基于物聯(lián)網(wǎng)的警犬信息管理系統(tǒng)*

吳世彤，仉嘉岐，李澤宇

（哈爾濱理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150000）

許多國家都在大力建立和發(fā)展警犬技術(shù)，其廣泛用于偵查破案、治安防范、安全保衛(wèi)等諸多領(lǐng)域。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國公安、軍隊(duì)、武警、海關(guān)等系統(tǒng)警犬總數(shù)已超過萬頭，從業(yè)人員數(shù)萬人[1]。警犬的使用范圍更加廣泛，警犬的獨(dú)特作用更加突出，因此警犬隊(duì)伍的完善變得尤為重要[2]。

現(xiàn)今，信息化技術(shù)手段已經(jīng)應(yīng)用于諸多領(lǐng)域，警犬隊(duì)伍的建設(shè)與管理也不例外地發(fā)生了變化與發(fā)展。如果將先進(jìn)的技術(shù)引入到警犬信息管理中，就可以有效緩解或者解決現(xiàn)存警犬使用信息變動不及時(shí)、信息來源遲緩且質(zhì)量不高、工作效率低、資源浪費(fèi)嚴(yán)重等一系列問題。因此，信息化對于警犬隊(duì)伍的建設(shè)與使用意義重大[3]。隨著全國警犬技術(shù)工作飛速發(fā)展，警犬?dāng)?shù)量與日俱增，警犬信息管理也越來越重要，就需更高效、更智能的管理手段[4]。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通過各種通信設(shè)備，將任何物體與網(wǎng)絡(luò)相連接，形成人、物互聯(lián)和物、物相聯(lián)，以實(shí)現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)管等功能[5]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展為警犬信息管理帶來新的機(jī)遇，可以為警犬的管理和實(shí)戰(zhàn)提供更好的服務(wù)，這對于警犬隊(duì)伍的建設(shè)起到了很好的推進(jìn)作用。

針對以上問題分析，文章設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)的警犬信息管理系統(tǒng)，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引入到警犬信息管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)中。硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了警犬生物芯片采集器，將獲取到的生物芯片信息加密處理后傳輸至管理APP，實(shí)現(xiàn)警犬身份的快速識別。同時(shí)將獲取的有價(jià)值數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)導(dǎo)出到警犬檔案數(shù)據(jù)信息綜合平臺中。系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)是通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，提高了警犬檔案信息化技術(shù)的管理水平，為管理層提供一種實(shí)時(shí)了解、掌控犬群情況，實(shí)時(shí)調(diào)度、調(diào)配警力，查補(bǔ)薄弱環(huán)節(jié)、防范警力真空的溝通與指揮手段，以加強(qiáng)警犬檔案資源的統(tǒng)籌管理、信息共享與數(shù)據(jù)分析建設(shè)，提升民警工作效率與效能。

1 整體結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由警犬身份采集終端（警犬生物芯片掃描儀）、警犬檔案綜合管理系統(tǒng)和警犬檔案管理APP 三部分組成。警犬身份采集終端通過供電電池與磁感線圈獲取生物芯片的電磁數(shù)據(jù)，并通過集成控制板將電磁數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，加密后通過參數(shù)芯片與數(shù)據(jù)線將數(shù)據(jù)傳輸至手機(jī)端APP 中。在APP 端，用戶可以使用生物芯片掃描儀通過OTG（ON-THE-GO）技術(shù)與警犬檔案綜合管理APP 連接采集的生物芯片信息，依據(jù)此信息訪問服務(wù)器從而實(shí)時(shí)更新自己警犬的相關(guān)信息，同時(shí)將修改后的數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程辦公。服務(wù)器端存放警犬相關(guān)信息，同時(shí)提供圖形化界面可以完成信息管理的各種操作。服務(wù)器端不僅提供用戶管理功能，而且提供了手機(jī)端的數(shù)據(jù)訪問和業(yè)務(wù)辦理。系統(tǒng)組成圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)組成圖

1.2 系統(tǒng)工作流程

首先利用掃描儀掃描警犬的生物芯片，讀取警犬皮下生物芯片信息，并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息，再將該信息進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)格式轉(zhuǎn)換并傳輸入手機(jī)端APP，手機(jī)端APP可以完成通信、解密、記錄存儲等操作，并與警犬檔案管理服務(wù)端交互數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)掌握警犬檔案信息，同時(shí)可以上傳警犬最新情況，更新檔案數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

警犬生物芯片掃碼器主要功能是通過供電電池與磁感線圈獲取生物芯片電磁數(shù)據(jù)，并通過集成控制板將電磁數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。并通過數(shù)據(jù)線將加密后的芯片參數(shù)數(shù)據(jù)傳輸至手機(jī)端APP 應(yīng)用中，警犬生物芯片掃碼器硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。系統(tǒng)硬件部分包括警犬生物芯片、134.2kHz RFID 讀卡器，其中RFID 讀卡器內(nèi)部包括了內(nèi)置天線、RFID 解碼模塊、控制器模塊、電源管理模塊和HID 串口轉(zhuǎn)換模塊。

2.1 警犬生物芯片

本系統(tǒng)的警犬生物芯片采用2×12mm 只讀式玻璃管注射無源標(biāo)簽，工作頻率134.2kHz。該類標(biāo)簽體積小，易隱蔽，符合ISO11784/11785 標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)存采用512bit EEPROM。標(biāo)簽封裝在生物相容性的玻璃中，使得它可以長時(shí)間存在于警犬的皮下組織中而不會對警犬造成任何影響。同時(shí)考慮到警犬高運(yùn)動強(qiáng)度的工作特性，考慮在玻璃管表面選涂聚對二甲苯涂層以改善和加速組織粘連，防止植入的標(biāo)簽在皮下移動。該標(biāo)簽化學(xué)穩(wěn)定性好、使用壽命長。只要讀卡器天線靠近動物植入點(diǎn)，就可以讀取此電子標(biāo)簽的EEPROM 中的信息。

2.2 內(nèi)置天線

內(nèi)置天線是讀卡器和警犬生物芯片進(jìn)行通信的橋梁和紐帶，生物芯片的信息需經(jīng)過內(nèi)置天線傳遞到RFID 解碼模塊，內(nèi)置天線的性能很大程度上決定了讀卡器的識讀率、識讀距離和速度。因此為提高RFID 讀卡器的通用性，可以通過一個天線識別兩個頻端的電磁波，本系統(tǒng)考慮將天線進(jìn)行雙頻化；同時(shí)，為了提高RFID 讀卡器的使用便捷程度，無需使標(biāo)簽與讀卡器內(nèi)置實(shí)體天線平行就有良好的適度效果，本系統(tǒng)考慮將天線進(jìn)行圓極化。

RFID 讀卡器天線的極化方向是影響識讀率的重要因素，按照能量模式劃分，讀卡器天線有線極化、橢圓極化和圓極化3 種極化方向。圖3 給出了3 種極化方向的示意圖。每種極化方向是根據(jù)天線發(fā)射無線射頻能量的形狀，線極化天線發(fā)出的電磁波是線性的，具有單方向的電磁場；而圓極化天線發(fā)出的電磁波是圓形螺旋式的，具有多方向電磁場。

考慮到在使用警犬生物芯片掃描儀時(shí)，掃描儀與生物芯片的距離較近而且要求掃描儀能夠在不與生物芯片平行的情況下讀出穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，所以本系統(tǒng)舍棄方向性較強(qiáng)、識讀寬度較窄、識讀距離較遠(yuǎn)的線極化天線，采用方向性較弱、識讀空間寬、但識讀距離較近的圓極化天線。

2.3 RFID 解碼模塊

RFID 解碼模塊通過內(nèi)置天線接收玻璃管標(biāo)簽上的射頻載波，將載波上的信息進(jìn)行解碼，通過HID 串口轉(zhuǎn)換模塊將解碼后的警犬信息傳送至手機(jī)端。

警犬生物芯片掃碼器實(shí)物硬件方案如圖4 所示，其中警犬生物信息掃描儀技術(shù)指標(biāo)如下：

圖4 掃碼器硬件方案

（1）工作頻段：134.2kHz；

（2）協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)：符合ISO11784/11785 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，支持FDX-B 格式；

（3）可讀標(biāo)簽：可以讀取 EM4305，Hitag，EM1001，TK4100 等標(biāo)簽；

（4）工作電壓：5V，取自連接手機(jī)；工作電流：200mA，休眠模式時(shí)<1mA；

（5）通信接口：USB HID；

（6）檢測距離：掃描儀具有優(yōu)異的讀卡性能，直徑30×30mm 天線時(shí)，直射式玻璃管標(biāo)簽距離大于4cm。直徑65mm×65mm 天線時(shí)，直射式玻璃管標(biāo)簽距離大于7cm。并可根據(jù)用戶設(shè)計(jì)任意大小形狀天線。適合要求高的工業(yè)場合，不漏讀卡。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

警犬信息綜合管理平臺的軟件部分主要包括警犬檔案信息管理服務(wù)器和警犬檔案綜合管理APP。其中，警犬檔案信息管理服務(wù)器采用具有可移植性的面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)語言JAVA 進(jìn)行系統(tǒng)的整體開發(fā)，服務(wù)器開發(fā)基于Spring Boot 開發(fā)架構(gòu)；警犬檔案綜合管理APP 采用Android 平臺，警犬身份采集終端模塊采用自主研發(fā)的進(jìn)場數(shù)據(jù)采集裝置，可與Android 平臺進(jìn)行串口通信，數(shù)據(jù)通信協(xié)議符合通信業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

軟件部分的功能主要是對國內(nèi)警犬隊(duì)伍的綜合信息進(jìn)行全面分析，針對業(yè)務(wù)流程和工作需求給出分析，從而設(shè)計(jì)總體框圖和功能模塊圖。對警犬的身份、成長、健康、家族、任務(wù)等相關(guān)信息匯總后進(jìn)行數(shù)字化管理，提取有價(jià)值的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)主要的功能模塊有警犬檔案信息管理、警犬生物信息管理、警犬血統(tǒng)信息管理、警犬訓(xùn)練信息管理等。對于警犬的數(shù)據(jù)信息分類主要包括：警犬基本檔案信息、警犬血統(tǒng)信息、警犬變動記錄信息等15 項(xiàng)警犬基本信息。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)旨在通過現(xiàn)代化的互聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提高警犬信息化技術(shù)的管理水平。

3.1 警犬檔案信息綜合管理系統(tǒng)

警犬檔案信息綜合管理系統(tǒng)在物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)中的服務(wù)端部分，主要是對警犬的檔案、生長發(fā)育、變更、病史、免疫、訓(xùn)練考核、種犬繁殖、警犬血統(tǒng)等相關(guān)信息進(jìn)行查詢/添加/審核/刪除/修改等操作，同時(shí)提供用戶管理和支持手機(jī)端的數(shù)據(jù)訪問業(yè)務(wù)。服務(wù)器端Demo 界面設(shè)計(jì)圖如圖5 所示。

圖5 警犬檔案信息綜合管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

3.2 警犬檔案管理APP

警犬檔案管理APP 是運(yùn)行在手機(jī)端的軟件部分，它通過數(shù)據(jù)線來讀取生物芯片采集器采集到的生物芯片信息，根據(jù)此信息向服務(wù)器發(fā)送檢索請求，獲取警犬其他相關(guān)信息并展示在APP 界面，使用人員可以實(shí)時(shí)掌警犬信息。根據(jù)需求分析，APP 主要實(shí)現(xiàn)的功能流程如下：

APP 通過OTG（ON-THE-GO）線連接生物芯片采集終端，生物芯片采集終端可以采集警犬皮下生物芯片并將所采集的信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息，發(fā)送到手機(jī)端。APP將該信息轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)格式，封裝后發(fā)向服務(wù)器，獲取服務(wù)器端所存儲的對應(yīng)犬類信息，例如警犬檔案、警犬生長發(fā)育、警犬變更、警犬免疫與疾病、警犬考核、警犬繁育、警犬血統(tǒng)等，分類展示在手機(jī)頁面，手機(jī)端APP Demo 設(shè)計(jì)圖如圖6 所示。

圖6 手機(jī)端APP 頁面設(shè)計(jì)圖

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引入警犬信息管理中，實(shí)現(xiàn)警犬信息共享和實(shí)時(shí)更新，解決了現(xiàn)有低效的紙制化上報(bào)方式和信息獲取與更新的諸多問題，提高了警犬信息的管理水平；手機(jī)端APP 和生物掃描儀的設(shè)計(jì)方案，將掃描到的警犬信息自動錄入，替代了傳統(tǒng)的人工讀取信息的方式，提高基層使用者的工作效率；采用Spring Boot開發(fā)架構(gòu)，建立高效、可靠的服務(wù)器檔案信息系統(tǒng)，滿足信息管理和存儲的需求。