陳 偉，李凌云，孫奮進， 崔恒榮，嚴 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)場物證重點實驗室，上海，200083；

2.中國科學(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1， 崔恒榮2，嚴 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)場物證重點實驗室，上海，200083；

2.中國科學(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)進行系統(tǒng)整合，制成微型復(fù)合定位裝置，實現(xiàn)中遠距離使用GPS和GSM對槍支跟蹤和定位，以及近距離使用RFID技術(shù)對槍支定向精確查找。經(jīng)過試驗驗證，本裝置是現(xiàn)有定位系統(tǒng)近距離查找的有力補充手段，能提高綜合定位精確度，實現(xiàn)對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

隨著國內(nèi)安全防衛(wèi)要求的不斷提升與國家反恐形勢的日益嚴峻，公安部部署全國公安機關(guān)加強社會全面巡邏防控，實行常態(tài)化的武裝巡邏、動中備勤。旨在快速應(yīng)對處置各類突發(fā)案件，維護社會公共安全，提升人民群眾安全感。但是，槍支使用頻率的上升，將不可避免地帶來更多使用的安全問題。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找回，是民警和公眾十分關(guān)心的問題。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（全球移動通信系統(tǒng)）進行整合集成，使用GPS進行精確定位以及使用GSM進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]，尚缺少對目標(biāo)實現(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，無法接收衛(wèi)星信號或信號偏弱。其他只利用RSSI（信號強度）進行測距的方法，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（射頻識別）技術(shù)進行系統(tǒng)整合，制成微型復(fù)合定位裝置，實現(xiàn)了在中遠距離使用GPS和GSM對槍支進行跟蹤定位，在近距離使用RFID技術(shù)對槍支進行定向精確查找。

1 方法與原理

本系統(tǒng)重點面向警用槍支實時檢測與定位的需求，將GPS、GSM、RFID進行整合，解決了系統(tǒng)小型化、多天線設(shè)計、低功耗電路設(shè)計、多模塊無線信號串?dāng)_、高效能源管理等關(guān)鍵技術(shù)，嚴格控制系統(tǒng)重量和體積，在設(shè)計上做到防震、防潮，最終實現(xiàn)槍支使用管理的信息化，在突發(fā)情況下槍支的自動報警，槍支丟失或被搶后位置的迅速上報，槍支近距離位置的自動掃描尋找等功能。

系統(tǒng)的整體實現(xiàn)框如圖1所示，警員所持槍支經(jīng)過統(tǒng)一登記，內(nèi)部具有唯一身份識別號。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)通進行通訊，傳送自身的號碼與相應(yīng)的狀態(tài)信息。后臺數(shù)據(jù)服務(wù)中心通過自帶的移動網(wǎng)平臺從警務(wù)通獲取槍支相應(yīng)信息，并長期保存與分析。

當(dāng)超過設(shè)定的時間未得到槍支信息，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槍支的使用情況，做好平時記錄監(jiān)測，異常及時響應(yīng)，其工作流程如圖2所示。正常監(jiān)測情況下，數(shù)據(jù)中心也可與槍支模塊進行通信，改變相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置，達到系統(tǒng)最優(yōu)化設(shè)置。

當(dāng)槍支在使用過程中離開警員超過一定距離（10米），可以認為槍支使用過程中出現(xiàn)了脫管的情況，其工作流程如圖3所示，數(shù)據(jù)中心可以通過人工方式詢問詳細的原因，確認是否正常。若不能判斷情況正常，監(jiān)控中心可啟動對槍支的直接監(jiān)控，獲取槍支的位置或其它信息，便于對槍支的定位與追蹤。同時，當(dāng)槍支模塊發(fā)生脫管時，會自動啟動上報機制，報告相應(yīng)的異常信息。緊急情況下，槍支的信息傳送將通過槍支自帶的GPRS模塊進行無線轉(zhuǎn)輸，只要在移動通信范圍覆蓋的區(qū)域均能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時更新。當(dāng)槍支遭遇緊急情況時，槍支有源RFID定位模塊會自動發(fā)送自身的ID信息，通過GPS鎖定大致位置后，使用檢測設(shè)備通過測向天線可檢測槍支模塊與之相應(yīng)的方向角度和距離，達到快速尋找槍支的目的。

圖1 系統(tǒng)實現(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

對于大多數(shù)無線傳感應(yīng)用來說，不知道傳感器節(jié)點位置而感知的數(shù)據(jù)是沒有意義的，節(jié)點的自定位功能被認為是系統(tǒng)的基本功能之一。因此，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點定位技術(shù)的研究非常重要，并且已成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)支撐技術(shù)。一般而言，無線傳感器網(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?；诰嚯x的無線傳感器節(jié)點定位技術(shù)一般分為兩個階段：首先是測量無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點間的距離；然后根據(jù)節(jié)點間的距離和現(xiàn)有的傳感器節(jié)點定位算法如三邊測量法等計算出位置信息。

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

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

本系統(tǒng)使用TOF飛行時差雙向測距技術(shù)，主要利用信號在兩個異步收發(fā)機之間往返飛行時間來測量節(jié)點間的距離。在TOF測距時，本地節(jié)點A向遠程節(jié)點B發(fā)送一個數(shù)據(jù)包，當(dāng)B節(jié)點收到數(shù)據(jù)包時，會自動發(fā)送一個確認來響應(yīng)這個數(shù)據(jù)包，執(zhí)行過程如圖4所示。A節(jié)點測量出從發(fā)送數(shù)據(jù)包到接收確認的時間，這段時間消耗總時間記為TTOT；B記錄了B從收到數(shù)據(jù)包到B回應(yīng)確認消息的這個時間段的時間，記為TTAT。測雙方數(shù)據(jù)包在空中的往返時間可以記為：TRTT。假定在每個方向發(fā)生的飛行時間TTOF等于一半的往返時間。

相比RSSI測距方法，RSSI值和收發(fā)節(jié)點距離成反平方關(guān)系，可以使用RSSI值來估算節(jié)點相距距離。由于RSSI值和距離成反平方關(guān)系，所以距離越遠，RSSI方法測得的距離越不準(zhǔn)確。在實際環(huán)境中，RSSI測距方法易受溫度、無線信號的反射、障礙物（如陸地建筑物）、傳播模式等諸多因素的影響，而基于信號飛行時間的TOF的測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，可實現(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)進行調(diào)度后，對槍支進行精確定位。針對槍支內(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)，再加上先進的干擾抑制機制，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（通用分組無線服務(wù)）通信模塊

系統(tǒng)運用已經(jīng)發(fā)展比較成熟的移動通訊網(wǎng)絡(luò)進行數(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。從系統(tǒng)設(shè)計的角度，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。本系統(tǒng)中采用低功耗、四頻GPRS模塊（SIM800H），實現(xiàn)語音、短信息、數(shù)據(jù)的傳輸。其體積為15.8 mm×17.8 mm×2.4 mm，同時模塊上部帶有屏蔽蓋板，比較有利于減少對其它模塊的干擾，適合在槍支內(nèi)部狹小空間中使用。

3 結(jié)果

測試場景的選擇，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)境下的功能實現(xiàn)能力。其中測量值通過RFID模塊直接獲得，實際值由激光測距儀測得作為對比參考，均為直線距離，經(jīng)過多次測量平均以減少誤差，表1給出了一些典型環(huán)境下定位裝置實測數(shù)據(jù)：

表1 復(fù)合定位裝置測試數(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 %，這是因為車輛行駛產(chǎn)生的隨機遮擋效應(yīng)。

4 討論

本系統(tǒng)根據(jù)警用槍支實時檢測與精確定位的需求，將GPS、GSM和RFID三項技術(shù)進行系統(tǒng)整合，建立槍支使用信息化管理平臺，實現(xiàn)突發(fā)情況下槍支自動報警，及槍支丟失、被搶、被盜后精確定位，完成槍支近距離自動掃描鎖定。可有效解決目前槍支綜合管理、安全使用的實際需求，并且提高了定位裝置近距離定向測距的精確度。該系統(tǒng)除了警用槍支定位領(lǐng)域進行應(yīng)用外，還可在民用車輛、貴重物品等定位管理方面進行應(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，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)場物證重點實驗室開放課題（No.2014XCWZK11）。

陳偉（1982—），男，河南南陽人，碩士，助理研究員，研究方向為刑偵領(lǐng)域計算機應(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，研究方向為激光材料和光學(xué)顯現(xiàn)生物物證技術(shù)。E-mail：wbliu1981@163.com