移动警务装备多感知轨迹跟踪系统设计与实现*

陶俊杰 孙雨宸,2 焦冬冬,2

(1.公安部第三研究所 上海 200031)(2.上海国际技贸联合有限公司 上海 200031)

移动警务装备多感知轨迹跟踪系统设计与实现*

陶俊杰1孙雨宸1,2焦冬冬1,2

(1.公安部第三研究所 上海 200031)(2.上海国际技贸联合有限公司 上海 200031)

以移动警务装备保管及出勤为研究背景,设计出警务装备实时多感知轨迹跟踪系统。介绍了各个模块的硬件搭建和软件设计,包括设备信息、定位信息获取、传输、服务器端接收数据存储及轨迹描绘设计,结合蓝牙近距离感应,报警图像传输,直观展现了各部分协同工作原理与流程。实验结果表明,该系统可有效管理警务装备,具有较低的功耗,较高的稳定性及实用性。

装备管理; 多感知; 轨迹跟踪; 移动图像传输

Class Number TP29

1 引言

在公安部提出的“科技强警”的政策环境下,警务信息化成为当前及今后公安部门依靠科学技术和设备提升办案效率、打击犯罪的重要手段。在近些年的警用装备展览会上,许多针对公安一线民警应用的移动警务终端设备在信息化、智能化方面做了很多的努力,在单兵设备配合智慧警务平台方面的市场前景也被看好。

目前导航定位技术发展迅速,技术支持也相当完善[1],在公安警务上应用越来越广泛。基于警务装备种类的增加、破坏性的大幅度提升以及安全秘级的提高,国家为防止发生警务装备的丢失,从而产生更为严重的事件,对移动警务装备的管理就显得尤为突出。由于警务装备的特殊性和危险性,一旦发生警务装备丢失现象,将会对社会造成不可估量的危害,所以对装备的轨迹信息、位置信息等重要信息的分析和挖掘非常有意义。现阶段对出勤警务装备管理上主要还是依赖警员自我管理,缺乏实时监管。所以对警务装备的实时监控和轨迹跟踪成为管理最直接的方法和手段。

本文设计以一种STC多串口单片机作为处理器,以GPS定位模块、蓝牙模块、GPRS模块、摄像头模块综合应用的实时多感知跟踪系统,GPRS无线通信方式主要用以将定位信息,图像信息,接入因特网传输至服务器[2]。蓝牙针对移动警务装备随身携带时对装备实时保持心跳感知。最终将系统小型化,贴附在移动警务装备上,实现动态管理,相对于传统GPS定位系统[3～6],本次设计产品能做到实时在线,费用低廉,高效管理兼具实用性,新颖性,应用范围更广。

2 系统总体设计

2.1 系统总体需求分析

本文的设计是针对移动警务装备的实时定位,轨迹跟踪管理,因此,设计必须满足能够实时定位到移动警务装备,并将装备的实时位置保存并反映出来,系统可对一些应急状况及时作出反应。在完成这个集小型化,系统稳定性的前提下,设计的定位系统还必须满足:

1) 本设计的GPS定位模块,必须及时从卫星接收信号,全天候在线,解析计算移动警务装备的精确定位信息,控制在可接受的误差范围内;

2) 本设计的GPRS模块,及时与GPRS网络建立连接,必须准确地传送定位信息及告警图片信息,不能有遗漏或者偏差发生;

3) 为了便于携带人员自我察觉,定位系统需要通过蓝牙和携带人员进行实时通信,如果连接中断,及时发出告警信息;

4) 监控服务器要能够及时接收GPRS传来的定位信息及设备唯一码存储并调用地图API描绘设备轨迹,对告警时上传的图片信息做出应急措施。

2.2 系统总体搭建框架

系统总体由移动跟踪装置和服务器上软件设计组成。

系统硬件架构主要由STC15W4K32S4多串口单片机,SIM808新一代GPS、GPRS、蓝牙三合一模块,摄像头模块,外部电源模块,蓝牙终端设备,数据接收服务器组成。

本系统以STC单片机作为微控制器,以串行方式同SIM808模块通信,将GPS模块接收到的定位导航信息解析[7]后连接GPRS使用TCP向远端SERVER传输数据。并固定间隔时间通过蓝牙模块向携带的蓝牙终端发送心跳帧。如果连接中断,将及时启动告警机制,防止因人员疏忽造成设备丢失而未及时察觉。服务器端软件设计主要是利用TCP流的接收,将定位数据存储到服务器,并读取服务器数据在地图API上根据定位数据描绘移动设备轨迹,移动装备与人离位时告警对接收到的图像保存,支持深入开发图像匹配辅助定位,通过用户行为分析技术对系统的数据进行深度解析并与警察执勤的业务流程进行整合,实现对移动警务装备的多感知跟踪系统。

图1 移动警务装备跟踪系统框图

3 移动跟踪装置的硬件设计

本文设计的系统需要应用在移动警务装备上,不仅要求具有秒级的实时性,很高的稳定性,还要在此基础上尽量做到小型化,轻量化，贴片式安装在各类移动警务装备上。所以在设计控制系统之前,必须确定硬件的组成并进行方案的比较论证,才能满足设计要求。再结合硬件资源进行编程,使硬件协同软件的执行结果更符合理论与实践应用上的需求。

3.1 STC15W4K32S4多串口单片机

在MCU选择上,本文综合考虑移动跟踪装置需要的条件以及实现功能基本的要求，选择功耗相对较低,较为先进的STC15W4K32S4型号单片机。

图2 单片机主要工作原理

设计中多数模块采用串口指令的方式来控制模块启动和运转,采用系统控制核心的STC15W4K32S4单片机有丰富的串口资源。集成了4K字节的SRAM、7个定时器,给单片机芯片加上电源就可跑程序,在实时定位跟踪应用上更能及时运行整个系统[8]。选择该型号单片机,在系统设计过程中有较少的功耗,设计上对整个系统性能提升有很大优势。

3.2 SIM808模块

SIM808模块是SIMCOM公司推出新的GSM,GPRS,GPS,蓝牙四合一组合模块。紧凑的设计,集成GPRS和GPS的SMT封装将显著节省时间和为客户开发支持GPS的应用成本。它采用了行业标准接口和GPS功能,允许变量的资产无缝地在任何地点和任何时间与信号覆盖跟踪。

图3 SIM808模块主要工作原理

相比于传统的GSM无线通信模块SIM900A[9],本文设计选用的SIM808模块替代传统SIM900,增加蓝牙功能,供电电压5V～35V,预留蓝牙天线接口、音频输入输出接口,使功能更加完善。系统主要通过单片机的串口二和SIM808通信,利用AT指令集控制数据进行交互,用户可以通过串口发送AT指令来进行定位数据,图像数据业务等方面的传输,也可以通过AT指令控制模块初始化,启动功能、蓝牙的定时传输。

3.3 摄像头模块

本文设计选用摄像头模块,主要是因为图像相比于定位数据提供了更多的视觉信息,信息量大、直观,提高了多感知轨迹系统整体性能和管理效率,通过移动图像传输反馈来的图片,给工作人员后续处理信息带来很大帮助。本次设计选用的PTC06小型串口摄像头大小为20mm*28mm,30万像素,是一款集图像采集、拍摄控制、数据压缩、串口传输与一体的工业级图像采集微处理模块。图像输出采用JPEG格式,3线制TTL电平UART通信接口,设置波特率为115200Hz,通过串口指令方式控制和获取照片,与单片机通信更加方便。

图4 摄像头模块主要工作原理

4 系统的软件设计

4.1 系统设计架构

移动警务装备实时跟踪系统的软件是整个系统的核心部分,在硬件组成良好的基础上,软件设计的优劣直接影响着系统需求的实现,因此软件设计就变得尤为重要。本文设计的系统软件部分由两部分组成：单片机上的软件设计和服务器上的软件设计。设计的平台分别采用Keil uVision5和QT 5.6,数据库采用MySQL5.5。

图5 单片机软件设计架构

图6 服务器端软件设计架构

4.2 软件设计流程

在编写两个部分软件之前,需要了解每个部分分别需要实现的功能,然后合理利用下位机和服务器端资源,按照警务装备一般监管流程,本文设计主要实施步骤如图7所示。

图7 系统软件运行流程图

1) 外部电源上电后,系统模块初始化;

2) 通过AT指令集控制SIM808模块的蓝牙启动连接蓝牙终端设备,获取设备序列号,启动GPRS连接服务器端,启动GPS定位,等待定位成功,解析定位数据;

3) 蓝牙模块传送心跳帧到蓝牙终端设备,并判断是否持续连接;

4) GPRS发送设备序列号,定位数据到服务器;

5) 服务器端接收到TCP数据流后,数据库存储,软件界面显示轨迹;

6) 蓝牙心跳帧丢失,启动告警机制,串口三发送指令,摄像头模块一分钟拍摄一次场景图片,由GPRS发送到服务器,服务器端做图像分析。

5 实验结果分析

5.1 实验数据分析

表1 不同地点设备移动反馈的定位数据

分析:通过不同地点、时间段和同一地点,不同时间的服务器接收数据监测,系统反馈数据运行稳定,定位数据误差较小,数据传输正常,系统运行测试通过。本次数据库建表上,统计了包括GPS定位数据的经度、纬度以及定位数据存储时间,对应的设备唯一标识序列号。

5.2 实验成果描绘

图8 移动警务装备轨迹描绘图

分析:测试结果显示,通过读取数据库的定位数据及时间,在软件编写过程中调用百度地图API,描绘设备移动轨迹,实现实时定位跟踪的系统功能要求。

总结:通过蓝牙、GPRS、图像传输、多感知轨迹跟踪相比于传统定位应用,具有更好的设备管理效率。

6 结语

本次设计主要是面向新世纪公安建设服务,将新技术应用在公安领域,对移动警务装备的统一规范管理有了很大帮助。综合利用包括GPS定位信息获取,GPRS模块定位信息及告警图像传输[10],蓝牙传输的实现,服务器数据库存储设计及地图轨迹描绘技术,达到后台人员实时监控,对警务装备有效管理。

[1] 刘基余.GPS卫星导航定位原理与方法[M].北京:科学出版社,2012:103-187. LIU Jiyu. The principle and method of GPS satellite navigation and positioning[M]. Beijing: Science Press,2012:103-187.

[2] 姜希瑞.基于GPS和GSM/GPRS的定位系统的设计与实现[D].北京:中国科学院计算技术研究所,2006. JIANG Xirui. The Design and Implementation of Positioning System based on GSM/GPRS and GPS[D]. Beijing: Institute of Computing Technology, Chinese Academy of Sciences,2006.

[3] 周长征.车载GPS/GPRS实时定位系统关键技术研究[D].武汉:武汉理工大学,2007. ZHOU Changzhen. Research on A Real-time Car-load Surveillance System Using GPRS[D]. Wuhan: Wuhan University of Techology,2007.

[4] 申兴发.基于无线传感器网络的分布式定位跟踪系统[D].杭州:浙江大学,2007. SHEN Xingfa. Distributed positioning and tracking system based on Wireless Sensor Network[D]. Hangzhou: Zhejiang University,2007.

[5] 林绿洲,王力超,陆起涌.基于GPS与GPRS的公交智能监控系统[J].仪器仪表学报,2006,27(S1):561-563. LIN Lvzhou, WANG Lichao, LU Qiyong. Intelligent supervisory system of buses based on GPS and GPRS[J]. Chinese Journal of Scientific Instrument,2006,27(S1):561-563.

[6] 张李勇,腾继涛,张飞舟.基于GPS的运营车辆监控调度[J].计算机工程,2004,30(1):48-49. ZHANG Liyong, TENG Jitao, ZHANG Feizhou. Monitoring and Dispatching of Public Traffic Vehicles with GPS[J]. Computer Engineering,2004,30(1):48-49.

[7] 强德俊,张哲,胡晨.NMEA0183协议解析[J].电子器件,2007,29(2):698-701. QIANG Dejun, ZHANG Zhe, HU Chen. On Parsing of NMEA 0183 Protocol[J]. Chinese Journal of Electron Devices,2007,29(2):698-701.

[8] 丁向荣,陈崇辉.单片微机原理与接口技术-基于STC15W4K32S4系列单片机[M].北京:电子工业出版社,2015:80-105. DING Xiangrong, CHEN Chonghui. Principle and interface technology of single chip microcomputer based on STC15W4K32S4 Series MCU[M]. Beijing: Publishing House of Electronics Industry,2015:80-105.

[9] 王妍,史旭涛,宫铭举.基于单片机的采集与处理北斗定位信息系统[J].微型机与应用,2016,35(3):51-53,59. WANG Yan, SHI Xutao, GONG Mingju. A collecting and disposing system for BDS based on single chip microcomputer[J]. Microcomputer & ITS Applications,2016,35(3):51-53,59.

[10] 盛小宝,贾莉莉,魏峻.基于CSS技术的大型建筑工地人员实时定位系统设计与实现[J].计算机与数字工程,2016,44(3):467-472,496. SHENG Xiaobao, JIA Lili, WEI Jun. Design and Implementation of A Large Construction Sites RTLS System Based on Chirp Spread Spectrum Technology[J]. Computer & Digital Engineering,2016,44(3):467-472,496.

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,硕士,研究方向:安全防范技术。孙雨宸,男,研究方向:安全防范技术。焦冬冬,男,硕士,研究方向:安全防范技术。

TP29

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.03.014