移動警務(wù)裝備多感知軌跡跟蹤系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)*

陶俊杰 孫雨宸,2 焦冬冬,2

(1.公安部第三研究所 上海 200031)(2.上海國際技貿(mào)聯(lián)合有限公司 上海 200031)

移動警務(wù)裝備多感知軌跡跟蹤系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)*

陶俊杰1孫雨宸1,2焦冬冬1,2

(1.公安部第三研究所 上海 200031)(2.上海國際技貿(mào)聯(lián)合有限公司 上海 200031)

以移動警務(wù)裝備保管及出勤為研究背景,設(shè)計出警務(wù)裝備實時多感知軌跡跟蹤系統(tǒng)。介紹了各個模塊的硬件搭建和軟件設(shè)計,包括設(shè)備信息、定位信息獲取、傳輸、服務(wù)器端接收數(shù)據(jù)存儲及軌跡描繪設(shè)計,結(jié)合藍牙近距離感應(yīng),報警圖像傳輸,直觀展現(xiàn)了各部分協(xié)同工作原理與流程。實驗結(jié)果表明,該系統(tǒng)可有效管理警務(wù)裝備,具有較低的功耗,較高的穩(wěn)定性及實用性。

裝備管理; 多感知; 軌跡跟蹤; 移動圖像傳輸

Class Number TP29

1 引言

在公安部提出的“科技強警”的政策環(huán)境下,警務(wù)信息化成為當(dāng)前及今后公安部門依靠科學(xué)技術(shù)和設(shè)備提升辦案效率、打擊犯罪的重要手段。在近些年的警用裝備展覽會上,許多針對公安一線民警應(yīng)用的移動警務(wù)終端設(shè)備在信息化、智能化方面做了很多的努力,在單兵設(shè)備配合智慧警務(wù)平臺方面的市場前景也被看好。

目前導(dǎo)航定位技術(shù)發(fā)展迅速,技術(shù)支持也相當(dāng)完善[1],在公安警務(wù)上應(yīng)用越來越廣泛。基于警務(wù)裝備種類的增加、破壞性的大幅度提升以及安全秘級的提高,國家為防止發(fā)生警務(wù)裝備的丟失,從而產(chǎn)生更為嚴(yán)重的事件,對移動警務(wù)裝備的管理就顯得尤為突出。由于警務(wù)裝備的特殊性和危險性,一旦發(fā)生警務(wù)裝備丟失現(xiàn)象,將會對社會造成不可估量的危害,所以對裝備的軌跡信息、位置信息等重要信息的分析和挖掘非常有意義。現(xiàn)階段對出勤警務(wù)裝備管理上主要還是依賴警員自我管理,缺乏實時監(jiān)管。所以對警務(wù)裝備的實時監(jiān)控和軌跡跟蹤成為管理最直接的方法和手段。

本文設(shè)計以一種STC多串口單片機作為處理器,以GPS定位模塊、藍牙模塊、GPRS模塊、攝像頭模塊綜合應(yīng)用的實時多感知跟蹤系統(tǒng),GPRS無線通信方式主要用以將定位信息,圖像信息,接入因特網(wǎng)傳輸至服務(wù)器[2]。藍牙針對移動警務(wù)裝備隨身攜帶時對裝備實時保持心跳感知。最終將系統(tǒng)小型化,貼附在移動警務(wù)裝備上,實現(xiàn)動態(tài)管理,相對于傳統(tǒng)GPS定位系統(tǒng)[3～6],本次設(shè)計產(chǎn)品能做到實時在線,費用低廉,高效管理兼具實用性,新穎性,應(yīng)用范圍更廣。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體需求分析

本文的設(shè)計是針對移動警務(wù)裝備的實時定位,軌跡跟蹤管理,因此,設(shè)計必須滿足能夠?qū)崟r定位到移動警務(wù)裝備,并將裝備的實時位置保存并反映出來,系統(tǒng)可對一些應(yīng)急狀況及時作出反應(yīng)。在完成這個集小型化,系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提下,設(shè)計的定位系統(tǒng)還必須滿足:

1) 本設(shè)計的GPS定位模塊,必須及時從衛(wèi)星接收信號,全天候在線,解析計算移動警務(wù)裝備的精確定位信息,控制在可接受的誤差范圍內(nèi);

2) 本設(shè)計的GPRS模塊,及時與GPRS網(wǎng)絡(luò)建立連接,必須準(zhǔn)確地傳送定位信息及告警圖片信息,不能有遺漏或者偏差發(fā)生;

3) 為了便于攜帶人員自我察覺,定位系統(tǒng)需要通過藍牙和攜帶人員進行實時通信,如果連接中斷,及時發(fā)出告警信息;

4) 監(jiān)控服務(wù)器要能夠及時接收GPRS傳來的定位信息及設(shè)備唯一碼存儲并調(diào)用地圖API描繪設(shè)備軌跡,對告警時上傳的圖片信息做出應(yīng)急措施。

2.2 系統(tǒng)總體搭建框架

系統(tǒng)總體由移動跟蹤裝置和服務(wù)器上軟件設(shè)計組成。

系統(tǒng)硬件架構(gòu)主要由STC15W4K32S4多串口單片機,SIM808新一代GPS、GPRS、藍牙三合一模塊,攝像頭模塊,外部電源模塊,藍牙終端設(shè)備,數(shù)據(jù)接收服務(wù)器組成。

本系統(tǒng)以STC單片機作為微控制器,以串行方式同SIM808模塊通信,將GPS模塊接收到的定位導(dǎo)航信息解析[7]后連接GPRS使用TCP向遠端SERVER傳輸數(shù)據(jù)。并固定間隔時間通過藍牙模塊向攜帶的藍牙終端發(fā)送心跳幀。如果連接中斷,將及時啟動告警機制,防止因人員疏忽造成設(shè)備丟失而未及時察覺。服務(wù)器端軟件設(shè)計主要是利用TCP流的接收,將定位數(shù)據(jù)存儲到服務(wù)器,并讀取服務(wù)器數(shù)據(jù)在地圖API上根據(jù)定位數(shù)據(jù)描繪移動設(shè)備軌跡,移動裝備與人離位時告警對接收到的圖像保存,支持深入開發(fā)圖像匹配輔助定位,通過用戶行為分析技術(shù)對系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行深度解析并與警察執(zhí)勤的業(yè)務(wù)流程進行整合,實現(xiàn)對移動警務(wù)裝備的多感知跟蹤系統(tǒng)。

圖1 移動警務(wù)裝備跟蹤系統(tǒng)框圖

3 移動跟蹤裝置的硬件設(shè)計

本文設(shè)計的系統(tǒng)需要應(yīng)用在移動警務(wù)裝備上,不僅要求具有秒級的實時性,很高的穩(wěn)定性,還要在此基礎(chǔ)上盡量做到小型化,輕量化，貼片式安裝在各類移動警務(wù)裝備上。所以在設(shè)計控制系統(tǒng)之前,必須確定硬件的組成并進行方案的比較論證,才能滿足設(shè)計要求。再結(jié)合硬件資源進行編程,使硬件協(xié)同軟件的執(zhí)行結(jié)果更符合理論與實踐應(yīng)用上的需求。

3.1 STC15W4K32S4多串口單片機

在MCU選擇上,本文綜合考慮移動跟蹤裝置需要的條件以及實現(xiàn)功能基本的要求，選擇功耗相對較低,較為先進的STC15W4K32S4型號單片機。

圖2 單片機主要工作原理

設(shè)計中多數(shù)模塊采用串口指令的方式來控制模塊啟動和運轉(zhuǎn),采用系統(tǒng)控制核心的STC15W4K32S4單片機有豐富的串口資源。集成了4K字節(jié)的SRAM、7個定時器,給單片機芯片加上電源就可跑程序,在實時定位跟蹤應(yīng)用上更能及時運行整個系統(tǒng)[8]。選擇該型號單片機,在系統(tǒng)設(shè)計過程中有較少的功耗,設(shè)計上對整個系統(tǒng)性能提升有很大優(yōu)勢。

3.2 SIM808模塊

SIM808模塊是SIMCOM公司推出新的GSM,GPRS,GPS,藍牙四合一組合模塊。緊湊的設(shè)計,集成GPRS和GPS的SMT封裝將顯著節(jié)省時間和為客戶開發(fā)支持GPS的應(yīng)用成本。它采用了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口和GPS功能,允許變量的資產(chǎn)無縫地在任何地點和任何時間與信號覆蓋跟蹤。

圖3 SIM808模塊主要工作原理

相比于傳統(tǒng)的GSM無線通信模塊SIM900A[9],本文設(shè)計選用的SIM808模塊替代傳統(tǒng)SIM900,增加藍牙功能,供電電壓5V～35V,預(yù)留藍牙天線接口、音頻輸入輸出接口,使功能更加完善。系統(tǒng)主要通過單片機的串口二和SIM808通信,利用AT指令集控制數(shù)據(jù)進行交互,用戶可以通過串口發(fā)送AT指令來進行定位數(shù)據(jù),圖像數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)等方面的傳輸,也可以通過AT指令控制模塊初始化,啟動功能、藍牙的定時傳輸。

3.3 攝像頭模塊

本文設(shè)計選用攝像頭模塊,主要是因為圖像相比于定位數(shù)據(jù)提供了更多的視覺信息,信息量大、直觀,提高了多感知軌跡系統(tǒng)整體性能和管理效率,通過移動圖像傳輸反饋來的圖片,給工作人員后續(xù)處理信息帶來很大幫助。本次設(shè)計選用的PTC06小型串口攝像頭大小為20mm*28mm,30萬像素,是一款集圖像采集、拍攝控制、數(shù)據(jù)壓縮、串口傳輸與一體的工業(yè)級圖像采集微處理模塊。圖像輸出采用JPEG格式,3線制TTL電平UART通信接口,設(shè)置波特率為115200Hz,通過串口指令方式控制和獲取照片,與單片機通信更加方便。

圖4 攝像頭模塊主要工作原理

4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

4.1 系統(tǒng)設(shè)計架構(gòu)

移動警務(wù)裝備實時跟蹤系統(tǒng)的軟件是整個系統(tǒng)的核心部分,在硬件組成良好的基礎(chǔ)上,軟件設(shè)計的優(yōu)劣直接影響著系統(tǒng)需求的實現(xiàn),因此軟件設(shè)計就變得尤為重要。本文設(shè)計的系統(tǒng)軟件部分由兩部分組成：單片機上的軟件設(shè)計和服務(wù)器上的軟件設(shè)計。設(shè)計的平臺分別采用Keil uVision5和QT 5.6,數(shù)據(jù)庫采用MySQL5.5。

圖5 單片機軟件設(shè)計架構(gòu)

圖6 服務(wù)器端軟件設(shè)計架構(gòu)

4.2 軟件設(shè)計流程

在編寫兩個部分軟件之前,需要了解每個部分分別需要實現(xiàn)的功能,然后合理利用下位機和服務(wù)器端資源,按照警務(wù)裝備一般監(jiān)管流程,本文設(shè)計主要實施步驟如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)軟件運行流程圖

1) 外部電源上電后,系統(tǒng)模塊初始化;

2) 通過AT指令集控制SIM808模塊的藍牙啟動連接藍牙終端設(shè)備,獲取設(shè)備序列號,啟動GPRS連接服務(wù)器端,啟動GPS定位,等待定位成功,解析定位數(shù)據(jù);

3) 藍牙模塊傳送心跳幀到藍牙終端設(shè)備,并判斷是否持續(xù)連接;

4) GPRS發(fā)送設(shè)備序列號,定位數(shù)據(jù)到服務(wù)器;

5) 服務(wù)器端接收到TCP數(shù)據(jù)流后,數(shù)據(jù)庫存儲,軟件界面顯示軌跡;

6) 藍牙心跳幀丟失,啟動告警機制,串口三發(fā)送指令,攝像頭模塊一分鐘拍攝一次場景圖片,由GPRS發(fā)送到服務(wù)器,服務(wù)器端做圖像分析。

5 實驗結(jié)果分析

5.1 實驗數(shù)據(jù)分析

表1 不同地點設(shè)備移動反饋的定位數(shù)據(jù)

分析:通過不同地點、時間段和同一地點,不同時間的服務(wù)器接收數(shù)據(jù)監(jiān)測,系統(tǒng)反饋數(shù)據(jù)運行穩(wěn)定,定位數(shù)據(jù)誤差較小,數(shù)據(jù)傳輸正常,系統(tǒng)運行測試通過。本次數(shù)據(jù)庫建表上,統(tǒng)計了包括GPS定位數(shù)據(jù)的經(jīng)度、緯度以及定位數(shù)據(jù)存儲時間,對應(yīng)的設(shè)備唯一標(biāo)識序列號。

5.2 實驗成果描繪

圖8 移動警務(wù)裝備軌跡描繪圖

分析:測試結(jié)果顯示,通過讀取數(shù)據(jù)庫的定位數(shù)據(jù)及時間,在軟件編寫過程中調(diào)用百度地圖API,描繪設(shè)備移動軌跡,實現(xiàn)實時定位跟蹤的系統(tǒng)功能要求。

總結(jié):通過藍牙、GPRS、圖像傳輸、多感知軌跡跟蹤相比于傳統(tǒng)定位應(yīng)用,具有更好的設(shè)備管理效率。

6 結(jié)語

本次設(shè)計主要是面向新世紀(jì)公安建設(shè)服務(wù),將新技術(shù)應(yīng)用在公安領(lǐng)域,對移動警務(wù)裝備的統(tǒng)一規(guī)范管理有了很大幫助。綜合利用包括GPS定位信息獲取,GPRS模塊定位信息及告警圖像傳輸[10],藍牙傳輸?shù)膶崿F(xiàn),服務(wù)器數(shù)據(jù)庫存儲設(shè)計及地圖軌跡描繪技術(shù),達到后臺人員實時監(jiān)控,對警務(wù)裝備有效管理。

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Design and Implementation of Multisensory Tracking System for Mobile Police Equipment

TAO Junjie1SUN Yuchen1,2JIAO Dongdong1,2

(1. The 3rd Research Institute of Ministry of Public Security, Shanghai 200031) (2. Shanghai International Technology & Trade United CO., Ltd, Shanghai 200031)

With the research background of mobile police equipment storage and attendance, the real-time multisensory tracking system of police equipment is designed. The hardware and software to build each module design are introduced, including device information, location information acquisition, transmission, the server receiving data storage and locus drawing design. Combined with Bluetooth proximity sensors, alarm image transmission, the various parts of collaborative works and processes are shown visually. Experimental results show that the system can effectively manage the police equipment with low power consumption, high stability and practicability.

equipment management, multi sensing, track tracking, mobile image transmission

2016年9月3日,

2016年10月24日

陶俊杰,男,碩士,研究方向:安全防范技術(shù)。孫雨宸,男,研究方向:安全防范技術(shù)。焦冬冬,男,碩士,研究方向:安全防范技術(shù)。

TP29

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.03.014