采用单片机与多传感器记录异常开锁多元信息系统的开发

史良

一、选题缘由

在侦查工作中，确定案件的发案时间至关重要，不同的发案时间将直接导致不同的侦查方式和警力、警种的配置与部署。同时，规模化收集准确发案时间信息，结合犯罪嫌疑人的作案手法、进出方式、侵害目标等信息，可以极大地提高串并案件的准确性，为后期扩展侦查线索、打击流窜犯罪、信息研判及案件高危预警等工作起到重要的技术支撑作用。

有关痕迹检验研究，都是以区分技术开锁类型和判断留痕部位这两个方向为主，尚无从异常开锁行为发生的时间角度进行思考的。我们知道，由于入室作案现场的特殊性，绝大多数发案现场均无现场目击者，绝大多数家庭也没有在自己家门口安装架设摄像探头（即使安装架设了摄像头，犯罪行为人也往往会先破坏摄像监控再作案），所以，发案后公安机关更多地是通过受害人等相关人员最后一次进出现场的时间来推断发案的可能时间段。发案时间作为一种犯罪行为要素，是证实犯罪关键证据。如何有效收集利用犯罪行为人的发案时间信息，是侦查工作的重要内容之一。

本文在前期针对不同方式非正常开锁方式、留痕部位研究的基础上，对锁具异常开启的传感信息指标进行了进一步研究。设计了一种对异常开锁信号进行监测并记录监测时间的方案，获得异常开锁行为发生的时间，为案件发生后的侦破工作提供支撑，节约排查工作时间，提高工作效率。

查阅涉及这个问题的相关文献，发现其中的技术方案［1］710-715都局限于检测异常开锁场景的单一信息，没有实现多传感器信息融合。因此，如果遇到开锁人预先破坏，检测的信息传输通道就会失效。异常开锁涉及的信息较多，如开锁时间、震动、压力、开锁人的接近，以及开锁人的面部图像等信息均是现场第一手资料，其中任意一个信息均可作为判断发案时间的参考。而如果能够收集到多个信息，则可以大大提高判断发案时间的准确率。因此，开发一种采用多传感器记录异常开锁系统的研究具有创新价值，有助于公安机关减少物证信息获取时间，震慑潜在不法分子，更好地保护国家、集体和个人的财产安全，维护社会治安稳定。

二、门锁的分类、结构和开锁原理

门锁，一直是防盗的关键。从古老的门栓到现代的电子锁，破锁技术和防盗锁技术一直相互交替上升、更迭。目前市面上流通的锁具（入户锁）主要分为两类：机械锁和电子锁。

在机械锁中，弹子锁是最常见的锁具结构，其原理是在锁内使用一排（对应单牙花钥匙）或多排（对应十字牙花钥匙、一字锁钥匙）孔槽，在孔槽的垂直方向再开凿一定数量的孔洞（每个孔洞对应钥匙牙花个数，一般为5 个以上）并且孔洞深度贯穿锁体和锁芯。在每个孔洞内放入两个不同长度的圆柱体（即弹子），并在孔洞的锁体一端放置弹簧。

当锁内弹子呈特定的排列形态时（与原配钥匙牙花一致），所有锁体、锁芯孔洞内的两个弹子的间隙均在同一位置时，这时锁芯可以转动，锁具开启。反之，当锁内弹子呈不符合特定的排列状态时，弹子横亘在贯通锁芯和锁体的孔洞中造成锁芯无法转动，锁具无法开启。

所以，针对弹子锁的工作原理，开锁技术也应运而生。无论是梳齿（万能钥匙）开锁工具的制作（使用特定工具将锁内弹子全部压入锁体孔洞内，使锁芯转动），还是勾状工具的使用（用钩子反复划拨插孔动内的弹子，同时持续施加锁芯转动方向的力量，利用弹子与孔洞之间的间隙使锁芯转动［2］［3］［4］），亦或是现在最广泛使用的锡纸开锁（将平整锡纸插入无牙花钥匙，反复晃动钥匙，让锁内弹子缓慢并持续落在锡纸上，当弹子间隙同一的临界点到达时，由于持续的晃动，锁芯即刻被转动［5］）。这都是采用不同的方式将弹子的特定排列方式筛选出来，达到转动锁芯的目的。

电子门锁的结构可简单分为电子系统、机械系统和继电器三个部分。其中电子系统的工作原理是通过接收用户的密码或生物特征（指纹、人脸、虹膜和声纹等［6］）信息，与前期储存的密码或生物特征进行比对，如果匹配，则驱动电磁继电器转动。电子门锁的机械系统部分的工作原理与传统机械门锁工作原理一致，只是锁芯弹子特定排列组合状态匹配变为电子系统的密码或生物特征匹配。

在电子锁内连接电子系统和机械系统的是继电器。当匹配成功，电路板将给继电器发出转动信号。继电器转动直接带动锁具内部的连接方钢转动实现开锁的，即为全自动电子门锁。继电器转动只是解锁锁体外侧把手，需要手动下压门把手才能实现开锁的，则为半自动电子门锁。同时，虽然电子门锁的品牌种类繁多，但是均保留了备用应急开启方式（应对停电状态，这是国家强制要求预留的）。应急开启主要通过在锁体隐秘处设置另一套机械锁芯来实现。

所以，非正常开启电子锁主要有以下三种情况。第一，攻击锁体的电子系统部分。包括制作假指纹（伪造虹膜、声纹等）、特斯拉线圈（用过载电流使电路板重启恢复出厂设置［7］［8］）、复制卡信息、强磁铁（吸引继电器使其转动［1］710-715）等。第二，攻击电子锁的机械部分。包括使用特制钢片、面板钳暴力插入锁体和门体之间的缝隙，直接卡住锁体内部的连接方钢，转动方钢即可实现锁芯转动［9］；在锁体表面打孔，用铁丝等划拉继电器转动，实现解锁。第三，寻找应急开启锁芯，越过锁体直接技术开锁应急锁芯，实现解锁。

此外，还有绕开锁芯直接针对门锁锁舌的插片开锁方式；利用猫眼或门缝将特制套筒工具伸入门内侧，套住门内把手，下压开门的方式；或者直接暴力撬压门缝扩缝开启的方式。

二、系统构架

经多方案研究验证，本研究的系统整体由六个部分构成，结构如图1 所示，分别是震动信息采集部分、红外信息采集部分、图像信息采集部分、压力信息采集部分、显示单元和单片机部分。震动信息采集部分，主要功能是采集开锁时的震动力度。红外信息采集部分，用于采集开锁人员是否接近锁体的信息。图像信息采集部分，采集开锁人员的面部图像信息。压力信息采集部分，采集开锁时是否超过正常开锁的压力信息。上述采集的各部分信息，通过单片机的通用输入输出口（IO 口）进行相应的逻辑运算，实现多信息融合，最后得到该环境下较为准确的是否为异常开锁的结论。若为异常开锁，在设定权限下保留上述信息，否则就下一次触发异常开锁记录时删除该记录，确保存储空间记录下有用信息，而不至于快速超出存储容量。显示单元与单片机单元通讯，将时间、图像等直观信息显示出来，供进一步使用。

图1 多传感器信息融合的异常开锁记录系统构架

三、技术方案

本系统中单片机部分，采用STM32F103 系列单片机STM32F103C8T，电路设计见图2。其中的压力、震动、红外、三个传感器信息在此进行逻辑运算，进行信息融合，经验证获得了准确度较高的输出显示。

图2 单片机部分

震动信息采集部分，可选用震动传感器SW-18010P、SW-420 传感器等，本研究采用SW-18010P 传感器，具体接口电路设计见图3。该传感器用电平方式输出震动信号，通过LM393双电压比较器芯片输出比较结果，用网络DO 与单片机IO 口相连接，如果是强震动则比较结果为低电平，同时指示灯量。单片机对应IO 口获取该信息后再与其他信息进行逻辑运算，即信息融合。图像信息采集部分，使用现有的摄像头，本研究选用OV2640 型，其与单片机连接的接口定义如图4。该电路用于视觉传感器获取图像与单片机通信，拍摄开锁时刻图像存储在SD 卡上备用。

图3 震动信息采集部分

图4 图像信号采集部分接口定义

压力信息采集部分，使用现有的传感器，研究采用RPF 压力传感器，其与单片机连接的接口定义如图5。压力传感器信号采集部分RFP 压力传感器输出信号为电阻值，当压力越大传感器输出的阻值越小。

图5 压力传感器接口

红外信息采集部分，该电路使用RDB223 数字人体红外线感应器探头，其输出信号直接进入单片机IO 口，参与逻辑运算，具体接口电路设计见图6。

图6 红外信息采集部分接口电路

显示单元设计，采用11 脚的ILI9341 液晶显示屏，具体电路设计见图7 所示显示部分接口电路，该接口上所标的网络标号PEN、CS2、CS1、MISO、BLK、DC、RES1、MOSI、CLK 共9 个信号与单片机上对应的网络标号名称相连接，其中3V3 和GND 分别代表3.3V 直流电压和地。

图7 显示部分接口电路

四、研究结果

通过该异常开锁记录系统的研究，实现了以单片机为逻辑运算核心，分别对来自于震动、红外、压力和图像传感器信息进行融合，利用单片机的逻辑运算功能判别记录异常开锁场景信息，进行各主要模块电路仿真验证。使用Keil 和Protues 软件，在Keil 软件数据库中调用数据，编写函数内容，对单片机进行了相应程序的编写、编译与错误修正。用Protues 制图完成器件检索，引脚标号连接，电路绘制，随后进行程序写入及仿真。在总体的设计流程里，单独完成了相应的功能模块，进行验证，最终呈现总体功能。模拟显示远程设备上的锁具正常开启、暴力开启及非暴力开启信息的远程模拟显示如图8 所示，当系统判断锁具被暴力破坏，输出驱动红色LED 灯亮，蜂鸣器报警。模拟在远程设备上的信息显示“锁被暴力打开！！！”字样，包括时间和非正常电压值。当锁具被非暴力开启，模拟在远程设备上的信息显示“非暴力开锁，请留意！！！”字样，包括开锁时间和非正常频率值。当调节频率不在500-700 之间，按下按钮，模拟锁具非暴力开启，红色LED 灯亮，蜂鸣器报警，如图9 所示。

图8 异常开锁检测模拟远程信息显示

图9 非正常频率

一定环境下的异常开锁现场有多个传感器信号呈现，单一信息的采集不足以判断是否为异常开锁，用多信息及其融合可保证最大程度地还原当时场景；采用多传感器信息融合的方法能得到相较更为准确的异常开锁信息；可采用权限设置保存开锁现场的多个信息，待信息融合和逻辑判断确为正常开锁后再删除信息，确保信息不易丢失、可靠又提高了记录系统的存储器利用效率。

通过研究一种基于单片机及多传感器信息融合的异常开锁记录系统，从而得到较高准确率和真实性的异常开锁信息，真实反映了现场开锁时刻的实时状态，相对于利用单一的开锁信息判断，结论的准确性得到进一步提高。准确的异常开锁时间可视为准确的发案时间，在发案后的现场勘查中被发现、提取下来，可极大的节约后期侦查摸底排查的时间，为下一步侦查措施的制定提供时间依据。同时，异常开锁记录系统中的异常开锁信息，只能由现场勘查人员在现场勘查这个侦查行为中获取，具有数据不可修改性和证据的可溯源性，也为后期案件诉讼提供了时间证据。