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【摘要】目前传统的博物馆安防系统虽然可以较全面的保护博物馆的各个方面，但随着盗窃分子和犯罪团伙的手段的提升，博物馆安防系统在发展过程中仍然暴露出一些问题。主要有以下几个方面的体现：各子系统相对独立，难以发挥整体效应；安防系统被动防御，难以主动预防；缺少和公安、消防等系统的有效联动。随着技术的发展，物联网的兴起给传统安保系统注入了新的血液。本文在物联网的概念范围内对博物馆的安保进行了研究，做出了相关研究与设计，旨在改进博物馆的安防系统。
【关键词】文物安防传感器ZigBee无线传感器
2010年5月8日，故宫发生了举世震惊的盗窃案，“京城第一保卫处”没有捍卫住故宫的国宝，被一个事前并无准备的盗窃分子成功盗得国宝并逃之夭夭，让故宫蒙羞，这不禁让本系统们对博物馆的安保系统产生了很大的质疑。[4][5]
随着技术的发展，安保产品种类不断丰富，发展到了视频控制、出入口控制、入侵报警、防爆安检等十几大类，闭路监控发展迅猛，年增长率达到30%左右。[1]而物联网技术可以实现诸如实时监控、位置定位、智能分析判断、人机对话等诸多功能，基于物联网的安保系统具备自感应、自适应和自学习能力，能够结合多种传感器信息，实现事故目标的有效分类和高精度区域定位。[3]同时针对目前安防系统主要存在几个问题：
1、各子系统相对独立，难以发挥整体效应；
2、安防系统被动防御，难以主动预防；
3、缺少和公安、消防等系统的有效联动。[2]
本文分别从多种探测器的应用、数据传输、预警机制、应急机制四方面出发，旨在改进现有的博物馆安防系统，预估可能出现的不利状况，转被动防御为主动防御，探索人防和物防的结合。
一、系统工作原理
探测器是探测入侵者入侵行为的电子和机械部件组成的装置，由传感器和信号处理器组成。在本系统中，使用多种传感器对受监控对象及环境进行实时信息的采集，其包括压力传感器、红外传感器、温湿度传感器、超声波传感器；并用AT Mega16和AT Mega128单片机来对采集信号进行进一步的处理。[7]
前端传感器采集信号的精度不准确，会造成报警位置判断的偏差，因此要求前端的传感器必须具备高的精度并且各个传感器的物理特性必须高度一致。
系统工作原理：
1、分节点用称重传感器，红外传感器、超声波传感器等多种传感器对监控对象及环境信息的采集，判断监测对象是否安全，环境是否合适等，从而实现现场报警和远程数据监控；
2、中心节点搭载温度传感器、湿度传感器，监控展厅的温度和湿度，数据通过串口转网口模块实时传送数据到监控室的上位机，上位机通过监测异常在适当的时候触发报警机制。包括ATmega128单片机、ZigBee无线模块、TTL转网口模块，通过使用ZigBee无线模块实现分节点和中心节点的通信；
3、使用TTL转网口模块实现中心节点联接互联网，从而使上位机通过TCP/IP协议与中心节点实现通信。及时通过无线的方式实现终端节点与中心节点的传输，并把数据通过以太网传输给上位机；
4、利用继电器实现了各个分节点和中心节点的断电保护功能，断电能马上切换到备用电源供电。当系统出现断网、断电、数据异常时，上位机能迅速通过GSM模块向安保人员发出预警短信。[6]
二、数据传输
该项目需要将一个展厅中各个分节点的数据汇总到同一个中心节点上，采用无线传输的方式具有占用空间小，方便灵活，接线简单的优点，故决定采用无线传输的模式。
ZigBee协议通信具有近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本等特点。适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备，实现无线数据传输与控制。市场上有相应的模块可以实现嵌入式系统与互联网的连接。
由于ZigBee协议这种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术已经非常成熟，有相对多成型的产品，本系统选用了顺舟科技的SZ05-STD ZigBee嵌入式无线串口通信模块。
主要功能描述：有RS232、485、TTL接口与无线Z-BEE的相互转换，通过无线ZIGBEE进行组网通信；
无线功能强大：具备中继路由和终端设备功能；
通信距离较远：最大视距传输距离200米；
抗干扰能力强：2.4G DSSS扩频技术；
串口应用灵活：透明方式或指令格式传输，最高波特率115200；
发送模式灵活：广播发送或目标地址发送模式可选；
●节点类型灵活：中心节点、路由节点、终端节点可任意设置；
●组网能力较强：星型网、树型网、链型网、网状网；
●网络容量较大：16信道可选，65535个网络ID可任意设置；
总体来说其采用了加强型的ZIGBEE无线技术，符合工业标准应用的无线数据通信设备，具有通讯距离远、抗干扰能力强、组网灵活等优点和特性；可实现多设备间的数据透明传输；可组MESH型的网状网络结构。
在这个系统中采用的是TTL电平，在引脚图中利用到的是RX1，TX1，VCC，GND这4个管脚。
该模块在分节点和都中心节点都需要使用到，但都是接分节点AT Mega16和AT Mega128的TX和RX。
在AT Mega16中，本系统使用的是串口D0和D1管脚收发数据；在AT Mega128中，本系统使用的是串口E0和E1收发数据。
三、预警机制和应急机制
预警机制即在文物的安全出现问题时，能够迅速发出警报，一方面能够警告其本人，令一方面能够通知安保人员。本项目中的预警机制包括现场预警和GSM模块预警。当现场传感器监测到异常时，语音模块能现场预警。另外，GSM预警用于在系统出现异状时进行预警。[8] 而应急机制在于提高本系统的可靠性，应对突发状况。对会致使系统停止工作的紧急情况进行预计，并设计应对方案。
3.1.1现场预警
现场预警靠语音模块来完成。下面是其应用方框图：
片选信号CS先拉低5ms以唤醒语WT588D-U语音模块，接收数据低位在先，在时钟的上升沿接收数据。时钟周期介于100us～2ms之间，推荐使用300us。数据成功接收后，语音播放忙信号BUSY输出在20ms之后做出响应。发送数据时先发低位，再发高位。在发送数据时，无需先发送命令码再发送指令，直接发送地址数据便可触发播放语音。
3.1.2GSM模块预警
现场预警的作用一方面是震慑当事人，另一方面也有通知附近安保人员的作用。但由于其本身条件的限制，其作用的范围还是有限，可靠性也有待加强。因此，需要有一个能远程预警的机制，能够最快最大范围通知安保人员的预警机制，保证文物的安全。
本系统利用GSM模块联接上位机，利用上位机采集异常，从而触发GSM模块的方式，用短信通知安保人员，在扩散范围和扩散速度上有了很大保证。
系统不可能永远稳定，因此有必要对致使系统停止工作的紧急情况进行预估，并设计应对方案。在本项目中，针对可能突然停电或者不法分子故意切断供电的情况，设计了备用电源供电模式，当系统突然断电时，备用的电池电路能够有效的持续对系统进行供电，提高了系统的安全性。
继电器是一种电控制器件。它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路）之间的互动关系。通常应用于自动化的控制电路中，它实际上是用小电流去控制大电流运作的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。
四、结束语
本项目完成了多种传感器对数据的实时采集，最大的程度的保证对文物的全面监控；基于ZigBee技术实现了数据的无线传输，保证了数据便捷稳定的传输和汇集；基于串口通信模块实现与Internet的互联，实现了监控室上位机对各个节点的实时监控；设计了多种预警机制，保证当文物出现危险时能够及时震慑不法分子和及时准确通知安保人员；还设计了应急机制，以便发生紧急情况时做出快速反应。
参考文献
[1]朱国平.博物馆的报警系统设计.安防科技. 10.2003，10：65-67.
[2]杨平，马步远，张有光等.博物馆声敏监控报警系统的设计与实现.计算机工程与设计. 28（2）.2007，1：462-464.
[3]安琦.现代监控系统在天津博物馆中的应用.天津科技. 34（5）. 2007，5：68-69.
[4]李元彪.对博物馆安防系统进行过程管理消除漏报保安全.安防科技. 6.2006，6：16-19.
[5]宋才发.民族博物馆的文物安全与保护探讨.黑龙江民族丛刊. 1.2011；103-111.
[6]黄少军.基于安防中间件的安防软件集成平台的研究.中国安防. 8.2009：44-48.
[7]马侠.浅谈博物馆安防系统基本组成、设计及应用.魅力中国.34.2010：165.
[8]刘起富.安全防范技术在文物安全工作中的作用及对文物系统安全管理的体会.中国安防. 10.2008：97-102.
【关键词】文物安防传感器ZigBee无线传感器
2010年5月8日，故宫发生了举世震惊的盗窃案，“京城第一保卫处”没有捍卫住故宫的国宝，被一个事前并无准备的盗窃分子成功盗得国宝并逃之夭夭，让故宫蒙羞，这不禁让本系统们对博物馆的安保系统产生了很大的质疑。[4][5]
随着技术的发展，安保产品种类不断丰富，发展到了视频控制、出入口控制、入侵报警、防爆安检等十几大类，闭路监控发展迅猛，年增长率达到30%左右。[1]而物联网技术可以实现诸如实时监控、位置定位、智能分析判断、人机对话等诸多功能，基于物联网的安保系统具备自感应、自适应和自学习能力，能够结合多种传感器信息，实现事故目标的有效分类和高精度区域定位。[3]同时针对目前安防系统主要存在几个问题：
1、各子系统相对独立，难以发挥整体效应；
2、安防系统被动防御，难以主动预防；
3、缺少和公安、消防等系统的有效联动。[2]
本文分别从多种探测器的应用、数据传输、预警机制、应急机制四方面出发，旨在改进现有的博物馆安防系统，预估可能出现的不利状况，转被动防御为主动防御，探索人防和物防的结合。
一、系统工作原理
探测器是探测入侵者入侵行为的电子和机械部件组成的装置，由传感器和信号处理器组成。在本系统中，使用多种传感器对受监控对象及环境进行实时信息的采集，其包括压力传感器、红外传感器、温湿度传感器、超声波传感器；并用AT Mega16和AT Mega128单片机来对采集信号进行进一步的处理。[7]
前端传感器采集信号的精度不准确，会造成报警位置判断的偏差，因此要求前端的传感器必须具备高的精度并且各个传感器的物理特性必须高度一致。
系统工作原理：
1、分节点用称重传感器，红外传感器、超声波传感器等多种传感器对监控对象及环境信息的采集，判断监测对象是否安全，环境是否合适等，从而实现现场报警和远程数据监控；
2、中心节点搭载温度传感器、湿度传感器，监控展厅的温度和湿度，数据通过串口转网口模块实时传送数据到监控室的上位机，上位机通过监测异常在适当的时候触发报警机制。包括ATmega128单片机、ZigBee无线模块、TTL转网口模块，通过使用ZigBee无线模块实现分节点和中心节点的通信；
3、使用TTL转网口模块实现中心节点联接互联网，从而使上位机通过TCP/IP协议与中心节点实现通信。及时通过无线的方式实现终端节点与中心节点的传输，并把数据通过以太网传输给上位机；
4、利用继电器实现了各个分节点和中心节点的断电保护功能，断电能马上切换到备用电源供电。当系统出现断网、断电、数据异常时，上位机能迅速通过GSM模块向安保人员发出预警短信。[6]
二、数据传输
该项目需要将一个展厅中各个分节点的数据汇总到同一个中心节点上，采用无线传输的方式具有占用空间小，方便灵活，接线简单的优点，故决定采用无线传输的模式。
ZigBee协议通信具有近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本等特点。适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备，实现无线数据传输与控制。市场上有相应的模块可以实现嵌入式系统与互联网的连接。
由于ZigBee协议这种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术已经非常成熟，有相对多成型的产品，本系统选用了顺舟科技的SZ05-STD ZigBee嵌入式无线串口通信模块。
主要功能描述：有RS232、485、TTL接口与无线Z-BEE的相互转换，通过无线ZIGBEE进行组网通信；
无线功能强大：具备中继路由和终端设备功能；
通信距离较远：最大视距传输距离200米；
抗干扰能力强：2.4G DSSS扩频技术；
串口应用灵活：透明方式或指令格式传输，最高波特率115200；
发送模式灵活：广播发送或目标地址发送模式可选；
●节点类型灵活：中心节点、路由节点、终端节点可任意设置；
●组网能力较强：星型网、树型网、链型网、网状网；
●网络容量较大：16信道可选，65535个网络ID可任意设置；
总体来说其采用了加强型的ZIGBEE无线技术，符合工业标准应用的无线数据通信设备，具有通讯距离远、抗干扰能力强、组网灵活等优点和特性；可实现多设备间的数据透明传输；可组MESH型的网状网络结构。
在这个系统中采用的是TTL电平，在引脚图中利用到的是RX1，TX1，VCC，GND这4个管脚。
该模块在分节点和都中心节点都需要使用到，但都是接分节点AT Mega16和AT Mega128的TX和RX。
在AT Mega16中，本系统使用的是串口D0和D1管脚收发数据；在AT Mega128中，本系统使用的是串口E0和E1收发数据。
三、预警机制和应急机制
预警机制即在文物的安全出现问题时，能够迅速发出警报，一方面能够警告其本人，令一方面能够通知安保人员。本项目中的预警机制包括现场预警和GSM模块预警。当现场传感器监测到异常时，语音模块能现场预警。另外，GSM预警用于在系统出现异状时进行预警。[8] 而应急机制在于提高本系统的可靠性，应对突发状况。对会致使系统停止工作的紧急情况进行预计，并设计应对方案。
3.1.1现场预警
现场预警靠语音模块来完成。下面是其应用方框图：
片选信号CS先拉低5ms以唤醒语WT588D-U语音模块，接收数据低位在先，在时钟的上升沿接收数据。时钟周期介于100us～2ms之间，推荐使用300us。数据成功接收后，语音播放忙信号BUSY输出在20ms之后做出响应。发送数据时先发低位，再发高位。在发送数据时，无需先发送命令码再发送指令，直接发送地址数据便可触发播放语音。
3.1.2GSM模块预警
现场预警的作用一方面是震慑当事人，另一方面也有通知附近安保人员的作用。但由于其本身条件的限制，其作用的范围还是有限，可靠性也有待加强。因此，需要有一个能远程预警的机制，能够最快最大范围通知安保人员的预警机制，保证文物的安全。
本系统利用GSM模块联接上位机，利用上位机采集异常，从而触发GSM模块的方式，用短信通知安保人员，在扩散范围和扩散速度上有了很大保证。
系统不可能永远稳定，因此有必要对致使系统停止工作的紧急情况进行预估，并设计应对方案。在本项目中，针对可能突然停电或者不法分子故意切断供电的情况，设计了备用电源供电模式，当系统突然断电时，备用的电池电路能够有效的持续对系统进行供电，提高了系统的安全性。
继电器是一种电控制器件。它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路）之间的互动关系。通常应用于自动化的控制电路中，它实际上是用小电流去控制大电流运作的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。
四、结束语
本项目完成了多种传感器对数据的实时采集，最大的程度的保证对文物的全面监控；基于ZigBee技术实现了数据的无线传输，保证了数据便捷稳定的传输和汇集；基于串口通信模块实现与Internet的互联，实现了监控室上位机对各个节点的实时监控；设计了多种预警机制，保证当文物出现危险时能够及时震慑不法分子和及时准确通知安保人员；还设计了应急机制，以便发生紧急情况时做出快速反应。
参考文献
[1]朱国平.博物馆的报警系统设计.安防科技. 10.2003，10：65-67.
[2]杨平，马步远，张有光等.博物馆声敏监控报警系统的设计与实现.计算机工程与设计. 28（2）.2007，1：462-464.
[3]安琦.现代监控系统在天津博物馆中的应用.天津科技. 34（5）. 2007，5：68-69.
[4]李元彪.对博物馆安防系统进行过程管理消除漏报保安全.安防科技. 6.2006，6：16-19.
[5]宋才发.民族博物馆的文物安全与保护探讨.黑龙江民族丛刊. 1.2011；103-111.
[6]黄少军.基于安防中间件的安防软件集成平台的研究.中国安防. 8.2009：44-48.
[7]马侠.浅谈博物馆安防系统基本组成、设计及应用.魅力中国.34.2010：165.
[8]刘起富.安全防范技术在文物安全工作中的作用及对文物系统安全管理的体会.中国安防. 10.2008：97-102.