安全監視解決方案需要與時俱進，與科技同步發展。隨著威脅安全的因素增多，安全監視解決方案也從奢侈品降為必需品。本文介紹一個既能監視住宅及社區又能遠端監視病患和嬰兒的安全監視解決方案。
為了提高市場占有率，安全監視系統應該要性能可靠、價格低廉且簡單易用。利用一個32位元安謀國際(ARM)Cortex-M3微控制器如意法半導體(STMicroelectronics)的STM32，外加一顆影像感測器和全球行動通訊系統(GSM)/通用封包無線服務技術(GPRS)模組，即可建立一個無線安全監視系統。
GSM/GPRS是目前使用得非常廣泛的線上監視協定，將該協定與安謀國際Cortex-M3微控制器配合使用，即可以建立最新的安全監視解決方案(圖1)。無線偵察監視系統的安裝維護都非常簡單，而且效能很好。
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| 圖1 採用Cortex-M3微控制器和GPRS技術的安全監視系統應用示意圖 |
打造無線監視系統
無線監視系統包括微控制器、感測器、GSM/GPRS無線模組等主要元件，以下分別加以說明。
微控制器功能豐富有助降低系統成本
STM32微控制器是一款基於32位元安謀國際Cortex-M3內核的微控制器，主頻72MHz，處理速度為90DMIPS、1.25DMIPS/MHz，內建64KB靜態隨機存取記憶體(SRAM)和1MB快閃記憶體，具有單時鐘週期乘法和硬體除法功能。為提高整體性能，該元件最多提供一百一十二支快速通用型的輸入輸出接腳，輸入輸出接腳容許5伏特(V)電壓。與市面現有的幾款雙電壓微控制器不同，STM32採用2～3.6伏特單電壓電源。
該微控制器的功能十分豐富，有助於降低系統成本，例如內建的即時時鐘可用於實現時間和日曆功能。此外，其時鐘機制具有很高的靈活性，工廠可調整其內部阻容振盪器的工作頻率為8MHz，在0～70℃溫度範圍內，誤差為±1%。因此，若沒有使用關鍵周邊設備的通訊功能，整個系統可以使用鎖相迴路(PLL)提供的內部64MHz時鐘。
使用Cortex-M3微控制器的好處包括具有較低的內部中斷延遲，可支援末尾連鎖(Tail Chaining)和遲來中斷；更高的代碼密度，支援非對齊(Unaligned)記憶存取和對齊存取；情境轉換速度快；具備向量式中斷控制器(NVIC)；作業系統計時器(整合SysTick Timer)。
結合多重感測器滿足更多應用
此微控制器實現攝影機介面韌體庫，能夠從攝影機採集影像資料。影像感測器透過內部整合電路(I2C)介面連接到微控制器，微控制器透過I2C介面發布拍攝命令。直接記憶體存取(DMA)被用於透過通用型輸入輸出(GPIO)接腳採集影像資料。
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影像感測器可拍攝不同解析度的JPEG格式圖片，QVGA(320×240)的解析度對安全監視系統已足夠用。圖片透過GPRS網路送到網路伺服器。 |
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| 圖2 玻璃破損感測器 |
此種感測器利用聲波和衝擊波原理檢測門窗玻璃是否被外力擊碎，透過分析玻璃破損聲波特性，確定門窗玻璃是否破損。更複雜的系統設計是利用類似於離散餘弦轉換(DCT)和快速傅立葉轉換(FFT)的訊號轉換方法，透過對比聲波分析與一個或多個玻璃破損曲線，來確定門窗玻璃是否破損(圖2)。 |
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| 圖3 漏氣感測器 |
漏氣感測器(圖3)分為機電式漏氣感測器和電阻式漏氣感測器兩大類。機電式漏氣感測器可測量因漏氣被氧化或還原而在加熱極產生的電流。而電阻式漏氣感測器含有一個TiO2加熱板，當遇到還原性氣體如甲烷時，電阻值就會發生變化。 |
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| 圖4 煙霧/熱感測器 |
這類感測器具有優異的消防報警功能。當檢測到環境溫度驟升時，熱感測器立即啟動消防報警器。煙霧感測器的原理是測量光發射器與接收器/ 發光二極體之間的光線傳輸。當有煙霧時，光線傳輸將會受阻(圖4)。 |
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| 圖5 被動式紅外線感測器 |
被動式紅外線感測器(PIR)(圖5)利用的是熱釋電現象。這類感測器能夠發現長紅外線發射源，能夠在限制區域發現非法闖入的人類或動物，在室內的使用效果非常好。 |
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圖片來源：帝巨
圖6 微開關 |
這些裝置用於偵測強行進入限制區域的闖入者。絆線(Trip Wire)是一種非常細(幾乎看不見)的銅線，當有人進入絆線封閉的區域時，絆線就會斷開，從而觸發報警裝置。絆線不一定是實體線，也可能是雷射器發射的雷射光束。微開關(圖6)與門窗相連，能夠發現任何打開門窗的企圖。 |
GSM/GPRS模組實現遠端應用
GSM/GPRS模組用於連接無線行動網路。GPRS是一種在2.5G無線行動通訊系統上以封包方式傳輸資料的行動資料服務。GPRS支援網路協定(IP)、點到點協議(PPP)和X.25網路等協定。
GSM/GPRS所採用的多址方式基於分頻多工(FDD)和分時多重存取(TDMA)技術。在一次對話過程中，一個使用者被分配給一個上行通道和一個下行通道。這種方法與時域統計複用配合使用。資料封包的長度固定，與一個GSM時槽對應。
下行通道採用先來先服務的調度方法，而上行資訊則採用一個非常類似R-ALOHA的方法，這就是說，在通道爭用期間，預定查詢使用分段式ALOHA(S-ALOHA)協定。然後，按照先來先服務的調度方法，使用動態TDMA傳送實際資料。如果同時使用八個時槽，GPRS的最高理想傳輸速率達到171.2kbit/s。
GPRS系統根據接入點名稱(APN)建立GPRS連接。APN用於定義服務的種類，例如，無線應用協定(WAP)接入、簡訊服務(SMS)、多媒體簡訊服務(MMS)。APN還用於定義網路通訊服務，例如電子郵件和全球資訊網。
為了給一個無線數據機建立一個GPRS連接，使用者必須配置一個APN，填寫用戶名與密碼(可選)和一個IP位址(很少用)，這些參數都是由網路營運業者提供。GPRS讓用戶能夠隨時上網，必要時立即收發資訊，資料傳輸取決於行動網路覆蓋率。
運作模式剖析
被保護區域裝有所需的感測器和帶有GSM/GPRS模組的控制台。感測器與控制台透過無線或有線介面交交互操作。萬一有闖入者非法進入管制區域，其中一個接近感測器立即觸發影像感測器，拍攝闖入者影像，然後把影像透過GPRS送到網路伺服器。
此外，入侵通知還可以發送到遠端監視網站或相關使用者的手機上。入侵通知也可以是GSM簡訊形式。這個監視解決方案包含觸發模式和串流模式兩個運行模式：
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當影像感測器被觸發後，攝影機立即拍攝闖入者影像，然後透過通用同步/異步收發器(USART)把影像送到GPRS模組。接著，GPRS模組把影像上傳到網路伺服器。至此，用戶把遠端電腦或手機連接到GPRS網路，在網路瀏覽器上打開特定的網站，即可查看相關區域的影像。 |
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在這種模式下，攝影機按照預設間隔拍攝影像，並透過GPRS把影像送到網路伺服器。GPRS模組把影像上傳到網路伺服器後，使用者可在遠端電腦或手機上查看，視覺效果取決於GPRS連接頻寬。 |
多路感測器監視應用廣泛
多路感測器監視系統(圖7)透過行動網路把資料定期地上傳到監視伺服器，監視系統給資料加密，所使用的金鑰只有監視伺服器知道。安全系統使用者能夠登錄監視伺服器，隨時隨地查看現場影像和其他感測器資料。而感測器監視器採集並分析感測器資料，能夠發現報警條件並以手機簡訊或電子郵件的方式通知使用者，具體方式取決於網路配置和連接設置。
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| 圖7 多路感測器監視系統 |
這個無線安全監視模型讓使用者能夠從電腦或手機定期查看攝影機拍攝的影像。如果能夠提供支援蘋果(Apple)、BlackBerry或Android的應用程式，無線監視系統將可帶給使用者更豐富的體驗。
拍攝的影像和感測器資料還能存檔，供以後查看或提供偵辦線索。資料被保存在安全地方，只有輸入密碼才能查看。系統管理員可遠端配置感測器、監視間隔和報警參數。
與有線監視系統相比，無線監視系統具有以下優點：
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在不好布線的地方，特別是當被監視目標分散且相互距離較遠時，無線監視系統就更能發揮本身的優勢。傳統的網線價格昂貴，且保管存放工作很煩人。無線系統則可實現集中管控監視參數。 |
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無線系統擴充容量簡單，增加或減少網路節點靈活，支援遠端軟體更新。 |
無線監視系統前景可期
安全監視是一個高速成長的應用領域，技術創新和改進不斷湧現。穩健可靠的安全解決方案讓人有安全感。由於安裝維護方便簡單，無線監視系統比傳統的有線監視系統更受市場青睞。此外，作為一項無線通訊技術，GPRS經過市場檢驗，而且應用廣泛。
(本文作者任職於意法半導體)