执勤枪支全无线综合定位报警技术研

刘芳，许刚，陈向春，刘伟

(1.陆军军官学院 装甲兵系，合肥 230031；2.淮北铁运处林涣机辆段)



刘芳1，许刚1，陈向春1，刘伟2

(1.陆军军官学院 装甲兵系，合肥 230031；2.淮北铁运处林涣机辆段)

系统采用多种无线定位方式和低功耗嵌入式设计，综合运用低频载波定位、宽带线性调频扩频定位、通信基站定位、无线通信技术，可实时显示哨兵活动轨迹，具备无线定位、离位报警、断线报警、失电报警和防拆卸功能。系统采用全无线的方式，在确保定位精度的同时降低了系统功耗，实现了岗哨、应急值班室、监控中心的警情联动。

无线通信；离位报警；测距；低频载波定位；STM32

引　言

为了加强部队安全防范工作，防止执勤枪支被抢、哨兵被袭击和哨兵携枪逃离部队等情况的发生，加大对执勤枪支的监督管理力度，防止涉枪涉弹重大恶性案件发生，本文提出了一种执勤枪支全无线定位报警技术研究方案。该系统采用高低频配合的多种无线定位方式和低功耗嵌入式设计，综合运用低频载波定位、宽带线性调频扩频定位、通信基站定位、无线通信技术，在确保定位精度的同时降低了系统功耗，可实时显示哨兵活动轨迹，监控枪械是否在执勤岗哨，当枪械离开规定区域后，岗亭、应急值班室和监控中心同时发出声光报警，并交由应急分队进行追踪处理。该系统具备无线定位、离位报警、断线报警、失电报警和防拆卸功能。

1　系统组成及功能

为实现低功耗条件下的可靠测距及远距离通信，系统由枪支定位器、报警主机、3个定位锚点、无线警报控制器和定位显示软件等组成，根据实际需要系统还配有备用节点。系统总体结构图如图1所示。

图1　系统总体结构

本系统要实时监控枪支动态行为，对执勤枪械进行定位与跟踪，主要实现以下系统功能：

① 能够对枪支在营门附近的活动轨迹进行实时定位，超出范围即进行报警，并对逃离轨迹和方向进行提示；

② 当枪支超出预定活动区域时，系统能跟踪定位，并以电子地图的形式显示枪支的位置；

③ 采用无线通信方式，实现岗亭、应急值班室、总值班室警情联动，具备安装便捷、维护方便的特点；

④ 运用特殊编码手段和低噪声电路设计技术，可有效抵御电磁干扰，降低系统误报漏报率；

⑤ 具备低电量报警、断线报警、拆卸破坏报警等多种功能；

⑥ 具有无线定位功能的低功耗嵌入式系统，可放置于枪支隐蔽部位，待机时间长。

2　系统硬件部分设计

根据系统组成，硬件主要分为4部分，分别为枪支定位器、报警主机、定位锚点、无线报警控制器，采用全无线连接，系统结构框图如图2所示。

图2　系统结构框图

2.1枪支定位器硬件电路设计

枪支定位器工作频率是由125 kHz、900 MHz及2.4 GHz随机跳频3个频段组成，平时工作中心频率为125 kHz，起唤醒2.4 GHz定位模块的作用。当收到报警主机125 kHz的激励信号之后，2.4 GHz定位模块由被动唤醒转换为主动传输，进行2.4 GHz频段通信。经实验验证枪械定位器激活距离一般为3 m。当执勤枪支超出报警主机激活距离，即在营门活动区域范围内采用高频(2.4 GHz)无线定位技术，此时根据信号强度采用基于时间的测距方式，进行多点定位。当执勤枪支远离营门超出活动范围，此时系统激活GSM+GPRS模块，采用蜂窝移动定位技术，通过移动通信网络迅速将枪支位置信息传送给移动用户或者远端的用户。枪支定位器硬件结构图如图3所示。

图3　枪支定位器硬件结构图

2.2报警主机硬件电路设计

报警主机采用STM32处理器的PWM定时器产生125 kHz低频信号，经功率放大唤醒枪支定位器，并通过2.4 GHz高频信道对枪支定位器进行定位和通信，同时使用433 MHz无线信道向应急值班室和总值班室实时传输信息。报警主机硬件结构如图4所示。

图4　报警主机硬件结构图

2.3无线报警控制器硬件电路设计

无线报警控制器安装于应急值班室或营区监控室内，采用220 V市电供电，用于控制声光报警器、显示岗哨状态、记录系统开关机和报警历史信息。其硬件结构框图如图5所示。无线报警控制器接收来自报警主机的信息，通过液晶显示器将当前枪支定位器当前状态信息显示并存储，以便枪械管理人员查看。无论当枪支定位器接收信号超出规定时间(即出现节点断线报警)，还是枪支受到非规定程序拆卸或破坏(即出现破坏报警)，报警主机都会通过433 MHz无线信道向应急值班室和总值班室实时传输信息，触发无线报警控制器进行声光报警。

图5　无线报警控制器硬件结构图

图6　定位锚点硬件结构框图

2.4定位锚点硬件电路设计

定位锚点模块是由电源管理模块、STM32处理器和2.4 GHz定位通信模块构成。系统有3个定位锚点，采用220 V市电供电，安装在营门附近，与报警主机一起实现对枪支定位器的多点高频无线测距。定位锚点硬件结构框图如图6所示。

3　系统软件设计

在系统的软件设计中，采用模块化设计方法，各模块之间相对独立，这样可以使得程序结构清晰，便于今后进一步扩展系统的功能。由于系统对实时性的需求较高，因此整体上采用结构化程序设计以满足系统的实时性和精确性功能需求。系统软件由运行在枪支定位器、报警主机、定位锚点、无线报警控制器上的嵌入式软件和PC端、手机端软件构成，各类信息通过125 kHz、433 MHz、2.4 GHz和GSM/GPRS各种无线方式进行传递，构成一个整体的软件系统。系统软件结构图略——编者注。

其中无线报警器软件主要由PC端定位显示软件构成，手机端仅为一个网络链接短信。定位显示软件主要分为3个模块，即无线串口通信模块、参数设置模块和定位显示模块。

PC端串口与报警主机通过无线433 MHz模块进行通信，系统采用MSComm控件来控制串行端口传输和接收数据。根据串口收到的数据包，当枪支定位器在岗亭内没有CSS测距数据时，定位解算模块将其定位在坐标原点；枪支定位器离开岗亭后，定位解算软件根据CSS测距数据，按照多边定位算法和卡尔曼滤波算法进行定位解算。软件界面如图7所示。

图7　定位软件界面

界面主体是以报警主机为原点的坐标系，大圆表示营门活动区域边界，界面右侧包括枪支定位器剩余电量、声光报警状态、当前定位方式、各节点信号、距离信息提示等信息。声光报警可以由系统自动触发或手动打开关闭。

4　系统测试

为了实测所设计测距硬件的性能，使用枪支定位器和报警主机在某机构岗哨进行了试用实验，将两节点距离从1.2 m开始每次增加1.2 m，直到46.8 m，并记录各距离下的测量数据，详见图8。可以看出测量点的拟合线基本上与真实距离线平行，且测量数据的方差较小，这证实了所设计的硬件具有较好的稳定性和较高的测量精度。

图8　测量距离误差

对于定位实验，将报警主机和3个锚节点分别放置在该机构的2个岗亭内和2个大门柱高处平台上，当枪支定位器进入定位区域，分别与报警主机和定位锚点进行测距和数据传输，由于多径效应和非视距等很多因素会影响定位精度，在定位实际应用中会检测到很多与移动目标无关的信息(如信号的衰减、折射、反射及信道干扰等)，需要对这些错误的信息进行适当处理。在该实验中，相邻两个时刻枪支定位器的运动轨迹不会突变，4个定位基站都是NLOS传播。

测量轨迹与校正轨迹对比图略——编者注。由图可知，除了实际轨迹和校正轨迹初始值设置不同外，基本上与真实轨迹接近，这是由于经过校正后去除了数据中的错误信息，提高了定位精度。实验结果表明，系统定位稳定性非常好，其误差结果可控制在0.5～1.2 m以内。

结　语

执勤枪支全无线定位报警系统，综合运用了低频载波唤醒、宽带线性调频扩频定位、移动基站定位、无线通信技术，在确保定位精度的同时降低了系统功耗，可实时显示哨兵活动轨迹，系统具备无线定位、离位报警、断

Liu Fang1,Xu Gang1,Chen Xiangchun1,Liu Wei2

(1.Department of Armor,Army Officer Academy,Hefei 230031,China;2.Vehicle Segment of Huaibei Mining Group Anhui)

The system can display the movement trajectory in real-time with wireless location,off-station alarming,open-circuit alarming,power-loss alarming and anti-disassembly functions,which using a variety of wireless positioning mode and low-power consumption design.The system comprehensive uses the low frequency carrier wave positioning,the broadband linear FM spread spectrum,the communication base station positioning and the wireless communication technology.The system adopts entirely wireless method,that ensures the location precision with low system power consumption and achieves the alarm linkage of the sentry,the emergency staff on duty and monitoring center.

wireless communication;off-station alarm;distance measurement;low-frequence carrier wave location；STM32

TP277

A