基于區(qū)塊鏈技術(shù)的智能監(jiān)控可疑動(dòng)態(tài)物體定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李政博

(北華大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，吉林 吉林 132013)

0 引言

動(dòng)態(tài)定位指的是在觀測(cè)器件分析周?chē)潭ㄎ恢檬欠翊嬖诳捎X(jué)察的運(yùn)動(dòng)，根據(jù)運(yùn)動(dòng)的待定點(diǎn)確定位置[1-2]。可疑物體動(dòng)態(tài)定位對(duì)于捕捉可疑物體有關(guān)鍵性意義，傳統(tǒng)的智能監(jiān)控可疑動(dòng)態(tài)物體定位系統(tǒng)的花費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)，且不具備實(shí)時(shí)性，準(zhǔn)確率較低[3]。

區(qū)塊鏈技術(shù)是一種通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行密碼學(xué)串聯(lián)進(jìn)行數(shù)據(jù)保護(hù)的一種數(shù)據(jù)處理技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)之間的運(yùn)輸和數(shù)據(jù)加密算法等計(jì)算機(jī)技術(shù)，一般由數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡(luò)層、共識(shí)層組成，從而加強(qiáng)系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的管理能力和儲(chǔ)存能力，實(shí)現(xiàn)更好的數(shù)據(jù)保存和數(shù)據(jù)共享[4]。因此本文在原有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，采用區(qū)塊鏈技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種基于區(qū)塊鏈技術(shù)的智能監(jiān)控可疑動(dòng)態(tài)物體定位系統(tǒng)，對(duì)其硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并敘述了其嵌入式操作系統(tǒng)和監(jiān)控定位數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存算法，設(shè)計(jì)了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，證明其優(yōu)勢(shì)，對(duì)區(qū)塊鏈技術(shù)的發(fā)展具有促進(jìn)作用。

1 區(qū)塊鏈技術(shù)

除交易方私有信息外，區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中的其他數(shù)據(jù)都是對(duì)外開(kāi)放的，網(wǎng)絡(luò)中任一節(jié)點(diǎn)失效，其余節(jié)點(diǎn)都能夠跳過(guò)該節(jié)點(diǎn)，保持正常工作。去中心化是區(qū)塊鏈技術(shù)最本質(zhì)的特征，它沒(méi)有中心化的管理機(jī)構(gòu)，所有節(jié)點(diǎn)都能夠自行實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換及管理。

區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫(kù)具有不可篡改性。一旦記錄數(shù)據(jù)便不可能再被更改，可隨時(shí)追本溯源。因此，將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于智能監(jiān)控可疑動(dòng)態(tài)物體定位系統(tǒng)中，能夠有效提升系統(tǒng)的安全性及穩(wěn)定性。

2 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的智能監(jiān)控可疑動(dòng)態(tài)物體定位系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于區(qū)塊鏈技術(shù)的智能監(jiān)控可疑動(dòng)態(tài)物體定位系統(tǒng)是由軟件平臺(tái)和硬件平臺(tái)終端組成的，通過(guò)硬件和軟件協(xié)同工作的方式實(shí)現(xiàn)整體功能，硬件平臺(tái)是軟件程序運(yùn)行的基礎(chǔ)物理?xiàng)l件，主要由核心處理器、硬盤(pán)、天線以及其他元件構(gòu)成，三種核心硬件分別實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的中央控制管理、內(nèi)外儲(chǔ)存和智能定位等功能，基于區(qū)塊鏈技術(shù)的智能監(jiān)控可疑動(dòng)態(tài)物體定位系統(tǒng)整體硬件設(shè)計(jì)框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件整體設(shè)計(jì)架構(gòu)

如圖1所示，采用s3c2440處理器作為MCU芯片，設(shè)計(jì)系統(tǒng)核心處理器；采用旋轉(zhuǎn)盤(pán)片設(shè)計(jì)硬盤(pán)，采用盤(pán)片讀取能夠保證數(shù)據(jù)的非易失性；通過(guò)SOC芯片和天線組成智能監(jiān)控器，實(shí)現(xiàn)能監(jiān)控可疑動(dòng)態(tài)物體定位系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。

2.1 核心處理器設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的基于區(qū)塊鏈技術(shù)的智能監(jiān)控可疑動(dòng)態(tài)物體定位系統(tǒng)硬件平臺(tái)的新型處理器選擇s3c2440作為MCU芯片，該芯片較s3c型其他型號(hào)的新配配置更強(qiáng)大，擁有的資源如下：3個(gè)基本定時(shí)器、4個(gè)通用定時(shí)器、2個(gè)高級(jí)定時(shí)器、3個(gè)SPI、4個(gè)IIC、6個(gè)串口、2個(gè)12位的DAC、1個(gè)USB接口、112個(gè)IO接口、5個(gè)控制器(包括LCD、USB Device、USB Host、NAND FLASH、I2C)、6個(gè)控制器相應(yīng)的寄存器等等[5]。其內(nèi)核采用的ARM920t，具有獨(dú)立的數(shù)據(jù)處理單元，其主要功能在于完成監(jiān)控治具和定位數(shù)據(jù)處理、控制系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間、處理請(qǐng)求指令、執(zhí)行指令操作等， s3c2440的優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1)性?xún)r(jià)比較高。s3c2440是32位機(jī)，價(jià)格與一般與普通的八位機(jī)相差不多，因此，其性?xún)r(jià)比是最大的優(yōu)勢(shì)。

2)豐富的外擴(kuò)設(shè)備。s3c2440擁有SPI、IIC、USB、DAN、DAC等多種外擴(kuò)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)外接功能，具有較高的集成力。

3)型號(hào)多。s3c2440擁有上百種型號(hào)，能夠滿足用戶(hù)的不同需求，且其適配性較高。

4)實(shí)時(shí)性高。s3c2440具有84個(gè)中斷，16個(gè)可升級(jí)編程，終端收入為引腳。

5)控制功能較好。具有獨(dú)立的定時(shí)開(kāi)關(guān)，可以降低資源損耗，提升控制能力。

6)開(kāi)發(fā)成本較低。s3c2440的開(kāi)發(fā)不需要仿真器，可以從一個(gè)串口下載代碼，實(shí)現(xiàn)仿真調(diào)試[6-7]。

2.2 硬盤(pán)設(shè)計(jì)

硬盤(pán)采用旋轉(zhuǎn)盤(pán)片為基礎(chǔ)，通過(guò)在平整的磁性表面進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和檢索，使用盤(pán)片進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，儲(chǔ)存能力較強(qiáng)，且具有非易失性。基于區(qū)塊鏈技術(shù)的智能監(jiān)控可疑動(dòng)態(tài)物體定位系統(tǒng)的存儲(chǔ)功能利用硬盤(pán)自帶的SPI來(lái)完成對(duì)外部信息的讀寫(xiě)，完成對(duì)可疑物品運(yùn)動(dòng)狀況的全程記錄，該硬盤(pán)能夠存儲(chǔ)物體在72小時(shí)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)據(jù)、定位數(shù)據(jù)以及物體的基本形態(tài)數(shù)據(jù)，分成200×3 k區(qū)域存儲(chǔ)，每過(guò)半個(gè)小時(shí)的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在一個(gè)3 K范圍內(nèi)，并每間隔半個(gè)小時(shí)覆蓋更新原有的存儲(chǔ)區(qū)域，這樣使實(shí)時(shí)呈現(xiàn)數(shù)據(jù)不超過(guò)半個(gè)小時(shí)[8]。

SPI是硬盤(pán)與外圍設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇?hào)接口，其本質(zhì)是一種通信總線，具有全雙工性，快速性等優(yōu)勢(shì)，體積小，在應(yīng)用布局上不占用空間容量，主要包含四條線通信，分別實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入、輸出以及時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生和硬盤(pán)控制，可以同時(shí)接收和發(fā)出數(shù)據(jù)信號(hào)，提供具有一定可編程頻率的時(shí)鐘，在不同時(shí)種相位下其產(chǎn)生的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序如圖2所示。

圖2 總線數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序

2.3 智能監(jiān)控器設(shè)計(jì)

基于區(qū)塊鏈技術(shù)的智能監(jiān)控可疑動(dòng)態(tài)物體定位系統(tǒng)的導(dǎo)航功能主要由SOC芯片和天線兩部分物理硬件構(gòu)成，其中SOC芯片能夠同時(shí)支持GPS的頻點(diǎn)，根據(jù)GPS對(duì)可疑動(dòng)態(tài)物品進(jìn)行損失定位，相較于其他采用多頻點(diǎn)模塊，對(duì)動(dòng)態(tài)物體的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)化集成，具有高準(zhǔn)確性的特點(diǎn)，適用于運(yùn)動(dòng)物體的定位和運(yùn)動(dòng)軌跡研究，SOC芯片的框架如圖3所示。

圖3 SOC芯片的框架

在系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)中，需要在原有天線的基礎(chǔ)上嵌入符合SLC芯片運(yùn)行的雙頻點(diǎn)天線，使二者之間工作更加順暢，天線的本質(zhì)是一種變換器，能夠?qū)鬏斁€上的導(dǎo)行波和電磁波進(jìn)行相反的變換，且具有可逆性。雙頻點(diǎn)天線既能發(fā)射天線，也能接收天線，既能夠完成可疑物品定位信息的接收，又能發(fā)射一定的電磁波，確定其運(yùn)動(dòng)軌跡，是在智能定位和監(jiān)控系統(tǒng)中必不可少的硬件設(shè)備，凡是通過(guò)電磁波傳達(dá)信息的例如廣播、電視、雷達(dá)等都依靠天線進(jìn)行工作[9-10]。

3 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的智能監(jiān)控可疑動(dòng)態(tài)物體定位系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 μC/OS-II嵌入式操作程序

基于區(qū)塊鏈技術(shù)的智能監(jiān)控可疑動(dòng)態(tài)物體定位系統(tǒng)采用能夠?qū)嵭卸嗳蝿?wù)操作的μC/OS-II嵌入式操作系統(tǒng)，該系統(tǒng)在微控制器、數(shù)據(jù)信號(hào)處理器等方面應(yīng)用廣泛，是一種可運(yùn)行在嵌入式系統(tǒng)中系統(tǒng)軟件，包括與系統(tǒng)硬件相關(guān)聯(lián)的驅(qū)動(dòng)軟件、通訊協(xié)議、驅(qū)動(dòng)監(jiān)控、系統(tǒng)內(nèi)核等組成部分，能夠控制系統(tǒng)內(nèi)的全部軟件和調(diào)配硬件的資源、分配任務(wù)協(xié)調(diào)硬件與軟件的并發(fā)活動(dòng)等，μC/OS-II的體系架構(gòu)如圖4所示。

圖4 μC/OS-II的體系架構(gòu)

C/OS-II具有實(shí)時(shí)性、可定制性、可移植性和低資源占用性等功能，通過(guò)將其嵌入到系統(tǒng)中，能夠提升系統(tǒng)的執(zhí)行效率，擴(kuò)展系統(tǒng)功能，其不僅僅是一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，還兼?zhèn)淙蝿?wù)管理、任務(wù)調(diào)配以及內(nèi)存控制、時(shí)間管理等基礎(chǔ)功能，提供數(shù)據(jù)的輸入、輸出管理，其源代碼開(kāi)放，可以根據(jù)自己的需求公開(kāi)源代碼，實(shí)現(xiàn)不同的功能。采用μC/OS-II操作系統(tǒng)運(yùn)行的主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)搶占性?xún)?nèi)核，并在該內(nèi)核的基礎(chǔ)上實(shí)行數(shù)據(jù)的終端管理，提供相應(yīng)的基礎(chǔ)服務(wù)。在執(zhí)行分配任務(wù)時(shí)，每一個(gè)任務(wù)可視為一個(gè)線程，且每個(gè)線程具有一定的優(yōu)先級(jí)，采用優(yōu)先算法，在任務(wù)中斷后，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)中斷時(shí)間、中斷狀態(tài)，整合中斷數(shù)據(jù)，將其運(yùn)行代碼轉(zhuǎn)移到其他地址進(jìn)行持續(xù)運(yùn)行工作[11-12]。

3.2 動(dòng)態(tài)物體的智能監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和定位數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)算法

動(dòng)態(tài)物體的智能監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和定位數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)算法流程如圖5所示。

圖5 智能監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和定位數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)算法流程

首先判斷在該運(yùn)動(dòng)物體是否在監(jiān)控隊(duì)列中，即物體的運(yùn)行點(diǎn)數(shù)是否為零；然后讀取該動(dòng)態(tài)物體在SPI塊中的信息，判斷是該監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)是否為本機(jī)的第一次儲(chǔ)存；當(dāng)SPI確定儲(chǔ)存數(shù)據(jù)時(shí)為120點(diǎn)時(shí)，判斷該物體開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，并從當(dāng)前的SPI模塊開(kāi)始儲(chǔ)存物體的位置和運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)據(jù)[13-14]。

考慮到系統(tǒng)可能重啟導(dǎo)致的數(shù)據(jù)丟失，其物體運(yùn)行軌跡的記錄，堅(jiān)持以下幾個(gè)原則：

1)在保存可疑動(dòng)態(tài)物體位置和運(yùn)行軌跡的數(shù)據(jù)，采用區(qū)塊鏈方式，進(jìn)行分步式數(shù)據(jù)儲(chǔ)存，每個(gè)運(yùn)動(dòng)軌跡均固定在一個(gè)字節(jié)之內(nèi)，8個(gè)字節(jié)后開(kāi)始保存可疑動(dòng)態(tài)物體的開(kāi)始運(yùn)行時(shí)間和結(jié)束運(yùn)行時(shí)間，并且固定字節(jié)長(zhǎng)度。

2)當(dāng)系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行后，根據(jù)當(dāng)前監(jiān)控時(shí)間，查看該物體是否在前段時(shí)間有監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，若有的話，通過(guò)硬盤(pán)讀取到該監(jiān)控隊(duì)列中，保存完整的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。

3)在每隔半小時(shí)間交界的時(shí)候，通過(guò)硬盤(pán)的SPI保存該區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)綁定在固定的數(shù)據(jù)庫(kù)中，并用新數(shù)據(jù)覆蓋原有的數(shù)據(jù)[15]。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的基于區(qū)塊鏈技術(shù)的智能監(jiān)控可疑動(dòng)態(tài)物體定位系統(tǒng)的有效性，設(shè)定對(duì)比實(shí)驗(yàn)。可疑動(dòng)態(tài)物體檢測(cè)實(shí)驗(yàn)環(huán)境如圖6所示。

圖6 可疑動(dòng)態(tài)物體檢測(cè)實(shí)驗(yàn)環(huán)境

實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)參數(shù)和實(shí)驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)運(yùn)行的基本步驟為：

1)確定軟件運(yùn)行軌跡，將運(yùn)行軌跡記錄在文件中；

2)分析記錄中的指令類(lèi)型、操作數(shù)量和具體參數(shù)；

3)根據(jù)信息指令類(lèi)型和傳播方式，判斷可疑物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，確定物體的源地址和可疑物體的具體屬性；

4)根據(jù)安全規(guī)則來(lái)確定可疑動(dòng)態(tài)物體的安全性，如果不符合安全規(guī)則，則要將這一狀態(tài)信息輸出，同時(shí)終止系統(tǒng)運(yùn)行；如果系統(tǒng)滿足安全規(guī)則，則可以進(jìn)行繼續(xù)操作；

5)根據(jù)物體狀態(tài)屬性，得到空間遷移策略；

6)依據(jù)得到的空間策略確定可疑物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的空間；

7)確定離線運(yùn)行軌跡后，返回到狀態(tài)1)，重新執(zhí)行。

選取傳統(tǒng)的基于物體特征的智能監(jiān)控可疑動(dòng)態(tài)物體定位系統(tǒng)和基于軌跡記錄的智能監(jiān)控可疑動(dòng)態(tài)物體定位系統(tǒng)和本文提出的基于區(qū)塊鏈技術(shù)的智能監(jiān)控可疑動(dòng)態(tài)物體定位系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，通過(guò)物體質(zhì)心特征確定軌跡運(yùn)行特征，綜合分析目標(biāo)的遮擋、運(yùn)行還有魯棒性，記錄可疑物體的運(yùn)行軌跡，跟蹤軌跡指的是在空間內(nèi)部移動(dòng)時(shí)，可疑物體的通過(guò)路徑全部運(yùn)動(dòng)軌跡，記錄的軌跡指的是物體質(zhì)心構(gòu)成的路徑。得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 實(shí)際運(yùn)行軌跡為曲線系統(tǒng)運(yùn)行軌跡實(shí)驗(yàn)圖

圖8 實(shí)際運(yùn)行軌跡為直線系統(tǒng)運(yùn)行軌跡實(shí)驗(yàn)圖

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，本文提出的基于區(qū)塊鏈技術(shù)的智能監(jiān)控可疑動(dòng)態(tài)物體定位系統(tǒng)的運(yùn)行軌跡對(duì)于可疑物體定位的準(zhǔn)確性，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的定位系統(tǒng)的軌跡，該系統(tǒng)能夠有效降低存儲(chǔ)空間，得到清晰的運(yùn)行軌跡，本文提出的基于區(qū)塊鏈技術(shù)的智能監(jiān)控可疑動(dòng)態(tài)物體定位系統(tǒng)的運(yùn)行軌跡與實(shí)際運(yùn)行軌跡出現(xiàn)多個(gè)吻合點(diǎn)，而傳統(tǒng)的定位系統(tǒng)定位的運(yùn)行軌跡與實(shí)際運(yùn)行軌跡出入相差較大。可疑物體與固定物體之間的距離是研究運(yùn)行軌跡的主要參數(shù)，在得到該數(shù)據(jù)后，可以根據(jù)視圖分析物體的相對(duì)距離，精準(zhǔn)地確定出物體運(yùn)行的范圍。區(qū)塊鏈技術(shù)得到的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際結(jié)果十分相近，定位系統(tǒng)的空間分辨率在1 cm之內(nèi)，能夠根據(jù)實(shí)際場(chǎng)景確定出高精度軌跡路線。

分析定位時(shí)間，分別針對(duì)可疑動(dòng)態(tài)物體不同的運(yùn)行軌跡進(jìn)行研究，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2～3所示。

表2 可疑動(dòng)態(tài)物體運(yùn)行軌跡為直線定位時(shí)間 s

表3 可疑動(dòng)態(tài)物體運(yùn)行軌跡為曲線定位時(shí)間 s

根據(jù)表2～3可知，本文提出的基于區(qū)塊鏈技術(shù)的智能監(jiān)控可疑動(dòng)態(tài)物體定位系統(tǒng)的運(yùn)行軌跡可以在短時(shí)間內(nèi)確定運(yùn)行軌跡，確定運(yùn)行軌跡位置，對(duì)直線軌跡及曲線軌跡的定位時(shí)間平均值分別為9.175 s及8.727 s，而雖然傳統(tǒng)系統(tǒng)也能夠確定運(yùn)行軌跡，但是花費(fèi)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，不具備實(shí)時(shí)性，降低定位準(zhǔn)確性。

綜上所述，本文提出基于區(qū)塊鏈技術(shù)的智能監(jiān)控可疑動(dòng)態(tài)物體定位系統(tǒng)的運(yùn)行軌跡在定位時(shí)間和定位準(zhǔn)確性始終優(yōu)于傳統(tǒng)系統(tǒng)，定位性能更好，更適合應(yīng)用在實(shí)際生活中。

5 結(jié)束語(yǔ)

為提升對(duì)可疑運(yùn)動(dòng)物體的智能監(jiān)控和定位能力，本文設(shè)計(jì)了一種基于區(qū)塊鏈技術(shù)的智能監(jiān)控可疑動(dòng)態(tài)物體定位系統(tǒng)的系統(tǒng)，根據(jù)區(qū)塊鏈技術(shù)詳細(xì)設(shè)計(jì)了其核心處理器、硬盤(pán)及導(dǎo)航硬件設(shè)備，介紹了嵌入式操作系統(tǒng)等軟件設(shè)備。設(shè)置對(duì)比實(shí)驗(yàn)，證明了本文研究系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和高效率性，能夠準(zhǔn)確定位可疑物體的位置，并追蹤其運(yùn)動(dòng)路徑，具有較高的使用價(jià)值。