物聯(lián)網(wǎng)執(zhí)法記錄儀硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蔣逸凡，高谷剛，徐金林，戴稟哲

（江蘇警官學(xué)院 計(jì)算機(jī)信息與網(wǎng)絡(luò)安全系，江蘇 南京 210031）

0 引 言

2016年頒布的《公安機(jī)關(guān)現(xiàn)場執(zhí)法視音頻記錄工作規(guī)定》中要求對六種現(xiàn)場執(zhí)法活動(dòng)進(jìn)行視音頻記錄。但現(xiàn)有執(zhí)法記錄儀的質(zhì)量影響了證據(jù)的法律效力，存在光照環(huán)境適應(yīng)范圍較窄、無線通信穩(wěn)定性和智能性不足的問題[1-3]。本文針對性地從攝像頭、通信和定位功能等方面對執(zhí)法儀硬件系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，并且利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提升了數(shù)據(jù)采集的智能化水平，為今后利用人工智能技術(shù)進(jìn)行深度信息提取提供基礎(chǔ)。

1 硬件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文實(shí)現(xiàn)的執(zhí)法記錄儀硬件系統(tǒng)采用了樹莓派（Raspberry Pi）4B作為主控模塊，搭建包含雙目SH200攝像頭模塊、帶觸屏功能的7寸LCD液晶屏、MicroSD儲(chǔ)存卡、GPS和5G一體模塊等在內(nèi)的硬件平臺(tái)。總體硬件系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 總體硬件系統(tǒng)框圖

主控平臺(tái)通過USB連接雙目SH200攝像頭，視頻輸出格式為MP4，并將視頻文件壓縮后存儲(chǔ)到MicroSD卡內(nèi)。GPS和5G一體模塊可以獲得視頻拍攝的時(shí)間、GPS經(jīng)緯度定位信息，用于完善視頻采集的背景信息；同時(shí)該模塊連接OneNET物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，將視頻文件的GPS信息上傳到物聯(lián)網(wǎng)，并在物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)進(jìn)行定位。主控模塊還會(huì)對視頻文件數(shù)據(jù)和輔助數(shù)據(jù)進(jìn)行Hash值計(jì)算，獲得視頻數(shù)據(jù)最終指紋信息。物聯(lián)網(wǎng)Web端管理和基于以太坊的區(qū)塊鏈系統(tǒng)將文件指紋信息Hash值進(jìn)行上鏈存儲(chǔ)。視頻文件原始數(shù)據(jù)根據(jù)需要實(shí)時(shí)或延后上傳，減少現(xiàn)場通信帶寬壓力。

2 硬件系統(tǒng)子模塊

2.1 Raspberry Pi主控單元

2019年6月上市的樹莓派4B采用四核64位的ARM CortexA72架構(gòu)CPU，型號(hào)為博通BCM2711 SoC，主頻達(dá)1.5 GHz，最高支持以60 fps速度刷新的4K分辨率雙顯示器接口，最高支持4 GB RAM，支持2.4/5.0 GHz雙頻無線LAN、藍(lán)牙5.0/BLE、千兆以太網(wǎng)，配備2個(gè)USB3.0和2個(gè)USB2.0接口，標(biāo)準(zhǔn)40針GPIO支持多種串行通信協(xié)議和不同外設(shè)，大幅提升硬件處理性能，同時(shí)大大降低了系統(tǒng)的成本。

樹莓派（Raspberry Pi）4B開發(fā)板內(nèi)置Linux系統(tǒng)，支持Python和JAVA等編程語言，適合本控制系統(tǒng)部署[4]。系統(tǒng)中主要負(fù)責(zé)外設(shè)間調(diào)度，調(diào)用攝像頭模塊錄制并保存音視頻，獲取時(shí)間和GPS信息，計(jì)算視頻文件指紋信息，使用5G通信模塊與物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)進(jìn)行通信等。

2.2 雙目攝像頭模塊

雙目SH200寬動(dòng)態(tài)紅外測距攝像頭模塊由一個(gè)常規(guī)RGB攝像頭與一個(gè)近紅外攝像頭組成。該攝像頭可以廣泛應(yīng)用于各類計(jì)算機(jī)視覺應(yīng)用中，利用可見光與紅外攝像頭獲取人像差異的方式來實(shí)現(xiàn)活體人臉檢測[5]。

使用雙目攝像頭可以確保記錄儀適應(yīng)不同執(zhí)法環(huán)境，全天候照明情況下都能夠清晰記錄警務(wù)人員執(zhí)法過程。該模塊通過USB與樹莓派進(jìn)行通信，為簡化操作攝像頭模塊，使用開源跨平臺(tái)計(jì)算機(jī)視覺和機(jī)器學(xué)習(xí)軟件庫OpenCV[6]和Python語言進(jìn)行功能開發(fā)。OpenCV是一個(gè)基于Apache2.0許可（開源）發(fā)行的跨平臺(tái)計(jì)算機(jī)視覺和機(jī)器學(xué)習(xí)軟件庫，具有輕量級(jí)、功能強(qiáng)大等特點(diǎn)，可以對圖片、視頻等文件進(jìn)行智能化處理。

雙攝像頭在OpenCV分別被實(shí)例化，考慮視頻清晰度與存儲(chǔ)尺寸，采集畫面大小設(shè)定為640×480，幀率為30幀，輸出格式為MP4，可以根據(jù)實(shí)際需要重新設(shè)置。攝像頭的配置代碼如下：

為了降低功耗，主控會(huì)對兩個(gè)攝像頭進(jìn)行選擇性調(diào)用。在環(huán)境光照充足的情況下，主控調(diào)用RGB攝像頭錄制視頻；當(dāng)環(huán)境照明不足時(shí)，主控調(diào)用近紅外攝像頭進(jìn)行照明。當(dāng)環(huán)境光照情況介于兩個(gè)攝像頭感光參數(shù)之間時(shí)，主控需要同時(shí)開啟RGB攝像頭與近紅外攝像頭，以此來保證在RGB攝像頭拍攝不清晰的情況下，近紅外攝像頭能夠另行錄制一段視頻，輔助警務(wù)人員更加順利地完成執(zhí)法過程的信息采集。為了保證兩個(gè)攝像頭同時(shí)開啟，并實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)同步，可以使用Python的Threading庫，對兩個(gè)攝像頭進(jìn)行雙線程調(diào)用。由于主控端樹莓派是單核Linux系統(tǒng)，所以Python雙線程的本質(zhì)是并發(fā)，而非真正的并行，不過這并不影響拍攝。

2.3 GPS與5G通信模塊

定位與通信模塊選擇使用安信可5G NB-IoT+GPS（北斗）雙模定位模塊EC-01G。其中NB-IoT采用的主芯片為EC616S，該芯片具有超高集成度、支持超低功耗、完全支持 3GPP Rel14 NB-IoT 標(biāo)準(zhǔn)的特點(diǎn)，是一款超高性價(jià)比的NB-IoT芯片。該模塊可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)定位、聯(lián)網(wǎng)雙功能，降低成本的同時(shí)也能減少主控板接口需求。

為實(shí)現(xiàn)主控芯片與模塊之間的交互，采用C語言進(jìn)行相關(guān)代碼開發(fā)。在Linux操作系統(tǒng)下直接操控主控板引腳，可以使用WiringPi GPIO控制庫函數(shù)[7]提供的API接口。使用UART協(xié)議與模塊進(jìn)行通信，波特率設(shè)置為9 600 b/s。主控使用AT通用指令集以及安信可公司自定義擴(kuò)展指令集對模塊發(fā)送指令，實(shí)現(xiàn)GPS獲?。徊⑼ㄟ^MQTT協(xié)議向物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)上傳數(shù)據(jù)，該協(xié)議消息體積小、通信成本低、能量消耗少，適合在結(jié)構(gòu)各異的系統(tǒng)間進(jìn)行消息傳遞[8]。主要調(diào)用流程代碼如下：

3 OneNET物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)

中國移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)開放平臺(tái)（OneNET）是中移物聯(lián)網(wǎng)有限公司基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)特點(diǎn)打造的開放平臺(tái)，支持MQTT、EDP、Modbus等十多種主流的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議[9]，支持各類傳感器和智能硬件的快速接入、圖片和視頻數(shù)據(jù)的上傳及使用，提供豐富的API和應(yīng)用模板以支持各類行業(yè)的應(yīng)用和智能硬件的開發(fā)，能夠有效降低物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)和部署成本，滿足物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域設(shè)備連接、協(xié)議適配、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)安全、大數(shù)據(jù)分析等平臺(tái)級(jí)服務(wù)需求。將GPS定位數(shù)據(jù)上傳至OneNET平臺(tái)，可以顯示記錄儀運(yùn)行軌跡，如圖2所示。

圖2 GPS軌跡圖

主控需要對視頻文件進(jìn)行兩步Hash值計(jì)算生成視頻文件指紋，首先對音視頻文件數(shù)據(jù)計(jì)算Hash值，然后再對文件攝制時(shí)間、攝制時(shí)GPS數(shù)據(jù)與第一步計(jì)算求得的Hash值進(jìn)行第二次Hash值計(jì)算，并將該值作為對應(yīng)視頻文件的最終文件指紋，將文件指紋信息也上傳至OneNET平臺(tái)。該機(jī)制能夠保證視頻文件的唯一性，防止對視頻文件數(shù)據(jù)的偽造、篡改，有助于提升執(zhí)法民警的公信力。主要代碼如下：

4 結(jié) 語

本文提出一種采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的警用執(zhí)法儀硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，利用雙目攝像頭適應(yīng)全天候光照環(huán)境，采用5G NBIoT+GPS（北斗）雙模定位模塊降低成本、增大通信帶寬的同時(shí)提升了通信的穩(wěn)定性，方便了數(shù)據(jù)管理，提升了系統(tǒng)智能水平。下一步將對鏡頭系統(tǒng)進(jìn)一步優(yōu)化，利用魚眼攝像頭[10]提供更大取景視角，全面取證同時(shí)保護(hù)執(zhí)法人員的安全。