基于GPS的巡逻哨兵管理系统2111.docx
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基于GPS的巡逻哨兵管理系统2111
题目基于GPS的巡逻哨兵管理系统
摘要
第一章绪论
1.1研究的目的和意义
部队巡逻哨兵工作是指通过巡防人员徒步或使用自行车、电动车、汽车等交通工具在重点区域进行巡逻,及时处理突发事件,对预防、威慑违法犯罪活动,挤压犯罪空间,改善社会治安秩序有重要的意义。
在经济和科学技术高速发展的今天,各类案件呈高发态势,社会治安形势也愈加严峻。
各地公安机关正努力打造平安城市、构建和谐社会,保护人民群众生命财产安全,提高人民群众生活安全感。
因此,各地公安机关加强社会治安防控体系建设,建立和完善社会面巡防防控网络是非常有必要的。
部队巡逻哨兵工作承担着接受公民报警和上级公安机关指令,先期处置一些突发性事件、案件、纠纷和事故的任务,这就要求部队巡逻哨兵勤务工作能够快速反应,能够在第一时间赶到现场,进行先期处置。
而缺乏移动定位终端装备的各巡防执勤组当前所处的实际位置,不能直观地反馈到指挥中心,也就不能快速下达指令,让离事发现场最近的巡防执勤组快速前往案发现场,从而影响处警速度。
另外,在一些案件的线索跟踪中,由于地点不断转移,巡防执勤人员难以准确报知当前位置,使得后方指挥人员难以及时到达准确地点增援,容易前功尽弃。
高效的巡防管理系统对就近指挥巡防执勤组机动巡防、增援,实现与实战的实时联动,提高信息化作战能力有重要意义。
目前部队巡逻哨兵工作量较大,警力相对不足,难免会出现懈怠,具体体现如:
巡防路线僵化固定,不灵活。
缺乏GIS信息系统支持的基层巡防,巡防线路、巡防点、巡防区域的管理很不直观,采用人工作业的方式,动态调整和实施针对性巡防是比较困难的。
在这种背景下,我们提出了基于移动定位技术的部队巡逻哨兵管理系统。
随着全球定位系统的不断改进和完善,移动通信技术、网络技术、数据库技术、计算机技术以及信息安全技术的不断发展,为基于移动定位技术的部队巡逻哨兵管理系统奠定了良好的技术基础。
在这样的信息化条件下,准确、快速、及时获取各巡防执勤组的信息,对部队巡逻哨兵勤务工作的指挥、调度、监督起着非常重要的作用。
将移动定位技术和无线通信技术应用于部队巡逻哨兵管理系统可以有效解决上述问题,建立由移动定位终端子系统、基于无线通讯技术的数据传输模块和业务应用平台子系统组成的部队巡逻哨兵管理系统,有效实现了部队巡逻哨兵勤务工作的动态管理、动态指挥和可视化监管。
基于移动定位技术的部队巡逻哨兵管理系统,对信息化条件下的部队巡逻哨兵勤务工作产生重大意义:
能够准确知道各巡防执勤组的实时位置信息,全面了解各巡防执勤组的到岗
时间和巡防路线。
对部队巡逻哨兵勤务工作实行全程可视化监管,可以根据警情实时调整各巡防执勤组巡防路线,大幅缩短反应时间,提高响应速度。
1.2国内外研究现状
各地公安机关按照实时警务、高效警务、科学警务的要求,强力推进警务机制改革,将警力推向街头路面,推向案件高发时段、防范薄弱时段,构建立体治安巡逻防控体系。
[1]将移动定位技术、通信技术以及计算机技术应用到部队巡逻哨兵管理工作中,对提高部队巡逻哨兵管理水平有着重要意义。
自2002年以来,多个地区分别研发了各种移动定位终端,并投入使用,增强了科技警力。
目前投入使用的移动定位终端从技术上可分为两类:
一种是GSM+GPS,一种是GPSONE。
GSM+GPS式定位终端使用GPS全球定位技术获得地理坐标,采用SMS短信技术进行通讯;GPSONE式移动定位终端,使用GPSONE技术,可以采用SMS短信技术和CDMA1X技术进行通讯。
实际使用过程中,GSM+GPS式定位终端获得了普遍的认可,其中某市公安机关开发的跟踪系统进入了公安部的设备列装目录。
在实际应用中,发现采用GSM+GPS式定位终端存在种种限制,有些受制于当时的技术瓶颈,有些由于需求掌握的不透,导致设备的案情适应面较窄。
GSM+GPS的模式一般体积较大,尺寸为12CM×5CM×3CM左右,结构设计简单,没有防尘防水;待机时间3天,可连续使用2个小时;通信方式采用短信,容易发生命令响应不及时,导致命令失效,极端情况下还会发生短信拥塞,需要运营商对SIM卡通讯复位;内部没有大容量的存储器,依赖于定时上报,运行轨迹的信息存储于计算机中,通讯产生电量消耗较大,应用场合限制较多。
某市开发的移动定位系统就是这种类型,它采用控制电路与电源部分相分离的方式,在电路与电池之间使用连接线,采用强胶粘贴安装,采用短信交互,可单次查询和定时周期性汇报。
由于模块内部集成了GPS功能,采用GPSONE技术研制的移动定位终端的体积较GSM+GPS模式的体积大幅减小。
采用GPSONE技术获取定位信息,必须和运营商的定位网络关联;在GPS有效时使用设备提供的经纬度信息;在GPS无效时使用网络提供的定位信息,这也意味CDMA1X通道被占用,通讯方式只能采用短信,一样存在短信延时和拥塞问题。
另外的情况是:
使用网络提供的定位信息受运营商的定位精度影响,一般城市中误差相对较小,可控制在50米范围内,郊外则达到500米开外。
代表产品为上海与深圳生产的,原意与联通的定位之星配套推广,服务于儿童和老人的移动定位终端,其按键、SIM卡位、电源全部处于明显位置,缺乏防水措施,没有配备吸附安装的磁铁,体积在6.5CM×4.5CM×3CM左右,进行改造后,体积通常在7CM×5CM×3CM左右,电池电量受结构影响,容量在800毫安以内,待机时间约2天,系统多为网络定位,受城市业务支持的成熟度影响较大。
总体上看,当前应用到部队巡逻哨兵管理工作中的移动定位终端种类较少,功能单一。
体积小的产品待机时间较短,时间长的却体积较大。
体积较大的,定位技术使用了GSM+GPS,通讯方式是短信;体积较小的,定位技术使用了GPSONE,通讯方式为短信;内部没有独立的存储器,难以实现运动轨迹的实时采集;实用性和可靠性不够;缺乏能够同时有效支持以上几种移动定位模式的警用移动定位终端。
1.3主要内容及结构
本课题的研究目标是以某地市的实际项目为背景,对地市级部队巡逻哨兵管理系统的关键技术进行研究。
该系统通过采用GPS和GPRS技术的移动定位终端,获取巡防车辆和人员的采用经纬度坐标表示的地理位置,用无线传输方式传输到计算机系统中。
从移动定位终端采集的巡防人员位置信息在电子地图中以可视化方式显示,可以按时间段、巡防点、巡防部门、巡防范围等条件显示,从而对巡防工作的规划、巡防点设置、巡防工作的量化考核等方面提供很好的技术支持。
采集到的巡防人员位置信息,可通过公安内外网交换技术连接到公安信息网中,实现巡防工作和警情的联动,提高警力调配的作战能力。
围绕上述研究目标,本论文的研究内容包括:
1)针对巡防管理工作的要求,对地市级巡防管理的相关业务及其系统需求进行深入分析,总结提炼适合地市级公安基层所队巡防管理的需求。
2)对地市级巡防管理系统的关键技术进行研究,主要包括:
一是利用GPS定位技术,实现对巡防车辆和人员的精确可靠定位,定位精度达到5-15米的误差范围;二是利用GPRS通信方式来实现定位数据的无线传输,并保证数据传输的可靠性;三是使用GIS技术,在电子地图中按时间段、巡防点、巡防部门、巡防范围等不同条件显示巡防人员和车辆位置信息的可视化技术。
四是利用数据库技术,进行数据存储,使系统实现实时位置查询和历史轨迹查询。
3)地市级巡防调度管理系统的设计与实现,包括架构设计、移动定位终端子系统、业务应用平台子系统等。
4)系统测试及应用,以验证其可行性和有效性。
论文结构如下所示:
第一章绪论。
阐述研究背景及意义、国内外研究现状、研究目标与内容。
第二章系统的结构组成,主要讲解系统的硬件和软件技术。
第三章GPS模块的原理及设计
第四章无线传输模块和IC感应模块的原理及设计
第五章系统测试
总结与展望。
回顾和总结了本文工作,分析了存在的问题并明确了下一步工作计划。
第二章系统的基本结构和工作原理
2.1系统的结构组成
2.1.1系统性能
该系统从性能方面来说,主要具有如下特点:
(1)定位参数
引入GPSOne定位技术,可以弥补GPS定位技术的不足;此外,系统的热启动时间小于3秒,冷启动时间小于20秒,定位误差低于5米,在盲区的定位误差小于15米。
(2)存储功能
本系统具有较大的存储容量,同时还可以采用SD卡对数据进行读取。
(3)电气特性
系统直接使用车内的12V直流电源进行供电,然后经过电源转换模块后对不同的系统功能模块进行供电,要求静态电流不得高于4毫安。
2.1.2系统构成
该系统主要由人机交互模块、定位导航模块以及主控模块构成,具体如下:
(1)人机交互模块
人机交互模块是本系统的核心模块,也是系统与用户进行交互的直接模块。
它主要由键盘灯、触摸屏、LED指示电路以及LED显示屏构成。
(2)定位导航模块
该模块主要完成系统的导航与定位功能,主要由GPS定位模块以及GPSOne定位模块构成。
(3)主控模块
主控模块是整个系统的大脑,负责对系统各个功能模块进行调度与控制,其主要由复位电路、电源、SPI接口、串口、存储器以及中央处理器构成。
2.2系统工作原理
对系统进行电路设计,是保证系统正常运行的基础,也是系统开发过程中不可或缺的工作。
本系统的电路设计如图4-2所示。
图4-2系统电路设计方案
Fig.4-2Thecircuitdesignofsystem
由图4-2可知,系统的电路设计方案中包括了人机交互模块、电源管理模块、外围通信接口等,具体如下:
(1)人机交互模块。
该模块主要由按键、触摸屏以及LCD显示灯构成。
(2)电源管理模块。
该模块对系统的电源进行管理,主要由汽车内的电源经过转换后进行供电。
(3)外围通信接口。
该模块主要是为外界与终端提供通信的接口。
(4)存储模块。
该模块主要用于存储系统数据,本系统使用的存储模块是64M的NORFLASH与SDRAM。
(5)定位模块。
该模块包含了GPS定位模块以及GPSOne定位模块两种,本系统中使用M+12作为GPS定位模块,使用DTG-800作为GPSOne定位模块。
(6)中央处理器。
近年来,ARM公司研究的ARM核处理器得到了广泛的认可,因此本系统使用的是S3C2410作为处理器芯片。
2.2.1S3C2410处理器
本系统采用的是32位的S3C2410作为开发板,其实物如图4-3所示。
图4-3S3C2410开发板实物图
Fig.4-3S3C2410board.
处理器是嵌入式硬件平台的核心,影响着整个系统的运行性能[34]。
因此,对于芯片封装、外设接口以及运行速度都有较高的要求,在对处理器进行选择时,首先要考虑的就是结构轻巧、功能强大以及运行稳定等原则。
S3C2410作为三星公司首推的ARM内核处理器,具有性能高、功耗低以及生产成本低等优势,在功能敏感以及成本低的领域具有较强的应用优势。
S3C2410采用的哈佛高速缓存体、BUS、AMBA以及MMU体系结构,具有独立的数据缓冲器与指令缓存器。
此外,S3C2410还搭载了CP15以及CP14作为内部的协助处理器,其中CP15主要辅助存储系统的控制,而CP14辅助调试的控制,其基本框架如图4-4所示。
图4-4S3C2410内部结构图
Fig.4-4TheinternalstructureofS3C2410
由图4-4可知总结出S3C2410具有以下功能[35]:
(1)触摸屏可以提供两个模拟信号引脚以及四个控制信号引脚。
(2)CMOS转换器可以接收8个通道的模拟信号,并可以将其转换为10位二进制数据。
(3)提供117个通用的输入/输出端口,有11个表示的是中断。
(4)提供1通道内部定时器以及4通道脉宽调制定时器,并且具有看门狗定时器功能。
(5)提供1端口USB设备接口以及2端口USB主机接口。
(6)16KB数据缓存器以及16K指令缓冲器的存储单元,主要完成虚拟地址到物理地址的映射。
(7)提供四种I2C的工作模式,具有4通道DMA控制器。
(8)LED液晶控制器,为系统提供必要的控制信号。
2.2.2GPS模块电路设计
全球定位系统中的硬件部分包括信号接收设备和天线,这里面的天线是信号接收的前端硬件设备,然后GPS接收机从中对信息进行提取,再使用两个通用异步串行的收发器进行连接。
在本系统中,使用的是M+12模块,该模块最大的特点在于其功耗较低、体积较小以及成本较低,其引脚的功能如表4-1所示。
表4-1引脚功能表
Table4-1Thepinfunctiontable
引脚编号
功能
详细
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
TTLTXD1
TTLRXD1
+3VRWM
IPPS
GROUND
BATTERY
RESERVED
RTCMIN
ANTERNNAVOLTAGE
RESERVED
输出3伏电平
输出3伏电平
+3V主电源
脉冲控制信号
地
外部电源供电
保留
差分输入
3V或5V天线输入电源
保留
此外,M+12模块由MCU以及10个引脚相连,如图4-5所示。
图4-5GPS定位模块
Fig.4-5GPSpositioningmodule
2.2.3GPSOne模块电路设计
本次设计的GPSOne定位模块采用了AnyDATA公司的DTGS-800模块,同时通过该硬件能够实现高精度的定位服务,其具体内容包括[36]:
(1)支持传真以及数据业务,可以对OEM进行特别优化,并且能够建立快速网络连接。
(2)提供了2路SMS,可以使用AT命令进行远程控制,数据传输速率最高可达153kpbs。
(3)能够支持机、卡分离功能,提供了MP3与MIDI接口。
(4)内置了UDP、IP以及TCP协议,可以完成GPSOne功能,对BREW、IS-95A/B以及CDMA20001XRTT进行了较好的支持。
总的来说,DTGS-800能够与CDMA1X网络建立控制、采集以及连接关系,并且可以将IP分组接入到CDMA1X;而且,可以进行相关信息的结构化分解和组合处理,利用R232串口再将数据返回给车载终端,并且可以实现车辆防盗功能。
2.2.4存储系统的电路设计
该部分可以给信息和应用本身需要的数据提供相应的存储服务,所以导航定位服务必须有足够的的存储设备来给软件系统提供相应的服务、应用服务关键核心以及运行代码等。
通常来说,存储器电路可以分成外部存储和内部存储两部分,外部存储器包含了SD、FLASH以及SDRAM硬件设备,内部存储设备则可以进行简单的信息存储。
(1)SD卡存储器电路设计
对于巡逻哨兵系统而言,必须存储大量的地理信息,同时还要完成信息的更新功能,这些数据通常都存储在CF卡和SD卡之中。
SD卡和MCU是连接的,通过SD的卡座,S3C2410就可以读取卡中的所有数据,而SD卡又通过四条数据线以及两条控制线与S3C2410连接,具体电路如图4-6所示。
图4-6SD卡电路设计图
Fig.4-6SDcardcircuitdesign
(2)FLASH存储器电路设计
NANDFLASH以及NORFLASH是通用的FLASH常见的两种类型。
相比较而言,NANDFLASH的读写管理时间都大大的低于常规的硬件设备,同时该硬件能够提供更大的空间,一般可以通过闪存技术来实现应用高速读写操作。
同时在容量一样的前提下,其占用的空间更低一些,目前常见的容量为8M-64M,通常在嵌入式的硬件环境当中,可以和Linux的架构相互结合,在硬件方面,可以通过MTD驱动程序完成具体的擦除、读、写操作,并且还实现了EDC/ECC的校验。
在本文研究的系统中,使用的是K9F1208U0M作为处理器模块,其容量为64K。
S3C2410与NANDFLASH的连接设计如图4-7所示。
图4-7S3C2410与NANDFLASH连接图
Fig.4-7ConnectionofS3C2410andNANDFLASH
(3)SDRAM存储器电路设计
本次设计过程中采用的存储设备为现代公司的主流存储硬件,该硬件当中部署了存储结构,其具备整体价格较低、存储空间非常大和管理方便等优势。
在进入了核心的操作系统结构当中以后,应用中的人机接口、管理接口以及系统内核都会调入到RAM中。
但是,RAM的内存空间非常小,无法同时存储上述数据,因此将其存入SDRAM是最好的选择,并且性价比较高,其接口电路设计如图4-8所示。
图4-8SDRAM存储器电路设计图
Fig.4-8SDRAMmemorycircuitdesign
2.2.5串口电路设计
进行应用设计和实施过程以前,绝大部分的应用管理和download操作都需要采用JTAG接口来实现,但是在本系统中,利用的是串口接口完成与PC端的通信。
(1)S3C2410UART模块
在S3C2410中,装载了两个具有异步收发功能的UART模块,分别为UART1与UART2,它们都是利用RS232电缆进行连接。
利用UART进行数据接收,数据长度可以通过程序设置为8位。
此外,UART中的每个通道都用32位可用的字节进行数据的发送与接收,当CPU将数据写入到先入先出接口当中,可以通过信息粘贴部分实现高速的应用部署和更新,同时可以采用数据传输硬件实现数据的更新。
在整个的数据传输过程里,都需要注意反向操作的效率。
(2)串口传输初始化
整个系统中的硬件都是采用的TTL电平接口,那么要完成与PC端的交互,必须进行电平转换,此处采用的是RS232转换芯片,它具有价格低、集成度高以及功耗低等特点,S3C2410与PC端的串口通信电路设计如图4-9所示。
图4-9串行通信接口电路设计图
Fig.4-9Serialcommunicationinterfacecircuitdesign
2.2.6用户接口的电路设计
系统的用户接口里面,至少需要包括I/O功能以及显示功能。
(1)输入模块
在巡逻哨兵系统中,用户首先需要输入具体的导航目标信息,这些都需要通过接触系统中的显示设备和输入设备。
一般来说,在这个部分当中需要采用合理的电阻硬件,通过X+,X-,Y+,Y-表示。
而键盘是对触摸屏进行辅助的,使用的是I/O接口直接驱动,其电路设计如图4-10所示。
图4-10输入模块电路设计
Fig.4-10Theinputmodulecircuitdesign
(2)显示模块
目前,使用LCD进行显示是最常见的做法,它的优点在于色彩丰富、对比性好以及反应速度快等。
在S3C2410内部,集成了LCD控制器,它可以将缓存区中的图像信息显示在LCD驱动器上,接口电路设计如图4-11所示。
图4-11S3C2410与LCD连接电路图
Fig.4-11ConnectionofS3C2410andLCDdiagram
2.3本章小结
本章主要研究系统硬件设计方案。
首先对系统的总体方案进行设计,然后分析了硬件平台的组成,对系统的性能以及构成进行研究。
最后,完成了系统硬件的电路设计,比如GPS模块电路设计、GPSOne模块电路设计、存储器电路设计以及人机交互模块电路设计等。
第三章GPS模块的原理及设计
3.1GPS系统
3.1.1GPS定位原理
由于卫星的位置精确可知,在GPS观测中,可得到卫星到接收机的距离,利用三维坐标中的距离公式,利用3颗卫星,就可以组成3个方程式,解出观测点的位置(X,Y,Z)。
考虑到卫星的时钟与接收机时钟之间的误差,实际上有4个未知数,X、Y、Z和钟差,因而需要引入第4颗卫星,形成4个方程式进行求解,从而得到观测点的经纬度和高度。
事实上,接收机往往可以锁住4颗以上的卫星,这时,接收机可按卫星的星座分布分成若干组,每组4颗,然后通过算法挑选出误差最小的一组用作定位,从而提高精度。
本装置的定位系统使用GPS接收机进行自主定位,GPS接收模块接收GPS卫星发送的定位数据,将GPS信号的数据流提取出来,经过字符串操作就可以分别找出GPS信号中的经度、纬度以及相应的格林威治时间等定位信息(该时间加上8小时即为我国标准时)。
在实际开发中,GPS接收机根据从三颗以上卫星发来的数据计算出自身所处的位置,完成定位。
GPS定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据,采用空间距离后方交会的方法,确定待测点的位置。
如下图所示,假设t时刻在地面待测点上安置GPS接收机,可以测定GPS信号到达接收机的时间△t,再加上接收机所接收到的卫星星历等其它数据可以确定以下四个方程式:
由以上四个方程即可解算出待测点的坐标x、y、z及钟差;GPS模块再由此得到经纬度、时间等信息;最后将这些信息通过串口以GPS信息的形式发送出去。
图4.1卫星定位原理图
4.1.2GPS信息格式
通常GPS模块支持两种格式:
NMEA-0183ASCII消息格式和二进制消息格式。
前者的通信协议为9600bit/s、无校验、8位数据位、1位停止位。
后者的通信协议为4800bit/s、无校验、8位数据位、1位停止位。
NMEA-0183协议是美国国家海洋电子协会为了保证海上的通讯设备之间互相通讯、共享信息而制定的一种协议。
由于NMEA-0183ASCII格式直观,易于识别和应用,因此本系统采用NMEA-0183ASCII格式。
系统接收到的GPS数据主要由帧头、帧尾和帧内数据组成,根据数据帧的不同,帧头也不相同,主要有“$GPGGA”、“$GPGSA”、“$GPGSV”以及“$GPRMC”等。
GPS模块接收到的GPS数据如下图所示。
通常不需要了解NMEA-0183ASCII格式的全部信息,仅需从中选取出需要的那部分定位数据即可,其余的信息都可以忽略掉。
本系统选用推荐的:
$GPRMC数据帧。
图4.2GPS数据帧的几种格式
各类数据帧分别包含了不同的信息,在此列举出“$GPRMC”的各项含义:
$GPRMC,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,<10>,<11>,*hh
<1>当前位置的格林威治时间,格式为hhmmss
<2>状态:
A为有效位置,V为非有效接收警告,即当前天线视野上方的卫星个数少于3颗。
<3>纬度,格式为ddmm.mmmm
<4>标明南北半球:
N为北半球、S为南半球
<5>经度,格式为dddmm.mmmm
<6>标明东西半球:
E为东半球、W为西半球
<7>地面上的速度,范围为0.0到999.9
<8>方位角,范围为000.0到359.9度
<9>日期,格式为ddmmyy
<10>地磁变化,从000.0到180.O度
<1l>地磁变化方向,为E或W
由于帧内各数据段由逗号分割,因此在处理缓存数据时一般是通过搜寻ASCII码“$”来判断是否是帧头,在对帧头的类别进行识别后再通过对所经历逗号个数的计数来判断出当前正在处理的是哪一种定位导航参数,并做出相应的处理。
GPS接收机只要与卫星处于通讯状态就会源源不断地把接收到的GPS导航定位信息通过串口传送到处理器。
串口通讯只负责从串口接收数据并将其放置于缓存,在没有进一步处理之前缓存中是一长串字节流,是无法加以利用的。
因此,需要对定位数据进行处理。
3.2UART
3.2.1UART三种典型应用
①使用UART与其它控制器进行数据交换,如下图所示。
由于LPC2103的I/O电压为3.3V(但I/O口可承受5V电压),所以连接时注意电平的匹配。
图4.3使用串口进行数据交换
②使用UART与PC
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