移動警務裝備多感知軌跡跟蹤系統設計與實現*

陶俊杰 孫雨宸,2 焦冬冬,2

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

移動警務裝備多感知軌跡跟蹤系統設計與實現*

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.上海國際技貿聯合有限公司 上海 200031)

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

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”的政策環境下,警務信息化成為當前及今后公安部門依靠科學技術和設備提升辦案效率、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用的移動警務終端設備在信息化、智能化方面做了很多的努力,在單兵設備配合智慧警務平臺方面的市場前景也被看好。

目前導航定位技術發展迅速,技術支持也相當完善[1],在公安警務上應用越來越廣泛?；诰瘎昭b備種類的增加、破壞性的大幅度提升以及安全秘級的提高,國家為防止發生警務裝備的丟失,從而產生更為嚴重的事件,對移動警務裝備的管理就顯得尤為突出。由于警務裝備的特殊性和危險性,一旦發生警務裝備丟失現象,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?，F階段對出勤警務裝備管理上主要還是依賴警員自我管理,缺乏實時監管。所以對警務裝備的實時監控和軌跡跟蹤成為管理最直接的方法和手段。

本文設計以一種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、攝像頭模塊綜合應用的實時多感知跟蹤系統,GPRS無線通信方式主要用以將定位信息,圖像信息,接入因特網傳輸至服務器[2]。藍牙針對移動警務裝備隨身攜帶時對裝備實時保持心跳感知。最終將系統小型化,貼附在移動警務裝備上,實現動態管理,相對于傳統GPS定位系統[3～6],本次設計產品能做到實時在線,費用低廉,高效管理兼具實用性,新穎性,應用范圍更廣。

2 系統總體設計

2.1 系統總體需求分析

本文的設計是針對移動警務裝備的實時定位,軌跡跟蹤管理,因此,設計必須滿足能夠實時定位到移動警務裝備,并將裝備的實時位置保存并反映出來,系統可對一些應急狀況及時作出反應。在完成這個集小型化,系統穩定性的前提下,設計的定位系統還必須滿足:

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

2) 本設計的GPRS模塊,及時與GPRS網絡建立連接,必須準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生;

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

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

2.2 系統總體搭建框架

系統總體由移動跟蹤裝置和服務器上軟件設計組成。

系統硬件架構主要由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,藍牙終端設備,數據接收服務器組成。

本系統以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航信息解析[7]后連接GPRS使用TCP向遠端SERVER傳輸數據。并固定間隔時間通過藍牙模塊向攜帶的藍牙終端發送心跳幀。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備丟失而未及時察覺。服務器端軟件設計主要是利用TCP流的接收,將定位數據存儲到服務器,并讀取服務器數據在地圖API上根據定位數據描繪移動設備軌跡,移動裝備與人離位時告警對接收到的圖像保存,支持深入開發圖像匹配輔助定位,通過用戶行為分析技術對系統的數據進行深度解析并與警察執勤的業務流程進行整合,實現對移動警務裝備的多感知跟蹤系統。

圖1 移動警務裝備跟蹤系統框圖

3 移動跟蹤裝置的硬件設計

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

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

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

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。緊湊的設計,集成GPRS和GPS的SMT封裝將顯著節省時間和為客戶開發支持GPS的應用成本。它采用了行業標準接口和GPS功能,允許變量的資產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

相比于傳統的GSM無線通信模塊SIM900A[9],本文設計選用的SIM808模塊替代傳統SIM900,增加藍牙功能,供電電壓5V～35V,預留藍牙天線接口、音頻輸入輸出接口,使功能更加完善。系統主要通過單片機的串口二和SIM808通信,利用AT指令集控制數據進行交互,用戶可以通過串口發送AT指令來進行定位數據,圖像數據業務等方面的傳輸,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

本文設計選用攝像頭模塊,主要是因為圖像相比于定位數據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,給工作人員后續處理信息帶來很大幫助。本次設計選用的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、數據壓縮、串口傳輸與一體的工業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 系統的軟件設計

4.1 系統設計架構

移動警務裝備實時跟蹤系統的軟件是整個系統的核心部分,在硬件組成良好的基礎上,軟件設計的優劣直接影響著系統需求的實現,因此軟件設計就變得尤為重要。本文設計的系統軟件部分由兩部分組成：單片機上的軟件設計和服務器上的軟件設計。設計的平臺分別采用Keil uVision5和QT 5.6,數據庫采用MySQL5.5。

圖5 單片機軟件設計架構

圖6 服務器端軟件設計架構

4.2 軟件設計流程

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的功能,然后合理利用下位機和服務器端資源,按照警務裝備一般監管流程,本文設計主要實施步驟如圖7所示。

圖7 系統軟件運行流程圖

1) 外部電源上電后,系統模塊初始化;

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

3) 藍牙模塊傳送心跳幀到藍牙終端設備,并判斷是否持續連接;

4) GPRS發送設備序列號,定位數據到服務器;

5) 服務器端接收到TCP數據流后,數據庫存儲,軟件界面顯示軌跡;

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

5 實驗結果分析

5.1 實驗數據分析

表1 不同地點設備移動反饋的定位數據

分析:通過不同地點、時間段和同一地點,不同時間的服務器接收數據監測,系統反饋數據運行穩定,定位數據誤差較小,數據傳輸正常,系統運行測試通過。本次數據庫建表上,統計了包括GPS定位數據的經度、緯度以及定位數據存儲時間,對應的設備唯一標識序列號。

5.2 實驗成果描繪

圖8 移動警務裝備軌跡描繪圖

分析:測試結果顯示,通過讀取數據庫的定位數據及時間,在軟件編寫過程中調用百度地圖API,描繪設備移動軌跡,實現實時定位跟蹤的系統功能要求。

總結:通過藍牙、GPRS、圖像傳輸、多感知軌跡跟蹤相比于傳統定位應用,具有更好的設備管理效率。

6 結語

本次設計主要是面向新世紀公安建設服務,將新技術應用在公安領域,對移動警務裝備的統一規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],藍牙傳輸的實現,服務器數據庫存儲設計及地圖軌跡描繪技術,達到后臺人員實時監控,對警務裝備有效管理。

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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。孫雨宸,男,研究方向:安全防范技術。焦冬冬,男,碩士,研究方向:安全防范技術。

TP29

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.03.014