采用單片機與多傳感器記錄異常開鎖多元信息系統(tǒng)的開發(fā)

史良

一、選題緣由

在偵查工作中，確定案件的發(fā)案時間至關(guān)重要，不同的發(fā)案時間將直接導(dǎo)致不同的偵查方式和警力、警種的配置與部署。同時，規(guī)模化收集準確發(fā)案時間信息，結(jié)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(yù)警等工作起到重要的技術(shù)支撐作用。

有關(guān)痕跡檢驗研究，都是以區(qū)分技術(shù)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(fā)生的時間角度進行思考的。我們知道，由于入室作案現(xiàn)場的特殊性，絕大多數(shù)發(fā)案現(xiàn)場均無現(xiàn)場目擊者，絕大多數(shù)家庭也沒有在自己家門口安裝架設(shè)攝像探頭（即使安裝架設(shè)了攝像頭，犯罪行為人也往往會先破壞攝像監(jiān)控再作案），所以，發(fā)案后公安機關(guān)更多地是通過受害人等相關(guān)人員最后一次進出現(xiàn)場的時間來推斷發(fā)案的可能時間段。發(fā)案時間作為一種犯罪行為要素，是證實犯罪關(guān)鍵證據(jù)。如何有效收集利用犯罪行為人的發(fā)案時間信息，是偵查工作的重要內(nèi)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(chǔ)上，對鎖具異常開啟的傳感信息指標進行了進一步研究。設(shè)計了一種對異常開鎖信號進行監(jiān)測并記錄監(jiān)測時間的方案，獲得異常開鎖行為發(fā)生的時間，為案件發(fā)生后的偵破工作提供支撐，節(jié)約排查工作時間，提高工作效率。

查閱涉及這個問題的相關(guān)文獻，發(fā)現(xiàn)其中的技術(shù)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(xiàn)多傳感器信息融合。因此，如果遇到開鎖人預(yù)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(xiàn)場第一手資料，其中任意一個信息均可作為判斷發(fā)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(fā)案時間的準確率。因此，開發(fā)一種采用多傳感器記錄異常開鎖系統(tǒng)的研究具有創(chuàng)新價值，有助于公安機關(guān)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(chǎn)安全，維護社會治安穩(wěn)定。

二、門鎖的分類、結(jié)構(gòu)和開鎖原理

門鎖，一直是防盜的關(guān)鍵。從古老的門栓到現(xiàn)代的電子鎖，破鎖技術(shù)和防盜鎖技術(shù)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(jié)構(gòu)，其原理是在鎖內(nèi)使用一排（對應(yīng)單牙花鑰匙）或多排（對應(yīng)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(shù)量的孔洞（每個孔洞對應(yīng)鑰匙牙花個數(shù)，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(nèi)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(dāng)鎖內(nèi)彈子呈特定的排列形態(tài)時（與原配鑰匙牙花一致），所有鎖體、鎖芯孔洞內(nèi)的兩個彈子的間隙均在同一位置時，這時鎖芯可以轉(zhuǎn)動，鎖具開啟。反之，當(dāng)鎖內(nèi)彈子呈不符合特定的排列狀態(tài)時，彈子橫亙在貫通鎖芯和鎖體的孔洞中造成鎖芯無法轉(zhuǎn)動，鎖具無法開啟。

所以，針對彈子鎖的工作原理，開鎖技術(shù)也應(yīng)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(nèi)彈子全部壓入鎖體孔洞內(nèi)，使鎖芯轉(zhuǎn)動），還是勾狀工具的使用（用鉤子反復(fù)劃撥插孔動內(nèi)的彈子，同時持續(xù)施加鎖芯轉(zhuǎn)動方向的力量，利用彈子與孔洞之間的間隙使鎖芯轉(zhuǎn)動［2］［3］［4］），亦或是現(xiàn)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(fù)晃動鑰匙，讓鎖內(nèi)彈子緩慢并持續(xù)落在錫紙上，當(dāng)彈子間隙同一的臨界點到達時，由于持續(xù)的晃動，鎖芯即刻被轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動鎖芯的目的。

電子門鎖的結(jié)構(gòu)可簡單分為電子系統(tǒng)、機械系統(tǒng)和繼電器三個部分。其中電子系統(tǒng)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(qū)動電磁繼電器轉(zhuǎn)動。電子門鎖的機械系統(tǒng)部分的工作原理與傳統(tǒng)機械門鎖工作原理一致，只是鎖芯彈子特定排列組合狀態(tài)匹配變?yōu)殡娮酉到y(tǒng)的密碼或生物特征匹配。

在電子鎖內(nèi)連接電子系統(tǒng)和機械系統(tǒng)的是繼電器。當(dāng)匹配成功，電路板將給繼電器發(fā)出轉(zhuǎn)動信號。繼電器轉(zhuǎn)動直接帶動鎖具內(nèi)部的連接方鋼轉(zhuǎn)動實現(xiàn)開鎖的，即為全自動電子門鎖。繼電器轉(zhuǎn)動只是解鎖鎖體外側(cè)把手，需要手動下壓門把手才能實現(xiàn)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(yīng)急開啟方式（應(yīng)對停電狀態(tài)，這是國家強制要求預(yù)留的）。應(yīng)急開啟主要通過在鎖體隱秘處設(shè)置另一套機械鎖芯來實現(xiàn)。

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(tǒng)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(fù)出廠設(shè)置［7］［8］）、復(fù)制卡信息、強磁鐵（吸引繼電器使其轉(zhuǎn)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(nèi)部的連接方鋼，轉(zhuǎn)動方鋼即可實現(xiàn)鎖芯轉(zhuǎn)動［9］；在鎖體表面打孔，用鐵絲等劃拉繼電器轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)解鎖。第三，尋找應(yīng)急開啟鎖芯，越過鎖體直接技術(shù)開鎖應(yīng)急鎖芯，實現(xiàn)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(nèi)側(cè)，套住門內(nèi)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(tǒng)構(gòu)架

經(jīng)多方案研究驗證，本研究的系統(tǒng)整體由六個部分構(gòu)成，結(jié)構(gòu)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(yīng)的邏輯運算，實現(xiàn)多信息融合，最后得到該環(huán)境下較為準確的是否為異常開鎖的結(jié)論。若為異常開鎖，在設(shè)定權(quán)限下保留上述信息，否則就下一次觸發(fā)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(tǒng)構(gòu)架

三、技術(shù)方案

本系統(tǒng)中單片機部分，采用STM32F103 系列單片機STM32F103C8T，電路設(shè)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(jīng)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(shè)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(jié)果，用網(wǎng)絡(luò)DO 與單片機IO 口相連接，如果是強震動則比較結(jié)果為低電平，同時指示燈量。單片機對應(yīng)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(xiàn)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(xiàn)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(dāng)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(shù)字人體紅外線感應(yīng)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(shè)計見圖6。

圖6 紅外信息采集部分接口電路

顯示單元設(shè)計，采用11 腳的ILI9341 液晶顯示屏，具體電路設(shè)計見圖7 所示顯示部分接口電路，該接口上所標的網(wǎng)絡(luò)標號PEN、CS2、CS1、MISO、BLK、DC、RES1、MOSI、CLK 共9 個信號與單片機上對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)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(jié)果

通過該異常開鎖記錄系統(tǒng)的研究，實現(xiàn)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(shù)據(jù)庫中調(diào)用數(shù)據(jù)，編寫函數(shù)內(nèi)容，對單片機進行了相應(yīng)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?qū)懭爰胺抡?。在總體的設(shè)計流程里，單獨完成了相應(yīng)的功能模塊，進行驗證，最終呈現(xiàn)總體功能。模擬顯示遠程設(shè)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(dāng)系統(tǒng)判斷鎖具被暴力破壞，輸出驅(qū)動紅色LED 燈亮，蜂鳴器報警。模擬在遠程設(shè)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(dāng)鎖具被非暴力開啟，模擬在遠程設(shè)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(dāng)調(diào)節(jié)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(huán)境下的異常開鎖現(xiàn)場有多個傳感器信號呈現(xiàn)，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(dāng)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(quán)限設(shè)置保存開鎖現(xiàn)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(tǒng)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(tǒng)，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(xiàn)場開鎖時刻的實時狀態(tài)，相對于利用單一的開鎖信息判斷，結(jié)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(fā)案時間，在發(fā)案后的現(xiàn)場勘查中被發(fā)現(xiàn)、提取下來，可極大的節(jié)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(jù)。同時，異常開鎖記錄系統(tǒng)中的異常開鎖信息，只能由現(xiàn)場勘查人員在現(xiàn)場勘查這個偵查行為中獲取，具有數(shù)據(jù)不可修改性和證據(jù)的可溯源性，也為后期案件訴訟提供了時間證據(jù)。