執(zhí)勤槍支全無線綜合定位報警技術(shù)研

劉芳，許剛，陳向春，劉偉

(1.陸軍軍官學院 裝甲兵系，合肥 230031；2.淮北鐵運處林渙機輛段)

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劉芳1，許剛1，陳向春1，劉偉2

(1.陸軍軍官學院 裝甲兵系，合肥 230031；2.淮北鐵運處林渙機輛段)

系統(tǒng)采用多種無線定位方式和低功耗嵌入式設計，綜合運用低頻載波定位、寬帶線性調(diào)頻擴頻定位、通信基站定位、無線通信技術(shù)，可實時顯示哨兵活動軌跡，具備無線定位、離位報警、斷線報警、失電報警和防拆卸功能。系統(tǒng)采用全無線的方式，在確保定位精度的同時降低了系統(tǒng)功耗，實現(xiàn)了崗哨、應急值班室、監(jiān)控中心的警情聯(lián)動。

無線通信；離位報警；測距；低頻載波定位；STM32

引　言

為了加強部隊安全防范工作，防止執(zhí)勤槍支被搶、哨兵被襲擊和哨兵攜槍逃離部隊等情況的發(fā)生，加大對執(zhí)勤槍支的監(jiān)督管理力度，防止涉槍涉彈重大惡性案件發(fā)生，本文提出了一種執(zhí)勤槍支全無線定位報警技術(shù)研究方案。該系統(tǒng)采用高低頻配合的多種無線定位方式和低功耗嵌入式設計，綜合運用低頻載波定位、寬帶線性調(diào)頻擴頻定位、通信基站定位、無線通信技術(shù)，在確保定位精度的同時降低了系統(tǒng)功耗，可實時顯示哨兵活動軌跡，監(jiān)控槍械是否在執(zhí)勤崗哨，當槍械離開規(guī)定區(qū)域后，崗亭、應急值班室和監(jiān)控中心同時發(fā)出聲光報警，并交由應急分隊進行追蹤處理。該系統(tǒng)具備無線定位、離位報警、斷線報警、失電報警和防拆卸功能。

1　系統(tǒng)組成及功能

為實現(xiàn)低功耗條件下的可靠測距及遠距離通信，系統(tǒng)由槍支定位器、報警主機、3個定位錨點、無線警報控制器和定位顯示軟件等組成，根據(jù)實際需要系統(tǒng)還配有備用節(jié)點。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)要實時監(jiān)控槍支動態(tài)行為，對執(zhí)勤槍械進行定位與跟蹤，主要實現(xiàn)以下系統(tǒng)功能：

① 能夠?qū)屩г跔I門附近的活動軌跡進行實時定位，超出范圍即進行報警，并對逃離軌跡和方向進行提示；

② 當槍支超出預定活動區(qū)域時，系統(tǒng)能跟蹤定位，并以電子地圖的形式顯示槍支的位置；

③ 采用無線通信方式，實現(xiàn)崗亭、應急值班室、總值班室警情聯(lián)動，具備安裝便捷、維護方便的特點；

④ 運用特殊編碼手段和低噪聲電路設計技術(shù)，可有效抵御電磁干擾，降低系統(tǒng)誤報漏報率；

⑤ 具備低電量報警、斷線報警、拆卸破壞報警等多種功能；

⑥ 具有無線定位功能的低功耗嵌入式系統(tǒng)，可放置于槍支隱蔽部位，待機時間長。

2　系統(tǒng)硬件部分設計

根據(jù)系統(tǒng)組成，硬件主要分為4部分，分別為槍支定位器、報警主機、定位錨點、無線報警控制器，采用全無線連接，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.1槍支定位器硬件電路設計

槍支定位器工作頻率是由125 kHz、900 MHz及2.4 GHz隨機跳頻3個頻段組成，平時工作中心頻率為125 kHz，起喚醒2.4 GHz定位模塊的作用。當收到報警主機125 kHz的激勵信號之后，2.4 GHz定位模塊由被動喚醒轉(zhuǎn)換為主動傳輸，進行2.4 GHz頻段通信。經(jīng)實驗驗證槍械定位器激活距離一般為3 m。當執(zhí)勤槍支超出報警主機激活距離，即在營門活動區(qū)域范圍內(nèi)采用高頻(2.4 GHz)無線定位技術(shù)，此時根據(jù)信號強度采用基于時間的測距方式，進行多點定位。當執(zhí)勤槍支遠離營門超出活動范圍，此時系統(tǒng)激活GSM+GPRS模塊，采用蜂窩移動定位技術(shù)，通過移動通信網(wǎng)絡迅速將槍支位置信息傳送給移動用戶或者遠端的用戶。槍支定位器硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3　槍支定位器硬件結(jié)構(gòu)圖

2.2報警主機硬件電路設計

報警主機采用STM32處理器的PWM定時器產(chǎn)生125 kHz低頻信號，經(jīng)功率放大喚醒槍支定位器，并通過2.4 GHz高頻信道對槍支定位器進行定位和通信，同時使用433 MHz無線信道向應急值班室和總值班室實時傳輸信息。報警主機硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　報警主機硬件結(jié)構(gòu)圖

2.3無線報警控制器硬件電路設計

無線報警控制器安裝于應急值班室或營區(qū)監(jiān)控室內(nèi)，采用220 V市電供電，用于控制聲光報警器、顯示崗哨狀態(tài)、記錄系統(tǒng)開關(guān)機和報警歷史信息。其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。無線報警控制器接收來自報警主機的信息，通過液晶顯示器將當前槍支定位器當前狀態(tài)信息顯示并存儲，以便槍械管理人員查看。無論當槍支定位器接收信號超出規(guī)定時間(即出現(xiàn)節(jié)點斷線報警)，還是槍支受到非規(guī)定程序拆卸或破壞(即出現(xiàn)破壞報警)，報警主機都會通過433 MHz無線信道向應急值班室和總值班室實時傳輸信息，觸發(fā)無線報警控制器進行聲光報警。

圖5　無線報警控制器硬件結(jié)構(gòu)圖

圖6　定位錨點硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.4定位錨點硬件電路設計

定位錨點模塊是由電源管理模塊、STM32處理器和2.4 GHz定位通信模塊構(gòu)成。系統(tǒng)有3個定位錨點，采用220 V市電供電，安裝在營門附近，與報警主機一起實現(xiàn)對槍支定位器的多點高頻無線測距。定位錨點硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。

3　系統(tǒng)軟件設計

在系統(tǒng)的軟件設計中，采用模塊化設計方法，各模塊之間相對獨立，這樣可以使得程序結(jié)構(gòu)清晰，便于今后進一步擴展系統(tǒng)的功能。由于系統(tǒng)對實時性的需求較高，因此整體上采用結(jié)構(gòu)化程序設計以滿足系統(tǒng)的實時性和精確性功能需求。系統(tǒng)軟件由運行在槍支定位器、報警主機、定位錨點、無線報警控制器上的嵌入式軟件和PC端、手機端軟件構(gòu)成，各類信息通過125 kHz、433 MHz、2.4 GHz和GSM/GPRS各種無線方式進行傳遞，構(gòu)成一個整體的軟件系統(tǒng)。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖略——編者注。

其中無線報警器軟件主要由PC端定位顯示軟件構(gòu)成，手機端僅為一個網(wǎng)絡鏈接短信。定位顯示軟件主要分為3個模塊，即無線串口通信模塊、參數(shù)設置模塊和定位顯示模塊。

PC端串口與報警主機通過無線433 MHz模塊進行通信，系統(tǒng)采用MSComm控件來控制串行端口傳輸和接收數(shù)據(jù)。根據(jù)串口收到的數(shù)據(jù)包，當槍支定位器在崗亭內(nèi)沒有CSS測距數(shù)據(jù)時，定位解算模塊將其定位在坐標原點；槍支定位器離開崗亭后，定位解算軟件根據(jù)CSS測距數(shù)據(jù)，按照多邊定位算法和卡爾曼濾波算法進行定位解算。軟件界面如圖7所示。

圖7　定位軟件界面

界面主體是以報警主機為原點的坐標系，大圓表示營門活動區(qū)域邊界，界面右側(cè)包括槍支定位器剩余電量、聲光報警狀態(tài)、當前定位方式、各節(jié)點信號、距離信息提示等信息。聲光報警可以由系統(tǒng)自動觸發(fā)或手動打開關(guān)閉。

4　系統(tǒng)測試

為了實測所設計測距硬件的性能，使用槍支定位器和報警主機在某機構(gòu)崗哨進行了試用實驗，將兩節(jié)點距離從1.2 m開始每次增加1.2 m，直到46.8 m，并記錄各距離下的測量數(shù)據(jù)，詳見圖8?？梢钥闯鰷y量點的擬合線基本上與真實距離線平行，且測量數(shù)據(jù)的方差較小，這證實了所設計的硬件具有較好的穩(wěn)定性和較高的測量精度。

圖8　測量距離誤差

對于定位實驗，將報警主機和3個錨節(jié)點分別放置在該機構(gòu)的2個崗亭內(nèi)和2個大門柱高處平臺上，當槍支定位器進入定位區(qū)域，分別與報警主機和定位錨點進行測距和數(shù)據(jù)傳輸，由于多徑效應和非視距等很多因素會影響定位精度，在定位實際應用中會檢測到很多與移動目標無關(guān)的信息(如信號的衰減、折射、反射及信道干擾等)，需要對這些錯誤的信息進行適當處理。在該實驗中，相鄰兩個時刻槍支定位器的運動軌跡不會突變，4個定位基站都是NLOS傳播。

測量軌跡與校正軌跡對比圖略——編者注。由圖可知，除了實際軌跡和校正軌跡初始值設置不同外，基本上與真實軌跡接近，這是由于經(jīng)過校正后去除了數(shù)據(jù)中的錯誤信息，提高了定位精度。實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)定位穩(wěn)定性非常好，其誤差結(jié)果可控制在0.5～1.2 m以內(nèi)。

結(jié)　語

執(zhí)勤槍支全無線定位報警系統(tǒng)，綜合運用了低頻載波喚醒、寬帶線性調(diào)頻擴頻定位、移動基站定位、無線通信技術(shù)，在確保定位精度的同時降低了系統(tǒng)功耗，可實時顯示哨兵活動軌跡，系統(tǒng)具備無線定位、離位報警、斷

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