隨著人們生活水平的提高，對(duì)保險(xiǎn)箱防盜報(bào)警的及時(shí)性和準(zhǔn)確性提出了更高的要求。目前的保險(xiǎn)箱可以實(shí)現(xiàn)在密碼輸錯(cuò)、外來(lái)物體入侵、離開(kāi)時(shí)忘關(guān)箱門(mén)等不同狀態(tài)下的報(bào)警。報(bào)警方式主要有：現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警、電話報(bào)警和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)報(bào)警[1-4]。后兩種方式主要實(shí)現(xiàn)的是遠(yuǎn)程報(bào)警功能,遠(yuǎn)程報(bào)警已經(jīng)成為保險(xiǎn)箱報(bào)警的主要手段之一。而對(duì)于電話報(bào)警，由于存在易遭破壞、處于通話時(shí)無(wú)法即時(shí)報(bào)警和受報(bào)警范圍限制等諸多弊端，可推廣性較低。隨著手機(jī)的普及和GSM技術(shù)的不斷成熟，短信息報(bào)警方式以其廉價(jià)和方便等特點(diǎn)，成為了遠(yuǎn)程報(bào)警的主要方式。但是，如果僅僅采用短信報(bào)警，則會(huì)出現(xiàn)主人未及時(shí)收到短信的可能。為確保主人能夠及時(shí)準(zhǔn)確地收到報(bào)警信息，本系統(tǒng)采用了短信、語(yǔ)音和電話三種不同的報(bào)警方式。在短信報(bào)警沒(méi)發(fā)生作用的情況下，發(fā)出語(yǔ)音或電話報(bào)警，并通過(guò)GPS定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)保險(xiǎn)箱的實(shí)時(shí)定位，從而有效地保障了保險(xiǎn)箱的安全。
    此外，目前的保險(xiǎn)箱雖然可以分別實(shí)現(xiàn)振動(dòng)和移動(dòng)的檢測(cè)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(kuò)大，從而降低了保險(xiǎn)箱的防暴強(qiáng)度。本文采用加速度傳感器可以同時(shí)檢測(cè)振動(dòng)和移動(dòng)兩種狀態(tài)，從而可以解決這方面的弊端,增強(qiáng)現(xiàn)有保險(xiǎn)箱的防暴強(qiáng)度。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
　該報(bào)警系統(tǒng)主要由MCU（MSP430）、信號(hào)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(yǔ)音報(bào)警模塊和定位模塊(GPS)組成。系統(tǒng)框架如圖1所示。

    將該報(bào)警裝置置于保險(xiǎn)箱門(mén)板處。加速度傳感器用于檢測(cè)保險(xiǎn)箱是否處于被移動(dòng)和被撬兩種不同的狀態(tài)，溫度傳感器用于檢測(cè)保險(xiǎn)箱是否處于溫度異常狀態(tài)，并將信號(hào)發(fā)送給MCU進(jìn)行處理，根據(jù)信號(hào)處理結(jié)果，MCU將預(yù)先設(shè)置的AT指令報(bào)警信號(hào)發(fā)送給TC35i模塊，進(jìn)而通知主人。報(bào)警方式：先短信式報(bào)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(dòng)執(zhí)行第二種報(bào)警方式：語(yǔ)音或電話報(bào)警。若前兩種方式主人都無(wú)反應(yīng)，則將報(bào)警信號(hào)發(fā)送給第二個(gè)手機(jī)號(hào)碼。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2.1 MCU的選擇
    由于市面上大部分保險(xiǎn)箱采用電池供電，因此在設(shè)計(jì)電路時(shí)，應(yīng)考慮電路的低功耗問(wèn)題。低功耗設(shè)計(jì)不僅省電，而且降低了電源模塊及散熱系統(tǒng)的成本。因?yàn)殡娏鞯臏p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(zhǎng)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(hào)，并將相應(yīng)的報(bào)警信號(hào)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(jì)
    MMA7260是美國(guó)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(cè)功能，使系統(tǒng)能夠方便地得到位置、姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)的變化。由于MMA7260可準(zhǔn)確測(cè)量三軸低量級(jí)的下降、傾斜、移動(dòng)、撞擊和震動(dòng)等，因此其在硬盤(pán)保護(hù)、手機(jī)、筆記本電腦、游戲機(jī)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(cè)保險(xiǎn)箱被移和被撬時(shí)的三維加速度信號(hào)，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(cè)量范圍的選擇。當(dāng)g-Select1和g-Select2兩端的輸入都是低電平時(shí),測(cè)量范圍將設(shè)定在±1.5 g，此時(shí)達(dá)到傳感器的最高靈敏度為800 mV/g，可以使系統(tǒng)檢測(cè)到保險(xiǎn)箱的輕微動(dòng)作。SleepMode引腳與單片機(jī)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(shí)，傳感器處于睡眠狀態(tài)，電流僅為3 ?滋A，適合于對(duì)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(hào)輸出的X、Y、Z三個(gè)端口通過(guò)濾波和分壓電路后，與單片機(jī)的A/D端口相連，以對(duì)信號(hào)進(jìn)一步的分析處理。
2.3 短信電路設(shè)計(jì)
    短信電路采用西門(mén)子公司生產(chǎn)的TC35i模塊作為電路的核心。該GSM模塊是一個(gè)支持中文短信息的工業(yè)級(jí)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(guò)40個(gè)引腳的ZIF連接器與單片機(jī)實(shí)現(xiàn)電路接口，通過(guò)該接口實(shí)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程報(bào)警和遠(yuǎn)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(wèn)題，本設(shè)計(jì)直接使用4個(gè)三極管進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。

2.4 語(yǔ)音電路設(shè)計(jì)
　語(yǔ)音電路采用美國(guó)ISD公司生產(chǎn)的ISD4002語(yǔ)音芯片作為電路的核心部件，主要是將事先錄制的語(yǔ)音通過(guò)TC35i模塊，與綁定的手機(jī)取得聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)短信報(bào)警沒(méi)回應(yīng)狀態(tài)下的語(yǔ)音報(bào)警。電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

    ISD4002系列語(yǔ)音芯片，其工作電壓為3~5 V，單片錄放時(shí)間為2~8 min，音質(zhì)好，適用于移動(dòng)電話及其他便攜式電子產(chǎn)品中。芯片設(shè)計(jì)基于所有操作必須由微控制器控制，操作命令可通過(guò)串行通信接口送入。芯片采用多電平直接模擬量存儲(chǔ)技術(shù)，每個(gè)采樣值直接存儲(chǔ)在片內(nèi)的閃爍存儲(chǔ)器中，因此能夠非常真實(shí)、自然地再現(xiàn)語(yǔ)音、音樂(lè)、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(jì)
    該系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要分成MCU控制程序、GSM模塊和語(yǔ)音電路的程序設(shè)計(jì)三大部分。軟件流程如圖5所示。 首先通過(guò)加速度傳感器檢測(cè)保險(xiǎn)箱是否有被侵犯信號(hào)，若有，則進(jìn)一步進(jìn)行算法分析以判定保險(xiǎn)箱處于何種狀態(tài)，并根據(jù)判定結(jié)果給手機(jī)主人發(fā)送相應(yīng)的報(bào)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(jī)，給予語(yǔ)音或電話報(bào)警，同時(shí)判斷主人是否收到報(bào)警語(yǔ)音，若未收到，則向事先設(shè)定的第二個(gè)手機(jī)號(hào)碼發(fā)送短信，并以前述方法再次進(jìn)行判斷，該系統(tǒng)目前設(shè)定的號(hào)碼為3個(gè)。

3.1 單片機(jī)程序設(shè)計(jì)
    通過(guò)MSP430F149內(nèi)部的A/D將加速度傳感器的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并通過(guò)閾值法，得到保險(xiǎn)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(duì)不同的狀態(tài)，控制TC35i發(fā)出不同的短信報(bào)警內(nèi)容，并等待手機(jī)主人的回復(fù);若在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)未得到回復(fù)，則通過(guò)語(yǔ)音電路，撥通手機(jī)，將錄制的語(yǔ)音傳遞給手機(jī)主人，若對(duì)方無(wú)應(yīng)答，則按照上面的次序發(fā)送短信給第二個(gè)設(shè)定的手機(jī)。
3.2 短信模塊程序設(shè)計(jì)
    目前短消息收發(fā)實(shí)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(jìn)行設(shè)計(jì)。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(shí)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(gè)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(jìn)行發(fā)送。
    在本系統(tǒng)中，主要發(fā)送“保險(xiǎn)箱被撬”和“保險(xiǎn)箱被移動(dòng)”兩條信息內(nèi)容。通過(guò)UCS2 編碼得到2條信息對(duì)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(jìn)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(hào)碼、目標(biāo)號(hào)碼和編碼方式等。
3.3 語(yǔ)音電路程序設(shè)計(jì)
　ISD4002工作于SPI串行接口。SPI協(xié)議是一個(gè)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(dòng)作，因此對(duì)ISD4002，在時(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論
    采用該系統(tǒng)對(duì)型號(hào)為D-30BL3C的永發(fā)牌保險(xiǎn)箱進(jìn)行報(bào)警實(shí)驗(yàn)。將該報(bào)警系統(tǒng)的檢測(cè)模塊放置于保險(xiǎn)箱門(mén)板上，如圖6所示，其中Z軸為垂直保險(xiǎn)箱門(mén)板方向。

     實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行兩組，每組各進(jìn)行10次，分別通過(guò)檢測(cè)X、Z軸的數(shù)據(jù)變化來(lái)確定保險(xiǎn)箱被抬起和被敲擊時(shí)的報(bào)警閾值。如圖7所示，其中縱坐標(biāo)為加速度傳感器輸出對(duì)應(yīng)的A/D值，橫坐標(biāo)為實(shí)驗(yàn)次數(shù)，第一次實(shí)驗(yàn)為保險(xiǎn)箱未受任何干擾時(shí)，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(xiǎn)箱時(shí)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(shí)便受到一個(gè)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(dòng)保險(xiǎn)箱的實(shí)驗(yàn)中，第5次實(shí)驗(yàn)的X軸輸出數(shù)據(jù)最小，此時(shí)抬動(dòng)的速度也是最慢的，由此，確定了保險(xiǎn)箱被抬動(dòng)時(shí)報(bào)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(xiǎn)箱門(mén)板時(shí)Z軸的數(shù)據(jù)變化。由于敲擊保險(xiǎn)箱時(shí)，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(shí)，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(xiǎn)箱未受干擾時(shí)的Z軸輸出值。在10次敲擊實(shí)驗(yàn)中，第7次的Z軸輸出最高，此時(shí)的敲擊力度也是10次中最輕的一次，由此，確定了保險(xiǎn)箱被敲擊時(shí)的報(bào)警閾值為2 078。經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用以上兩個(gè)閾值的報(bào)警準(zhǔn)確率可達(dá)100%。

    本文闡述了一種基于加速度傳感器的保險(xiǎn)箱短信報(bào)警系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)報(bào)警準(zhǔn)確率可達(dá)100%，而且，經(jīng)過(guò)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(lái)很大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)價(jià)值。然而，目前大部分保險(xiǎn)箱采用電池供電，對(duì)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(jìn)。
參考文獻(xiàn)
[1]     蘇天魁.保險(xiǎn)箱中的無(wú)線報(bào)警裝置[P].中國(guó)實(shí)用新型專利，CN2497009.2002-06-26.
[2]     胡小良.一種無(wú)線報(bào)警保險(xiǎn)箱[P].中國(guó)實(shí)用新型專利，CN2489058.2002-05-01.
[3]     趙俊如.報(bào)警保險(xiǎn)箱[P].中國(guó)實(shí)用新型專利，CN2169680. 1994-0622.
[4]     李志明.保險(xiǎn)箱防盜報(bào)警器[P].中國(guó)實(shí)用新型專利，CN2102987.1992-04-29.
[5]     MMA7260[R/OL]. http://www.freescale.com/files/sensors/doc/data_sheet/ MMA7260QT.pdf?pspll=1,2009-12-16.