物聯網執法記錄儀硬件系統設計

蔣逸凡，高谷剛，徐金林，戴稟哲

（江蘇警官學院 計算機信息與網絡安全系，江蘇 南京 210031）

0 引 言

2016年頒布的《公安機關現場執法視音頻記錄工作規定》中要求對六種現場執法活動進行視音頻記錄。但現有執法記錄儀的質量影響了證據的法律效力，存在光照環境適應范圍較窄、無線通信穩定性和智能性不足的問題[1-3]。本文針對性地從攝像頭、通信和定位功能等方面對執法儀硬件系統進行了改進，并且利用物聯網技術提升了數據采集的智能化水平，為今后利用人工智能技術進行深度信息提取提供基礎。

1 硬件系統總體設計

本文實現的執法記錄儀硬件系統采用了樹莓派（Raspberry Pi）4B作為主控模塊，搭建包含雙目SH200攝像頭模塊、帶觸屏功能的7寸LCD液晶屏、MicroSD儲存卡、GPS和5G一體模塊等在內的硬件平臺。總體硬件系統框圖如圖1所示。

圖1 總體硬件系統框圖

主控平臺通過USB連接雙目SH200攝像頭，視頻輸出格式為MP4，并將視頻文件壓縮后存儲到MicroSD卡內。GPS和5G一體模塊可以獲得視頻拍攝的時間、GPS經緯度定位信息，用于完善視頻采集的背景信息；同時該模塊連接OneNET物聯網平臺，將視頻文件的GPS信息上傳到物聯網，并在物聯網平臺進行定位。主控模塊還會對視頻文件數據和輔助數據進行Hash值計算，獲得視頻數據最終指紋信息。物聯網Web端管理和基于以太坊的區塊鏈系統將文件指紋信息Hash值進行上鏈存儲。視頻文件原始數據根據需要實時或延后上傳，減少現場通信帶寬壓力。

2 硬件系統子模塊

2.1 Raspberry Pi主控單元

2019年6月上市的樹莓派4B采用四核64位的ARM CortexA72架構CPU，型號為博通BCM2711 SoC，主頻達1.5 GHz，最高支持以60 fps速度刷新的4K分辨率雙顯示器接口，最高支持4 GB RAM，支持2.4/5.0 GHz雙頻無線LAN、藍牙5.0/BLE、千兆以太網，配備2個USB3.0和2個USB2.0接口，標準40針GPIO支持多種串行通信協議和不同外設，大幅提升硬件處理性能，同時大大降低了系統的成本。

樹莓派（Raspberry Pi）4B開發板內置Linux系統，支持Python和JAVA等編程語言，適合本控制系統部署[4]。系統中主要負責外設間調度，調用攝像頭模塊錄制并保存音視頻，獲取時間和GPS信息，計算視頻文件指紋信息，使用5G通信模塊與物聯網平臺進行通信等。

2.2 雙目攝像頭模塊

雙目SH200寬動態紅外測距攝像頭模塊由一個常規RGB攝像頭與一個近紅外攝像頭組成。該攝像頭可以廣泛應用于各類計算機視覺應用中，利用可見光與紅外攝像頭獲取人像差異的方式來實現活體人臉檢測[5]。

使用雙目攝像頭可以確保記錄儀適應不同執法環境，全天候照明情況下都能夠清晰記錄警務人員執法過程。該模塊通過USB與樹莓派進行通信，為簡化操作攝像頭模塊，使用開源跨平臺計算機視覺和機器學習軟件庫OpenCV[6]和Python語言進行功能開發。OpenCV是一個基于Apache2.0許可（開源）發行的跨平臺計算機視覺和機器學習軟件庫，具有輕量級、功能強大等特點，可以對圖片、視頻等文件進行智能化處理。

雙攝像頭在OpenCV分別被實例化，考慮視頻清晰度與存儲尺寸，采集畫面大小設定為640×480，幀率為30幀，輸出格式為MP4，可以根據實際需要重新設置。攝像頭的配置代碼如下：

為了降低功耗，主控會對兩個攝像頭進行選擇性調用。在環境光照充足的情況下，主控調用RGB攝像頭錄制視頻；當環境照明不足時，主控調用近紅外攝像頭進行照明。當環境光照情況介于兩個攝像頭感光參數之間時，主控需要同時開啟RGB攝像頭與近紅外攝像頭，以此來保證在RGB攝像頭拍攝不清晰的情況下，近紅外攝像頭能夠另行錄制一段視頻，輔助警務人員更加順利地完成執法過程的信息采集。為了保證兩個攝像頭同時開啟，并實現實時同步，可以使用Python的Threading庫，對兩個攝像頭進行雙線程調用。由于主控端樹莓派是單核Linux系統，所以Python雙線程的本質是并發，而非真正的并行，不過這并不影響拍攝。

2.3 GPS與5G通信模塊

定位與通信模塊選擇使用安信可5G NB-IoT+GPS（北斗）雙模定位模塊EC-01G。其中NB-IoT采用的主芯片為EC616S，該芯片具有超高集成度、支持超低功耗、完全支持 3GPP Rel14 NB-IoT 標準的特點，是一款超高性價比的NB-IoT芯片。該模塊可以同時實現定位、聯網雙功能，降低成本的同時也能減少主控板接口需求。

為實現主控芯片與模塊之間的交互，采用C語言進行相關代碼開發。在Linux操作系統下直接操控主控板引腳，可以使用WiringPi GPIO控制庫函數[7]提供的API接口。使用UART協議與模塊進行通信，波特率設置為9 600 b/s。主控使用AT通用指令集以及安信可公司自定義擴展指令集對模塊發送指令，實現GPS獲取；并通過MQTT協議向物聯網平臺上傳數據，該協議消息體積小、通信成本低、能量消耗少，適合在結構各異的系統間進行消息傳遞[8]。主要調用流程代碼如下：

3 OneNET物聯網平臺

中國移動物聯網開放平臺（OneNET）是中移物聯網有限公司基于物聯網技術和產業特點打造的開放平臺，支持MQTT、EDP、Modbus等十多種主流的物聯網協議[9]，支持各類傳感器和智能硬件的快速接入、圖片和視頻數據的上傳及使用，提供豐富的API和應用模板以支持各類行業的應用和智能硬件的開發，能夠有效降低物聯網應用開發和部署成本，滿足物聯網領域設備連接、協議適配、數據存儲、數據安全、大數據分析等平臺級服務需求。將GPS定位數據上傳至OneNET平臺，可以顯示記錄儀運行軌跡，如圖2所示。

圖2 GPS軌跡圖

主控需要對視頻文件進行兩步Hash值計算生成視頻文件指紋，首先對音視頻文件數據計算Hash值，然后再對文件攝制時間、攝制時GPS數據與第一步計算求得的Hash值進行第二次Hash值計算，并將該值作為對應視頻文件的最終文件指紋，將文件指紋信息也上傳至OneNET平臺。該機制能夠保證視頻文件的唯一性，防止對視頻文件數據的偽造、篡改，有助于提升執法民警的公信力。主要代碼如下：

4 結 語

本文提出一種采用物聯網技術的警用執法儀硬件系統設計，利用雙目攝像頭適應全天候光照環境，采用5G NBIoT+GPS（北斗）雙模定位模塊降低成本、增大通信帶寬的同時提升了通信的穩定性，方便了數據管理，提升了系統智能水平。下一步將對鏡頭系統進一步優化，利用魚眼攝像頭[10]提供更大取景視角，全面取證同時保護執法人員的安全。