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(中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030051)

0 引言

目前的警犬作業(yè)都是人帶犬模式，在執(zhí)行任務(wù)過程中當(dāng)解除對(duì)警犬的束縛時(shí)，由于警犬作業(yè)中存在概率性興奮度的觸發(fā)[1]，很容易造成人犬跟丟現(xiàn)象，導(dǎo)致發(fā)現(xiàn)警情不能及時(shí)得到處理,指揮中心不能及時(shí)掌握實(shí)地搜索路線，容易產(chǎn)生搜索盲區(qū)。此外在日常管理過程中，公安系統(tǒng)對(duì)警犬的集群管理以及對(duì)單只警犬生理狀態(tài)的掌握仍停留在傳統(tǒng)階段，這并不能及時(shí)掌握警犬的健康狀況。因此公安系統(tǒng)對(duì)于一種高效的實(shí)時(shí)警犬狀態(tài)監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)有著迫切的需求[2]。

針對(duì)上述幾點(diǎn)問題，本文提出了基于GPS的警犬狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)警犬狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，根據(jù)所獲得的數(shù)據(jù)信息，更好的掌握警犬的疲勞、健康狀況，更合理的對(duì)警犬進(jìn)行訓(xùn)練。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

通過分析目前對(duì)警犬狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的需求，系統(tǒng)主要分兩大模塊設(shè)計(jì)，即警犬狀態(tài)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)和監(jiān)測(cè)軟件上位機(jī)界面設(shè)計(jì)。監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)主要完成對(duì)警犬的位置、速度、加速度、心率的采集和上傳，上位機(jī)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、存儲(chǔ)、地圖匹配、節(jié)

點(diǎn)配置等功能。監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)通過GPRS數(shù)據(jù)流量接入互聯(lián)網(wǎng)，然后通過服務(wù)器與上位機(jī)建立通信，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架圖

1.1 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案

監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)主要由如圖2所示的6個(gè)模塊構(gòu)成，分別是MCU主控制模塊、北斗定位模塊、加速度監(jiān)測(cè)模塊、心率采集模塊、無線通信模塊和供電模塊。

圖2 監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)框架圖

整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作原理為，首先是通過GPS定位解析出警犬作業(yè)的地理位置坐標(biāo)、時(shí)間、速度等信息；同時(shí)由加速度監(jiān)測(cè)模塊和心率采集模塊對(duì)警犬加速度、心率進(jìn)行采集。MCU主控模塊將這些信息匯總處理，然后控制通信模塊把處理后的按自定義協(xié)議打包的坐標(biāo)、速度、加速度、心率、時(shí)間等信息上傳到上位機(jī)。

1.2 監(jiān)控中心設(shè)計(jì)方案

監(jiān)控中心是根據(jù)上位機(jī)反饋的數(shù)據(jù)來掌握警犬的狀態(tài)。上位機(jī)的搭建主要按參數(shù)設(shè)置、遠(yuǎn)程配置、狀態(tài)反饋和連接狀態(tài)4個(gè)部分來實(shí)現(xiàn)，整體框架如圖3所示。

圖3 上位機(jī)框架圖

其中參數(shù)設(shè)置主要包含服務(wù)器端口和狀態(tài)更新兩個(gè)設(shè)置模式，遠(yuǎn)程配置中，可通過配置心電間隔時(shí)間實(shí)現(xiàn)信息采集終端的數(shù)據(jù)包上傳時(shí)間的控制，可通過上報(bào)服務(wù)器的地址來設(shè)定下位機(jī)上傳數(shù)據(jù)到指定的服務(wù)器，上下位機(jī)的IP設(shè)置都是對(duì)應(yīng)的同一服務(wù)器的內(nèi)外網(wǎng)IP，這樣才能建立相互通信；狀態(tài)反饋中前六項(xiàng)是上位機(jī)對(duì)反饋信息的解析顯示，將接收到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到電腦上的數(shù)據(jù)庫(kù)表格中，而客戶端匹配則是根據(jù)經(jīng)緯度信息進(jìn)行解碼匹配地圖實(shí)現(xiàn)定位；連接狀態(tài)反饋監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)終端的信息。

2 節(jié)點(diǎn)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 主控模塊設(shè)計(jì)

MCU主控模塊是整個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的核心，控制整個(gè)外圍電路完成數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)與傳輸，為了滿足上述功能，設(shè)計(jì)中采用低功耗、價(jià)格便宜、工作性能穩(wěn)定的AVR系列單片機(jī)作為系統(tǒng)的核心控制器，選用該系列的單片機(jī)一方面可以很大程度上的降低整個(gè)系統(tǒng)的功耗，另一方面節(jié)約成本。主控模塊由ATxmega32E5芯片及其外圍配置電路組成，ATxmega32E5單片機(jī)一個(gè)串口與北斗/GPS雙模定位模塊相連，用于配置北斗/GPS定位模塊和接收該模塊的定位信息；另一個(gè)串口與MC8618無線通信模塊串口相連,利用AT指令來對(duì)整個(gè)終端的數(shù)據(jù)信息通信進(jìn)行控制，PDI和RST(PDI_clock)兩管腳作為程序調(diào)試和下載接口。ATxmega32E5基本外圍電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 ATxmega32E5單片機(jī)外圍電路

2.2 GPS定位模塊

警犬狀態(tài)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的定位、測(cè)速功能主要是利用GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，采用了 U-blox NEO-M8N定位芯片，該芯片定位精度高(在3m以內(nèi))，測(cè)速精度為0.1 m/s，在較復(fù)雜環(huán)境仍能接收到衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)，是一款兼容北斗、GPS、GLONASS系統(tǒng)的三模芯片，在較復(fù)雜環(huán)境仍能接收到衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)，具有低功耗、導(dǎo)航精度高、費(fèi)用低、體積小巧等特點(diǎn)。該模塊的RF-IN管腳連接陶瓷無源天線GPS1003，RXD、TXD數(shù)據(jù)輸入輸出端分別與單片機(jī)的異步串口相連。利用NEO-M8N實(shí)現(xiàn)的BD/GPS定位模塊電路設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 GPS電路圖

2.3 加速度監(jiān)測(cè)模塊

由于單、雙軸加速度傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)單一、精度低，在沒有預(yù)知運(yùn)動(dòng)方向的情況下無法準(zhǔn)確測(cè)量警犬的活動(dòng)情況，因此設(shè)計(jì)選用ADXL362三軸加速度計(jì)來實(shí)現(xiàn)對(duì)警犬運(yùn)動(dòng)速度、加速度、位移的測(cè)量。ADXL362具有測(cè)量精度高、傳輸速率快、非線性度低、功耗低等特點(diǎn)，ADXL362芯片包含了一個(gè)深度多模式輸出FIFO和幾個(gè)運(yùn)動(dòng)檢測(cè)模式，其中包括闕值可調(diào)的睡眠和喚醒工作模式，在以100 Hz速率輸出數(shù)據(jù)時(shí)功耗能低至2 uA以下，在運(yùn)動(dòng)觸發(fā)喚醒模式下功耗僅為270 nA。

ADXL362能以靈活的工作模式，減輕整個(gè)模塊的功耗，非常適合警犬復(fù)雜的作業(yè)和訓(xùn)練情況下的加速度的精確監(jiān)測(cè)，電路設(shè)計(jì)如圖6所示，模塊采用INT2管腳將喚醒信號(hào)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)中、觸發(fā)單片機(jī)進(jìn)入中斷服務(wù)程序中，通過SPI通信總線對(duì)ADXL362進(jìn)行操作并讀取三軸加速度數(shù)據(jù)。

圖6 加速度監(jiān)測(cè)電路圖

2.4 心率監(jiān)測(cè)模塊

心率測(cè)量技術(shù)常用的有光電式、壓電式兩種，光電式檢測(cè)儀器雖然精度高但價(jià)格昂貴，且不適合應(yīng)用于警犬身上。因此在警犬的心率監(jiān)測(cè)模塊設(shè)計(jì)部份，采用了MPX2100壓力傳感器對(duì)警犬進(jìn)行心率監(jiān)測(cè)。

MPX2100半導(dǎo)體壓力傳感器具有良好的線性度和抗溫漂能力，它的輸出電壓與所加壓力成精確的正比例關(guān)系，該傳感器能夠把感應(yīng)到的電壓轉(zhuǎn)換成毫伏級(jí)的差模電壓信號(hào)，再利用儀表放大器AD623將MPX2100的差模輸出電壓放大，MCU控制器計(jì)量在10秒鐘的時(shí)間內(nèi)的脈沖次數(shù)，然后再換算出1分鐘的心跳次數(shù)，電路設(shè)計(jì)如圖7所示。

圖7 心率監(jiān)測(cè)模塊電路圖

2.5 無線通信模塊

無線通信模塊的任務(wù)主要是實(shí)現(xiàn)警犬狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)終端與上位機(jī)的通信。設(shè)計(jì)采用了MC8618通信模塊，MC8618為中興物聯(lián)網(wǎng)公司開發(fā)的物聯(lián)網(wǎng)模塊，該模塊采用電信GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無線通信。與其他無線通信芯片相比，MC8618是利用內(nèi)部燒號(hào)方式進(jìn)行通信，無需外接SIM卡，使通信模塊電路變得非常精簡(jiǎn)，此外MC8618芯片采用郵票孔封裝，尺寸為22 mm*20 mm，由于MC8618尺寸小、功耗低，可廣泛應(yīng)用于可穿戴、運(yùn)動(dòng)、健康、健身等終端設(shè)備，很方便的就可實(shí)現(xiàn)無線通訊，MC8618具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)支持雙UART口；

2)低功耗，支持短信、數(shù)據(jù)、電話本功能；

3)支持模擬語(yǔ)音功能；

4)支持標(biāo)準(zhǔn)的AT指令集和中興擴(kuò)展AT指令集；

監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)監(jiān)測(cè)終端之間通過GPRS網(wǎng)絡(luò)直接連入互聯(lián)網(wǎng)，二者即可建立連接，將衛(wèi)星導(dǎo)航的定位坐標(biāo)信息、模塊運(yùn)動(dòng)速度、加速度等數(shù)據(jù)，通過單片機(jī)巡檢的AT指令控制，實(shí)時(shí)上報(bào)給上位機(jī)，電路設(shè)計(jì)如圖8所示。

圖8 無線通信電路圖

陶瓷天線MD1506接到MC8618的天線端口RF_ANTV，TXD和RXD通過外接上拉電阻后，管腳電壓在2.85 V左右，單片機(jī)管腳電壓在3.3 V左右，MC8618通過電平轉(zhuǎn)換模塊接到ATxmega32E5的串行口，以此來進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

2.6 電平轉(zhuǎn)換模塊

電平轉(zhuǎn)換模塊采用SN74LVC2T45芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)，SN74LVC2T45線片是具有可配置電壓轉(zhuǎn)換和三態(tài)輸出的二位雙電源總線收發(fā)器，能實(shí)現(xiàn)雙位雙電源非逆相電平轉(zhuǎn)換，允許普遍低電壓間的雙向轉(zhuǎn)換，能夠?qū)崿F(xiàn)1.5 V、1.8 V、2.5 V、3.3 V和5 V電壓節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行靈活的雙向電平轉(zhuǎn)換，該模塊用于構(gòu)成MC8618與單片機(jī)ATxmega32E5之間通信的橋梁。

2.7 電源模塊

監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)終端的設(shè)計(jì)，最關(guān)鍵是要實(shí)現(xiàn)小型化便攜帶，因此供電電源也要盡可能的滿足便攜的要求，綜合考慮后采用鋰電池作為供電電源。鋰電池安全性能好、厚度小、內(nèi)阻小，同容量情況下，鋰電池可做得更薄，更輕。此外，鋰電池具有平穩(wěn)的放電特性，而且鋰電池采用聚合物材料，不起火、不爆炸，鋰電池本身具有足夠的安全性，因此可以考慮省略PTC和保險(xiǎn)絲，從而簡(jiǎn)化電源供電電路并且節(jié)約電源成本。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

單片機(jī)通過配置GPS模塊、MC8618模塊、ADXL362模塊、MPX2100模塊，利用UART、SPI、TWI三種通信方式分別與各模塊進(jìn)行指令交互并接收數(shù)據(jù)，最后對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，控制MC8618將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)數(shù)據(jù)顯示平臺(tái)或其他外圍設(shè)備，整個(gè)過程如圖9所示。

圖9 程序?qū)崿F(xiàn)框圖

單片機(jī)使用ATxmega32E5作為主控芯片，選擇CodeVision AVR軟件作為系統(tǒng)的開發(fā)平臺(tái)，采用C語(yǔ)言進(jìn)行程序編寫，該軟件是一款專為AVR系列微控制器而設(shè)計(jì)的交互式C語(yǔ)言編譯器，包含了常用外圍電路的生成函數(shù)和自動(dòng)程序生成器，并且結(jié)合Atmel Studio完成程序的在線調(diào)試及下載，在結(jié)構(gòu)上、功能上和維護(hù)上更容易進(jìn)行開發(fā)。

監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)主控程序工作過程為：

1)在監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)終端上電后，系統(tǒng)會(huì)對(duì)所有模塊進(jìn)行初始化，包括對(duì)端口的初始化、定時(shí)器中斷初始化、串口中斷初始化、比較器中斷初始化。

2)在初始化完成后，系統(tǒng)自動(dòng)配置北斗/GPS定位模塊、MC8618無線通信模塊、加速度測(cè)量模塊、心率監(jiān)測(cè)模塊，各個(gè)模塊按照設(shè)定程序開始工作。

3)打開全局中斷，判斷中斷源并執(zhí)行相應(yīng)的操作，比較器中斷用于檢測(cè)系統(tǒng)供電電壓，一旦系統(tǒng)供電電壓低于預(yù)設(shè)閾值，系統(tǒng)將會(huì)關(guān)閉，待重新檢查系統(tǒng)供電電壓，超過預(yù)設(shè)閾值時(shí)，確認(rèn)供電電壓無誤后，各個(gè)模塊重新上電。

4)加速度監(jiān)測(cè)模塊、心率監(jiān)測(cè)模塊開始采集警犬的當(dāng)前狀態(tài)，在接收到傳送指令后，通過MC8618無線通信模塊將警犬當(dāng)前的加速度、心率數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)終端界面顯示。

5)串口接收中斷產(chǎn)生，串口接收北斗/GPS模塊定位信息，在接收到傳送指令后，通過MC8618無線通信模塊將警犬當(dāng)前定位信息發(fā)送到上位機(jī)終端界面顯示。

監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)具體工作流程如圖10所示。

圖10 節(jié)點(diǎn)程序流程圖

3.2 上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的監(jiān)控端上位機(jī)搭建利用虛擬儀器技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，所謂虛擬儀器技術(shù)，即利用電腦來建立對(duì)硬件終端的上位機(jī)控制界面，實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件終端的控制、數(shù)據(jù)解析、結(jié)果顯示，上位機(jī)設(shè)計(jì)選擇LabWindows/CVI來實(shí)現(xiàn)，該軟件利用傳統(tǒng)的C語(yǔ)言開發(fā)，易于入門，易操作；此外它定義和建立用戶界面非常方便，提供了很多界面編輯器并能生成對(duì)應(yīng)代碼。其在開發(fā)上位機(jī)時(shí)多采用回調(diào)機(jī)制，特別是多線程技術(shù)的運(yùn)用能使得程序運(yùn)行效率更高、更穩(wěn)定。

該上位機(jī)設(shè)計(jì)主要分為兩大線程，數(shù)據(jù)的接收采集操作為一個(gè)線程，用戶界面處理、刷新為另一個(gè)線程中，這樣設(shè)計(jì)的好處是在監(jiān)控中心人員對(duì)界面進(jìn)行操作時(shí)，操作系統(tǒng)將進(jìn)行線程切換，為數(shù)據(jù)采集線程提供完成任務(wù)所需的時(shí)間。上位機(jī)整體的工作流程如圖11所示。

圖11 上位機(jī)監(jiān)測(cè)程序流程圖

整個(gè)上位機(jī)工作流程簡(jiǎn)述下來就是，在主線程中主要是對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行循環(huán)檢索，當(dāng)檢索到有客戶端數(shù)據(jù)更新時(shí)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的解析。

4 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

上位機(jī)要和硬件終端建立網(wǎng)絡(luò)通信需要兩者的IP端口號(hào)相對(duì)應(yīng)，因此實(shí)驗(yàn)調(diào)試過程中利用內(nèi)網(wǎng)端口映射軟件nat123，讓其生成對(duì)應(yīng)的一組內(nèi)外網(wǎng)IP地址，在整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)上位機(jī)和硬件終端便可通過此對(duì)IP完成通信。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先主控程序的調(diào)試地址處設(shè)置為如"115.28.79.163,30223"，在注冊(cè)nat123時(shí)，所設(shè)置的內(nèi)網(wǎng)號(hào)為56 789(可任意設(shè)置)，其映射的外網(wǎng)端口號(hào)為30223。

設(shè)置好監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)IP后，下載程序，打開上位機(jī)，在它的端口號(hào)欄處把端口號(hào)設(shè)置為56789，并點(diǎn)擊打開服務(wù)器按鈕，當(dāng)nat123的端口頭像上出現(xiàn)笑臉，表示上位機(jī)和監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)已成功連接。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)所獲得的監(jiān)測(cè)端數(shù)據(jù)和地圖匹配定位結(jié)果顯示，系統(tǒng)功能正常，實(shí)現(xiàn)了對(duì)終端的經(jīng)緯度、速度、加速度、電源電壓等的監(jiān)測(cè)，基本完成了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

5 總結(jié)

針對(duì)目前警犬狀態(tài)監(jiān)測(cè)以及管理不便的問題，設(shè)計(jì)了一款警犬狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了小型化、可穿戴、可內(nèi)嵌的功能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)警犬狀態(tài)的高精度定位，速度、加速度監(jiān)測(cè)、GPRS低數(shù)據(jù)流量的無線通信功能，監(jiān)控中心人員即可根據(jù)顯示的數(shù)據(jù)來掌握警犬狀態(tài)、進(jìn)行地圖匹配監(jiān)控等。警犬狀態(tài)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，有效提高了對(duì)警犬的管理和使用，具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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