基于復(fù)合定位技術(shù)的微型定位裝置

陳 偉，李凌云，孫奮進(jìn)， 崔恒榮，嚴(yán) 巖，周 濤， 董立敏，劉文斌,*

（1.上海市刑事科學(xué)技術(shù)研究院 上海市現(xiàn)場(chǎng)物證重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海，200083；

2.中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所，上海，200050）

基于復(fù)合定位技術(shù)的微型定位裝置

陳 偉1，李凌云2，孫奮進(jìn)1， 崔恒榮2，嚴(yán) 巖1，周 濤2， 董立敏1，劉文斌1,*

（1.上海市刑事科學(xué)技術(shù)研究院 上海市現(xiàn)場(chǎng)物證重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海，200083；

2.中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所，上海，200050）

隨著武裝巡邏常態(tài)化的推行，警用槍支使用頻率大幅上升，由此產(chǎn)生一系列槍支使用安全性問(wèn)題。為規(guī)范槍支使用，急需研制基于復(fù)合定位技術(shù)的定位裝置，以解決槍支日常定位管理及槍支丟失后精確定向查找的難題，從而提高槍支使用的安全性。本文介紹一種自主研發(fā)的復(fù)合精準(zhǔn)定位系統(tǒng)，將GPS、GSM和RFID技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)整合，制成微型復(fù)合定位裝置，實(shí)現(xiàn)中遠(yuǎn)距離使用GPS和GSM對(duì)槍支跟蹤和定位，以及近距離使用RFID技術(shù)對(duì)槍支定向精確查找。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，本裝置是現(xiàn)有定位系統(tǒng)近距離查找的有力補(bǔ)充手段，能提高綜合定位精確度，實(shí)現(xiàn)對(duì)槍支全方位的定位追蹤。該復(fù)合定位裝置除可用于警用槍支定位外，還可在民用車輛、貴重物品等定位管理方面推廣應(yīng)用。

復(fù)合定位；GPS；GSM；RFID

隨著國(guó)內(nèi)安全防衛(wèi)要求的不斷提升與國(guó)家反恐形勢(shì)的日益嚴(yán)峻，公安部部署全國(guó)公安機(jī)關(guān)加強(qiáng)社會(huì)全面巡邏防控，實(shí)行常態(tài)化的武裝巡邏、動(dòng)中備勤。旨在快速應(yīng)對(duì)處置各類突發(fā)案件，維護(hù)社會(huì)公共安全，提升人民群眾安全感。但是，槍支使用頻率的上升，將不可避免地帶來(lái)更多使用的安全問(wèn)題。如何確保民警規(guī)范使用槍支，以及丟失或被搶槍支的及時(shí)找回，是民警和公眾十分關(guān)心的問(wèn)題。因此，研制和開發(fā)可應(yīng)用于槍支定位跟蹤的裝置，有著迫切的應(yīng)用需求。

目前市場(chǎng)上常見的跟蹤定位設(shè)備，通常是將GPS（全球定位系統(tǒng)）、GSM（全球移動(dòng)通信系統(tǒng)）進(jìn)行整合集成，使用GPS進(jìn)行精確定位以及使用GSM進(jìn)行基站定位和定位信息傳送[1-2]。但是受GPS定位精度的限制[3]，尚缺少對(duì)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)10米以內(nèi)精確定向和定位的手段，特別是在室內(nèi)環(huán)境下，無(wú)法接收衛(wèi)星信號(hào)或信號(hào)偏弱。其他只利用RSSI（信號(hào)強(qiáng)度）進(jìn)行測(cè)距的方法，受環(huán)境因素干擾較大，存在較大誤差。

本文介紹一種自主研發(fā)的復(fù)合精準(zhǔn)定位系統(tǒng)，將GPS、GSM和RFID（射頻識(shí)別）技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)整合，制成微型復(fù)合定位裝置，實(shí)現(xiàn)了在中遠(yuǎn)距離使用GPS和GSM對(duì)槍支進(jìn)行跟蹤定位，在近距離使用RFID技術(shù)對(duì)槍支進(jìn)行定向精確查找。

1 方法與原理

本系統(tǒng)重點(diǎn)面向警用槍支實(shí)時(shí)檢測(cè)與定位的需求，將GPS、GSM、RFID進(jìn)行整合，解決了系統(tǒng)小型化、多天線設(shè)計(jì)、低功耗電路設(shè)計(jì)、多模塊無(wú)線信號(hào)串?dāng)_、高效能源管理等關(guān)鍵技術(shù)，嚴(yán)格控制系統(tǒng)重量和體積，在設(shè)計(jì)上做到防震、防潮，最終實(shí)現(xiàn)槍支使用管理的信息化，在突發(fā)情況下槍支的自動(dòng)報(bào)警，槍支丟失或被搶后位置的迅速上報(bào)，槍支近距離位置的自動(dòng)掃描尋找等功能。

系統(tǒng)的整體實(shí)現(xiàn)框如圖1所示，警員所持槍支經(jīng)過(guò)統(tǒng)一登記，內(nèi)部具有唯一身份識(shí)別號(hào)。正常使用情況下槍支內(nèi)部的有源RFID模塊與警員的警務(wù)通進(jìn)行通訊，傳送自身的號(hào)碼與相應(yīng)的狀態(tài)信息。后臺(tái)數(shù)據(jù)服務(wù)中心通過(guò)自帶的移動(dòng)網(wǎng)平臺(tái)從警務(wù)通獲取槍支相應(yīng)信息，并長(zhǎng)期保存與分析。

當(dāng)超過(guò)設(shè)定的時(shí)間未得到槍支信息，或出現(xiàn)其它異常情況，數(shù)據(jù)中心可以人工方式通知或詢問(wèn)槍支的使用情況，做好平時(shí)記錄監(jiān)測(cè)，異常及時(shí)響應(yīng)，其工作流程如圖2所示。正常監(jiān)測(cè)情況下，數(shù)據(jù)中心也可與槍支模塊進(jìn)行通信，改變相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置，達(dá)到系統(tǒng)最優(yōu)化設(shè)置。

當(dāng)槍支在使用過(guò)程中離開警員超過(guò)一定距離（10米），可以認(rèn)為槍支使用過(guò)程中出現(xiàn)了脫管的情況，其工作流程如圖3所示，數(shù)據(jù)中心可以通過(guò)人工方式詢問(wèn)詳細(xì)的原因，確認(rèn)是否正常。若不能判斷情況正常，監(jiān)控中心可啟動(dòng)對(duì)槍支的直接監(jiān)控，獲取槍支的位置或其它信息，便于對(duì)槍支的定位與追蹤。同時(shí)，當(dāng)槍支模塊發(fā)生脫管時(shí)，會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)上報(bào)機(jī)制，報(bào)告相應(yīng)的異常信息。緊急情況下，槍支的信息傳送將通過(guò)槍支自帶的GPRS模塊進(jìn)行無(wú)線轉(zhuǎn)輸，只要在移動(dòng)通信范圍覆蓋的區(qū)域均能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)更新。當(dāng)槍支遭遇緊急情況時(shí)，槍支有源RFID定位模塊會(huì)自動(dòng)發(fā)送自身的ID信息，通過(guò)GPS鎖定大致位置后，使用檢測(cè)設(shè)備通過(guò)測(cè)向天線可檢測(cè)槍支模塊與之相應(yīng)的方向角度和距離，達(dá)到快速尋找槍支的目的。

圖1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框圖Fig.1 Block diagram of system implementation

圖2 定位模塊工作流程圖Fig.2 Flow chart of positioning module

圖3 監(jiān)控中心工作流程圖Fig.3 Flow chart of monitoring center

2 系統(tǒng)組成

2.1 RFID定位模塊

對(duì)于大多數(shù)無(wú)線傳感應(yīng)用來(lái)說(shuō)，不知道傳感器節(jié)點(diǎn)位置而感知的數(shù)據(jù)是沒有意義的，節(jié)點(diǎn)的自定位功能被認(rèn)為是系統(tǒng)的基本功能之一。因此，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)的研究非常重要，并且已成為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)支撐技術(shù)。一般而言，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)分為基于距離的定位和非基于距離的定位。基于距離的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)一般分為兩個(gè)階段：首先是測(cè)量無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)間的距離；然后根據(jù)節(jié)點(diǎn)間的距離和現(xiàn)有的傳感器節(jié)點(diǎn)定位算法如三邊測(cè)量法等計(jì)算出位置信息。

每個(gè)槍支可以認(rèn)為是一個(gè)傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，基于無(wú)線節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率（RSSI）的測(cè)量進(jìn)行距離測(cè)定是一種常用的定位方法。RSSI（Received Signal Strength Indicator）是最基本的測(cè)距方法，基本不需要額外的硬件設(shè)備，實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)單。在基于接收信號(hào)強(qiáng)度指示RSSI的測(cè)距中，已知發(fā)射節(jié)點(diǎn)的發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度，接收節(jié)點(diǎn)根據(jù)收到的信號(hào)強(qiáng)度計(jì)算出信號(hào)的傳播損耗，利用理論和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯鬏敁p耗轉(zhuǎn)化為節(jié)點(diǎn)間的距離。但是在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中，此方法易受溫度、無(wú)線信號(hào)的反射、障礙物、傳播模式等諸多因素的影響，在實(shí)際應(yīng)用中存在較大困難。

本系統(tǒng)中采用TOF（Time of Flight Measurement）的方法進(jìn)行距離測(cè)量[4]。TOF 測(cè)距方法是D. Mc-Crady[5]提出的，側(cè)重應(yīng)用于直接序列擴(kuò)頻（DSSS）的通信系統(tǒng)。M. Ciurana也對(duì)TOF 測(cè)距技術(shù)有所研究，他首次在IEEE 802. 11b 的無(wú)線局域網(wǎng)中使用TOF測(cè)距技術(shù)，但是需要額外的硬件幫助[6-7]。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，也有許多學(xué)者對(duì)TOF測(cè)距技術(shù)進(jìn)行了研究，但需要一個(gè)專門的基礎(chǔ)設(shè)施，而這個(gè)基礎(chǔ)設(shè)施目前尚未廣泛應(yīng)用于IEEE 802.11（無(wú)線）網(wǎng)絡(luò)中[8-9]。

本系統(tǒng)使用TOF飛行時(shí)差雙向測(cè)距技術(shù)，主要利用信號(hào)在兩個(gè)異步收發(fā)機(jī)之間往返飛行時(shí)間來(lái)測(cè)量節(jié)點(diǎn)間的距離。在TOF測(cè)距時(shí)，本地節(jié)點(diǎn)A向遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)B發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包，當(dāng)B節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)包時(shí)，會(huì)自動(dòng)發(fā)送一個(gè)確認(rèn)來(lái)響應(yīng)這個(gè)數(shù)據(jù)包，執(zhí)行過(guò)程如圖4所示。A節(jié)點(diǎn)測(cè)量出從發(fā)送數(shù)據(jù)包到接收確認(rèn)的時(shí)間，這段時(shí)間消耗總時(shí)間記為TTOT；B記錄了B從收到數(shù)據(jù)包到B回應(yīng)確認(rèn)消息的這個(gè)時(shí)間段的時(shí)間，記為TTAT。測(cè)雙方數(shù)據(jù)包在空中的往返時(shí)間可以記為：TRTT。假定在每個(gè)方向發(fā)生的飛行時(shí)間TTOF等于一半的往返時(shí)間。

相比RSSI測(cè)距方法，RSSI值和收發(fā)節(jié)點(diǎn)距離成反平方關(guān)系，可以使用RSSI值來(lái)估算節(jié)點(diǎn)相距距離。由于RSSI值和距離成反平方關(guān)系，所以距離越遠(yuǎn)，RSSI方法測(cè)得的距離越不準(zhǔn)確。在實(shí)際環(huán)境中，RSSI測(cè)距方法易受溫度、無(wú)線信號(hào)的反射、障礙物（如陸地建筑物）、傳播模式等諸多因素的影響，而基于信號(hào)飛行時(shí)間的TOF的測(cè)距方法則可以極大降低這些因素的影響，且結(jié)果隨距離呈線性關(guān)系。

圖4 TOF的測(cè)距原理Fig.4 The ranging principle of TOF

本系統(tǒng)在硬件方面采用功率為2.4GHz 的Zigbee[10]（紫蜂協(xié)議）芯片作為RFID的通訊模塊，該芯片具有功耗低、接收靈敏度高的技術(shù)特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)空間定位及降低系統(tǒng)功耗的作用。

2.2 GPS模塊

GPS的作用在于當(dāng)槍支發(fā)生緊急情況或系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)度后，對(duì)槍支進(jìn)行精確定位。針對(duì)槍支內(nèi)部空間，本系統(tǒng)選取專為小型低功耗、低成本應(yīng)用設(shè)計(jì)的單芯片（UBX-G6010-NT）。該芯片使用微型封裝，體積僅為 5 mm×6 mm×1.1 mm。由于采用成熟的射頻體系架構(gòu)，再加上先進(jìn)的干擾抑制機(jī)制，即使在惡劣的環(huán)境中，也能最大限度地保證系統(tǒng)定位性能[11-12]。

2.3 GPRS（通用分組無(wú)線服務(wù)）通信模塊

系統(tǒng)運(yùn)用已經(jīng)發(fā)展比較成熟的移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸與定位模塊控制，具有使用方便、覆蓋范圍廣的優(yōu)點(diǎn)。從系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度，需要GPRS模塊具有體積小、平均功耗和峰值功率低的技術(shù)特點(diǎn)。本系統(tǒng)中采用低功耗、四頻GPRS模塊（SIM800H），實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音、短信息、數(shù)據(jù)的傳輸。其體積為15.8 mm×17.8 mm×2.4 mm，同時(shí)模塊上部帶有屏蔽蓋板，比較有利于減少對(duì)其它模塊的干擾，適合在槍支內(nèi)部狹小空間中使用。

3 結(jié)果

測(cè)試場(chǎng)景的選擇，主要考慮了室內(nèi)狹小環(huán)境、室內(nèi)大空間以及室外開放空間幾種典型情況、不同電磁環(huán)境下的功能實(shí)現(xiàn)能力。其中測(cè)量值通過(guò)RFID模塊直接獲得，實(shí)際值由激光測(cè)距儀測(cè)得作為對(duì)比參考，均為直線距離，經(jīng)過(guò)多次測(cè)量平均以減少誤差，表1給出了一些典型環(huán)境下定位裝置實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)：

表1 復(fù)合定位裝置測(cè)試數(shù)據(jù)Table 1 Data tested by multi-mode integrated positioning device

由表1可見，本系統(tǒng)使用復(fù)合定位技術(shù)在近距離高精度測(cè)距定位方面，具有顯著的效果。誤差基本都在5 %以下，只有馬路兩側(cè)的有一組數(shù)據(jù)接近10 %，這是因?yàn)檐囕v行駛產(chǎn)生的隨機(jī)遮擋效應(yīng)。

4 討論

本系統(tǒng)根據(jù)警用槍支實(shí)時(shí)檢測(cè)與精確定位的需求，將GPS、GSM和RFID三項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)整合，建立槍支使用信息化管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)突發(fā)情況下槍支自動(dòng)報(bào)警，及槍支丟失、被搶、被盜后精確定位，完成槍支近距離自動(dòng)掃描鎖定?？捎行Ы鉀Q目前槍支綜合管理、安全使用的實(shí)際需求，并且提高了定位裝置近距離定向測(cè)距的精確度。該系統(tǒng)除了警用槍支定位領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用外，還可在民用車輛、貴重物品等定位管理方面進(jìn)行應(yīng)用推廣。

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A Micro-positioning Device Based on Multi-mode Integrated Positioning Technology

CHEN Wei1, LI Lingyun2, SUN Fenjin1, CUI Hengrong2, YAN Yan1, ZHOU Tao2, DONG Limin1, LIU Wenbin1,★
(1. Shanghai Key Laboratory of Crime Scene Evidence, Shanghai Research Institute of Criminal Science and Technology, Shanghai 200083,China; 2. Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200050, China)

With the normalization of armed patrols, the police gun is used more frequently, resulting in increasingly higher concerns on gun safety. In order to regulate the use of firearms including the police gun, it is urgent to develop a positioning device to timely position the on-using firearms and accurately locate a lost gun. In this paper, a new micro positioning device, developed by completely own innovation based on multi-mode integrated positioning technology, is introduced. GPS, GSM and RFID technology are integrated to manufacture such a micro composite locator, with GPS and GSM functions to track and locate the guns in medium-and-long distance and RFID to search and discover the guns within near range. This device uses TOF (time of flight) dual-way locating technology, making the distance between two nodes measured through the round trip time from two asynchronous transceivers. In practical application, the measurement may be influenced by factors of temperature, wireless signal, obstruction, transmission mode and others related. Upon test, this device is a reinforcing instrument for the existing positioning system to look for guns within near range, able to improve the accuracy by integrated positioning and achieve the guns' tracking at full range. The composite positioning device can be used not only for police firearms positioning but also the location of civilian vehicles and valuables.

multi-mode integrated positioning; GPS; GSM; RFID

DF794.1

A

1008-3650(2016)04-0313-04

2015-08-28

格式：陳偉, 李凌云, 孫奮進(jìn)，等.基于復(fù)合定位技術(shù)的微型定位裝置[J]. 刑事技術(shù)，2016,41(4):313-316.

10.16467/j.1008-3650.2016.04.014

上海市刑事科學(xué)技術(shù)研究院現(xiàn)場(chǎng)物證重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題（No.2014XCWZK11）。

陳偉（1982—），男，河南南陽(yáng)人，碩士，助理研究員，研究方向?yàn)樾虃深I(lǐng)域計(jì)算機(jī)應(yīng)用。E-mail：weichen_82@163.com

* 通訊作者：劉文斌（1981—），男，安徽安慶人，博士，副研究員，研究方向?yàn)榧す獠牧虾凸鈱W(xué)顯現(xiàn)生物物證技術(shù)。E-mail：wbliu1981@163.com