象及環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)信息的采集，其包括壓力傳感器、紅外傳感器、溫濕度傳感器、超聲波傳感器；并用AT Mega16和AT Mega128單片機(jī)來(lái)對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步的處理。[7]

前端傳感器采集信號(hào)的精度不準(zhǔn)確，會(huì)造成報(bào)警位置判斷的偏差，因此要求前端的傳感器必須具備高的精度并且各個(gè)傳感器的物理特性必須高度一致。

系統(tǒng)工作原理：

1、分節(jié)點(diǎn)用稱重傳感器，紅外傳感器、超聲波傳感器等多種傳感器對(duì)監(jiān)控對(duì)象及環(huán)境信息的采集，判斷監(jiān)測(cè)對(duì)象是否安全，環(huán)境是否合適等，從而實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控；

2、中心節(jié)點(diǎn)搭載溫度傳感器、濕度傳感器，監(jiān)控展廳的溫度和濕度，數(shù)據(jù)通過(guò)串口轉(zhuǎn)網(wǎng)口模塊實(shí)時(shí)傳送數(shù)據(jù)到監(jiān)控室的上位機(jī)，上位機(jī)通過(guò)監(jiān)測(cè)異常在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候觸發(fā)報(bào)警機(jī)制。包括ATmega128單片機(jī)、ZigBee無(wú)線模塊、TTL轉(zhuǎn)網(wǎng)口模塊，通過(guò)使用ZigBee無(wú)線模塊實(shí)現(xiàn)分節(jié)點(diǎn)和中心節(jié)點(diǎn)的通信；

3、使用TTL轉(zhuǎn)網(wǎng)口模塊實(shí)現(xiàn)中心節(jié)點(diǎn)聯(lián)接互聯(lián)網(wǎng)，從而使上位機(jī)通過(guò)TCP/IP協(xié)議與中心節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)通信。及時(shí)通過(guò)無(wú)線的方式實(shí)現(xiàn)終端節(jié)點(diǎn)與中心節(jié)點(diǎn)的傳輸，并把數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)傳輸給上位機(jī)；

4、利用繼電器實(shí)現(xiàn)了各個(gè)分節(jié)點(diǎn)和中心節(jié)點(diǎn)的斷電保護(hù)功能，斷電能馬上切換到備用電源供電。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)斷網(wǎng)、斷電、數(shù)據(jù)異常時(shí)，上位機(jī)能迅速通過(guò)GSM模塊向安保人員發(fā)出預(yù)警短信。[6]

二、數(shù)據(jù)傳輸

該項(xiàng)目需要將一個(gè)展廳中各個(gè)分節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)匯總到同一個(gè)中心節(jié)點(diǎn)上，采用無(wú)線傳輸?shù)姆绞骄哂姓加每臻g小，方便靈活，接線簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，故決定采用無(wú)線傳輸?shù)哪Ｊ健?/p>

ZigBee協(xié)議通信具有近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本等特點(diǎn)。適合用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備，實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸與控制。市場(chǎng)上有相應(yīng)的模塊可以實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)的連接。

由于ZigBee協(xié)議這種便宜的，低功耗的近距離無(wú)線組網(wǎng)通訊技術(shù)已經(jīng)非常成熟，有相對(duì)多成型的產(chǎn)品，本系統(tǒng)選用了順舟科技的SZ05-STD ZigBee嵌入式無(wú)線串口通信模塊。

主要功能描述：有RS232、485、TTL接口與無(wú)線Z-BEE的相互轉(zhuǎn)換，通過(guò)無(wú)線ZIGBEE進(jìn)行組網(wǎng)通信；

無(wú)線功能強(qiáng)大：具備中繼路由和終端設(shè)備功能；

通信距離較遠(yuǎn)：最大視距傳輸距離200米；

抗干擾能力強(qiáng)：2.4G DSSS擴(kuò)頻技術(shù)；

串口應(yīng)用靈活：透明方式或指令格式傳輸，最高波特率115200；

發(fā)送模式靈活：廣播發(fā)送或目標(biāo)地址發(fā)送模式可選；

●節(jié)點(diǎn)類(lèi)型靈活：中心節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)、終端節(jié)點(diǎn)可任意設(shè)置；

●組網(wǎng)能力較強(qiáng)：星型網(wǎng)、樹(shù)型網(wǎng)、鏈型網(wǎng)、網(wǎng)狀網(wǎng)；

●網(wǎng)絡(luò)容量較大：16信道可選，65535個(gè)網(wǎng)絡(luò)ID可任意設(shè)置；

總體來(lái)說(shuō)其采用了加強(qiáng)型的ZIGBEE無(wú)線技術(shù)，符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用的無(wú)線數(shù)據(jù)通信設(shè)備，具有通訊距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)、組網(wǎng)靈活等優(yōu)點(diǎn)和特性；可實(shí)現(xiàn)多設(shè)備間的數(shù)據(jù)透明傳輸；可組MESH型的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

在這個(gè)系統(tǒng)中采用的是TTL電平，在引腳圖中利用到的是RX1，TX1，VCC，GND這4個(gè)管腳。

該模塊在分節(jié)點(diǎn)和都中心節(jié)點(diǎn)都需要使用到，但都是接分節(jié)點(diǎn)AT Mega16和AT Mega128的TX和RX。

在AT Mega16中，本系統(tǒng)使用的是串口D0和D1管腳收發(fā)數(shù)據(jù)；在AT Mega128中，本系統(tǒng)使用的是串口E0和E1收發(fā)數(shù)據(jù)。

三、預(yù)警機(jī)制和應(yīng)急機(jī)制

預(yù)警機(jī)制即在文物的安全出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，能夠迅速發(fā)出警報(bào)，一方面能夠警告其本人，令一方面能夠通知安保人員。本項(xiàng)目中的預(yù)警機(jī)制包括現(xiàn)場(chǎng)預(yù)警和GSM模塊預(yù)警。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)傳感器監(jiān)測(cè)到異常時(shí)，語(yǔ)音模塊能現(xiàn)場(chǎng)預(yù)警。另外，GSM預(yù)警用于在系統(tǒng)出現(xiàn)異狀時(shí)進(jìn)行預(yù)警。[8]

而應(yīng)急機(jī)制在于提高本系統(tǒng)的可靠性，應(yīng)對(duì)突發(fā)狀況。對(duì)會(huì)致使系統(tǒng)停止工作的緊急情況進(jìn)行預(yù)計(jì)，并設(shè)計(jì)應(yīng)對(duì)方案。

3.1.1現(xiàn)場(chǎng)預(yù)警

現(xiàn)場(chǎng)預(yù)警靠語(yǔ)音模塊來(lái)完成。下面是其應(yīng)用方框圖：

片選信號(hào)CS先拉低5ms以喚醒語(yǔ)WT588D-U語(yǔ)音模塊，接收數(shù)據(jù)低位在先，在時(shí)鐘的上升沿接收數(shù)據(jù)。時(shí)鐘周期介于100us～2ms之間，推薦使用300us。數(shù)據(jù)成功接收后，語(yǔ)音播放忙信號(hào)BUSY輸出在20ms之后做出響應(yīng)。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)先發(fā)低位，再發(fā)高位。在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，無(wú)需先發(fā)送命令碼再發(fā)送指令，直接發(fā)送地址數(shù)據(jù)便可觸發(fā)播放語(yǔ)音。

3.1.2GSM模塊預(yù)警

現(xiàn)場(chǎng)預(yù)警的作用一方面是震懾當(dāng)事人，另一方面也有通知附近安保人員的作用。但由于其本身?xiàng)l件的限制，其作用的范圍還是有限，可靠性也有待加強(qiáng)。因此，需要有一個(gè)能遠(yuǎn)程預(yù)警的機(jī)制，能夠最快最大范圍通知安保人員的預(yù)警機(jī)制，保證文物的安全。

本系統(tǒng)利用GSM模塊聯(lián)接上位機(jī)，利用上位機(jī)采集異常，從而觸發(fā)GSM模塊的方式，用短信通知安保人員，在擴(kuò)散范圍和擴(kuò)散速度上有了很大保證。

系統(tǒng)不可能永遠(yuǎn)穩(wěn)定，因此有必要對(duì)致使系統(tǒng)停止工作的緊急情況進(jìn)行預(yù)估，并設(shè)計(jì)應(yīng)對(duì)方案。在本項(xiàng)目中，針對(duì)可能突然停電或者不法分子故意切斷供電的情況，設(shè)計(jì)了備用電源供電模式，當(dāng)系統(tǒng)突然斷電時(shí)，備用的電池電路能夠有效的持續(xù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行供電，提高了系統(tǒng)的安全性。

繼電器是一種電控制器件。它具有控制系統(tǒng)（又稱輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱輸出回路）之間的互動(dòng)關(guān)系。通常應(yīng)用于自動(dòng)化的控制電路中，它實(shí)際上是用小電流去控制大電流運(yùn)作的一種“自動(dòng)開(kāi)關(guān)”。故在電路中起著自動(dòng)調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用。

四、結(jié)束語(yǔ)

本項(xiàng)目完成了多種傳感器對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，最大的程度的保證對(duì)文物的全面監(jiān)控；基于ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸，保證了數(shù)據(jù)便捷穩(wěn)定的傳輸和匯集；基于串口通信模塊實(shí)現(xiàn)與Internet的互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控室上位機(jī)對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)控；設(shè)計(jì)了多種預(yù)警機(jī)制，保證當(dāng)文物出現(xiàn)危險(xiǎn)時(shí)能夠及時(shí)震懾不法分子和及時(shí)準(zhǔn)確通知安保人員；還設(shè)計(jì)了應(yīng)急機(jī)制，以便發(fā)生緊急情況時(shí)做出快速反應(yīng)。

參考文獻(xiàn)

[1]朱國(guó)平.博物館的報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì).安防科技. 10.2003，10：65-67.

[2]楊平，馬步遠(yuǎn)，張有光等.博物館聲敏監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì). 28（2）.2007，1：462-464.

[3]安琦.現(xiàn)代監(jiān)控系統(tǒng)在天津博物館中的應(yīng)用.天津科技. 34（5）. 2007，5：68-69.

[4]李元彪.對(duì)博物館安防系統(tǒng)進(jìn)行過(guò)程管理消除漏報(bào)保安全.安防科技. 6.2006，6：16-19.

[5]宋才發(fā).民族博物館的文物安全與保護(hù)探討.黑龍江民族叢刊. 1.2011；103-111.

[6]黃少軍.基于安防中間件的安防軟件集成平臺(tái)的研究.中國(guó)安防. 8.2009：44-48.

[7]馬俠.淺談博物館安防系統(tǒng)基本組成、設(shè)計(jì)及應(yīng)用.魅力中國(guó).34.2010：165.

[8]劉起富.安全防范技術(shù)在文物安全工作中的作用及對(duì)文物系統(tǒng)安全管理的體會(huì).中國(guó)安防. 10.2008：97-102.