劉芳，許剛，陳向春，劉偉

(1.陸軍軍官學(xué)院 裝甲兵系，合肥 230031；2.淮北鐵運(yùn)處林渙機(jī)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(xué)院 裝甲兵系，合肥 230031；2.淮北鐵運(yùn)處林渙機(jī)輛段)

系統(tǒng)采用多種無線定位方式和低功耗嵌入式設(shè)計(jì)，綜合運(yùn)用低頻載波定位、寬帶線性調(diào)頻擴(kuò)頻定位、通信基站定位、無線通信技術(shù)，可實(shí)時(shí)顯示哨兵活動(dòng)軌跡，具備無線定位、離位報(bào)警、斷線報(bào)警、失電報(bào)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(shí)降低了系統(tǒng)功耗，實(shí)現(xiàn)了崗哨、應(yīng)急值班室、監(jiān)控中心的警情聯(lián)動(dòng)。

無線通信；離位報(bào)警；測(cè)距；低頻載波定位；STM32

引　言

為了加強(qiáng)部隊(duì)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(duì)等情況的發(fā)生，加大對(duì)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(bào)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(shè)計(jì)，綜合運(yùn)用低頻載波定位、寬帶線性調(diào)頻擴(kuò)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(shí)降低了系統(tǒng)功耗，可實(shí)時(shí)顯示哨兵活動(dòng)軌跡，監(jiān)控槍械是否在執(zhí)勤崗哨，當(dāng)槍械離開規(guī)定區(qū)域后，崗?fù)?、?yīng)急值班室和監(jiān)控中心同時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警，并交由應(yīng)急分隊(duì)進(jìn)行追蹤處理。該系統(tǒng)具備無線定位、離位報(bào)警、斷線報(bào)警、失電報(bào)警和防拆卸功能。

1　系統(tǒng)組成及功能

為實(shí)現(xiàn)低功耗條件下的可靠測(cè)距及遠(yuǎn)距離通信，系統(tǒng)由槍支定位器、報(bào)警主機(jī)、3個(gè)定位錨點(diǎn)、無線警報(bào)控制器和定位顯示軟件等組成，根據(jù)實(shí)際需要系統(tǒng)還配有備用節(jié)點(diǎn)。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(shí)時(shí)監(jiān)控槍支動(dòng)態(tài)行為，對(duì)執(zhí)勤槍械進(jìn)行定位與跟蹤，主要實(shí)現(xiàn)以下系統(tǒng)功能：

① 能夠?qū)屩г跔I(yíng)門附近的活動(dòng)軌跡進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，超出范圍即進(jìn)行報(bào)警，并對(duì)逃離軌跡和方向進(jìn)行提示；

② 當(dāng)槍支超出預(yù)定活動(dòng)區(qū)域時(shí)，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(shí)現(xiàn)崗?fù)?、?yīng)急值班室、總值班室警情聯(lián)動(dòng)，具備安裝便捷、維護(hù)方便的特點(diǎn)；

④ 運(yùn)用特殊編碼手段和低噪聲電路設(shè)計(jì)技術(shù)，可有效抵御電磁干擾，降低系統(tǒng)誤報(bào)漏報(bào)率；

⑤ 具備低電量報(bào)警、斷線報(bào)警、拆卸破壞報(bào)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(jī)時(shí)間長(zhǎng)。

2　系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì)

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(bào)警主機(jī)、定位錨點(diǎn)、無線報(bào)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(shè)計(jì)

槍支定位器工作頻率是由125 kHz、900 MHz及2.4 GHz隨機(jī)跳頻3個(gè)頻段組成，平時(shí)工作中心頻率為125 kHz，起喚醒2.4 GHz定位模塊的作用。當(dāng)收到報(bào)警主機(jī)125 kHz的激勵(lì)信號(hào)之后，2.4 GHz定位模塊由被動(dòng)喚醒轉(zhuǎn)換為主動(dòng)傳輸，進(jìn)行2.4 GHz頻段通信。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證槍械定位器激活距離一般為3 m。當(dāng)執(zhí)勤槍支超出報(bào)警主機(jī)激活距離，即在營(yíng)門活動(dòng)區(qū)域范圍內(nèi)采用高頻(2.4 GHz)無線定位技術(shù)，此時(shí)根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度采用基于時(shí)間的測(cè)距方式，進(jìn)行多點(diǎn)定位。當(dāng)執(zhí)勤槍支遠(yuǎn)離營(yíng)門超出活動(dòng)范圍，此時(shí)系統(tǒng)激活GSM+GPRS模塊，采用蜂窩移動(dòng)定位技術(shù)，通過移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)迅速將槍支位置信息傳送給移動(dòng)用戶或者遠(yuǎn)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(bào)警主機(jī)硬件電路設(shè)計(jì)

報(bào)警主機(jī)采用STM32處理器的PWM定時(shí)器產(chǎn)生125 kHz低頻信號(hào)，經(jīng)功率放大喚醒槍支定位器，并通過2.4 GHz高頻信道對(duì)槍支定位器進(jìn)行定位和通信，同時(shí)使用433 MHz無線信道向應(yīng)急值班室和總值班室實(shí)時(shí)傳輸信息。報(bào)警主機(jī)硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　報(bào)警主機(jī)硬件結(jié)構(gòu)圖

2.3無線報(bào)警控制器硬件電路設(shè)計(jì)

無線報(bào)警控制器安裝于應(yīng)急值班室或營(yíng)區(qū)監(jiān)控室內(nèi)，采用220 V市電供電，用于控制聲光報(bào)警器、顯示崗哨狀態(tài)、記錄系統(tǒng)開關(guān)機(jī)和報(bào)警歷史信息。其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。無線報(bào)警控制器接收來自報(bào)警主機(jī)的信息，通過液晶顯示器將當(dāng)前槍支定位器當(dāng)前狀態(tài)信息顯示并存儲(chǔ)，以便槍械管理人員查看。無論當(dāng)槍支定位器接收信號(hào)超出規(guī)定時(shí)間(即出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)斷線報(bào)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(bào)警)，報(bào)警主機(jī)都會(huì)通過433 MHz無線信道向應(yīng)急值班室和總值班室實(shí)時(shí)傳輸信息，觸發(fā)無線報(bào)警控制器進(jìn)行聲光報(bào)警。

圖5　無線報(bào)警控制器硬件結(jié)構(gòu)圖

圖6　定位錨點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.4定位錨點(diǎn)硬件電路設(shè)計(jì)

定位錨點(diǎn)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(gè)定位錨點(diǎn)，采用220 V市電供電，安裝在營(yíng)門附近，與報(bào)警主機(jī)一起實(shí)現(xiàn)對(duì)槍支定位器的多點(diǎn)高頻無線測(cè)距。定位錨點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中，采用模塊化設(shè)計(jì)方法，各模塊之間相對(duì)獨(dú)立，這樣可以使得程序結(jié)構(gòu)清晰，便于今后進(jìn)一步擴(kuò)展系統(tǒng)的功能。由于系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性的需求較高，因此整體上采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)以滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和精確性功能需求。系統(tǒng)軟件由運(yùn)行在槍支定位器、報(bào)警主機(jī)、定位錨點(diǎn)、無線報(bào)警控制器上的嵌入式軟件和PC端、手機(jī)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(jìn)行傳遞，構(gòu)成一個(gè)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(bào)警器軟件主要由PC端定位顯示軟件構(gòu)成，手機(jī)端僅為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)鏈接短信。定位顯示軟件主要分為3個(gè)模塊，即無線串口通信模塊、參數(shù)設(shè)置模塊和定位顯示模塊。

PC端串口與報(bào)警主機(jī)通過無線433 MHz模塊進(jìn)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(dāng)槍支定位器在崗?fù)?nèi)沒有CSS測(cè)距數(shù)據(jù)時(shí)，定位解算模塊將其定位在坐標(biāo)原點(diǎn)；槍支定位器離開崗?fù)ず?，定位解算軟件根?jù)CSS測(cè)距數(shù)據(jù)，按照多邊定位算法和卡爾曼濾波算法進(jìn)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(bào)警主機(jī)為原點(diǎn)的坐標(biāo)系，大圓表示營(yíng)門活動(dòng)區(qū)域邊界，界面右側(cè)包括槍支定位器剩余電量、聲光報(bào)警狀態(tài)、當(dāng)前定位方式、各節(jié)點(diǎn)信號(hào)、距離信息提示等信息。聲光報(bào)警可以由系統(tǒng)自動(dòng)觸發(fā)或手動(dòng)打開關(guān)閉。

4　系統(tǒng)測(cè)試

為了實(shí)測(cè)所設(shè)計(jì)測(cè)距硬件的性能，使用槍支定位器和報(bào)警主機(jī)在某機(jī)構(gòu)崗哨進(jìn)行了試用實(shí)驗(yàn)，將兩節(jié)點(diǎn)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(cè)量數(shù)據(jù)，詳見圖8?？梢钥闯鰷y(cè)量點(diǎn)的擬合線基本上與真實(shí)距離線平行，且測(cè)量數(shù)據(jù)的方差較小，這證實(shí)了所設(shè)計(jì)的硬件具有較好的穩(wěn)定性和較高的測(cè)量精度。

圖8　測(cè)量距離誤差

對(duì)于定位實(shí)驗(yàn)，將報(bào)警主機(jī)和3個(gè)錨節(jié)點(diǎn)分別放置在該機(jī)構(gòu)的2個(gè)崗?fù)?nèi)和2個(gè)大門柱高處平臺(tái)上，當(dāng)槍支定位器進(jìn)入定位區(qū)域，分別與報(bào)警主機(jī)和定位錨點(diǎn)進(jìn)行測(cè)距和數(shù)據(jù)傳輸，由于多徑效應(yīng)和非視距等很多因素會(huì)影響定位精度，在定位實(shí)際應(yīng)用中會(huì)檢測(cè)到很多與移動(dòng)目標(biāo)無關(guān)的信息(如信號(hào)的衰減、折射、反射及信道干擾等)，需要對(duì)這些錯(cuò)誤的信息進(jìn)行適當(dāng)處理。在該實(shí)驗(yàn)中，相鄰兩個(gè)時(shí)刻槍支定位器的運(yùn)動(dòng)軌跡不會(huì)突變，4個(gè)定位基站都是NLOS傳播。

測(cè)量軌跡與校正軌跡對(duì)比圖略——編者注。由圖可知，除了實(shí)際軌跡和校正軌跡初始值設(shè)置不同外，基本上與真實(shí)軌跡接近，這是由于經(jīng)過校正后去除了數(shù)據(jù)中的錯(cuò)誤信息，提高了定位精度。實(shí)驗(yàn)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(yǔ)

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