引用本文
陈伟, 李凌云, 孙奋进, 崔恒荣, 严岩, 周涛, 董立敏, 刘文斌. 基于复合定位技术的微型定位装置[J]. 刑事技术,2016,41(4): 313-316
CHEN Wei, LI Lingyun, SUN Fenjin, CUI Hengrong, YAN Yan, ZHOU Tao, DONG Limin, LIU Wenbin. A Micro-positioning Device Based on Multi-mode Integrated Positioning Technology[J]. Forensic Science and Technology,2016,41(4): 313-316  
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基于复合定位技术的微型定位装置
陈伟1, 李凌云2, 孙奋进1, 崔恒荣2, 严岩1, 周涛2, 董立敏1, 刘文斌1,*
1.上海市刑事科学技术研究院 上海市现场物证重点实验室,上海,200083
2.中国科学院上海微系统与信息技术研究所,上海,200050
* 通讯作者：刘文斌（1981—）,男,安徽安庆人,博士,副研究员,研究方向为激光材料和光学显现生物物证技术。E-mail:wbliu1981@163.com

作者简介：陈伟（1982—）,男,河南南阳人,硕士,助理研究员,研究方向为刑侦领域计算机应用。E-mail:weichen_82@163.com

基金: 上海市刑事科学技术研究院现场物证重点实验室开放课题（No.2014XCWZK11）
摘要

随着武装巡逻常态化的推行,警用枪支使用频率大幅上升,由此产生一系列枪支使用安全性问题。为规范枪支使用,急需研制基于复合定位技术的定位装置,以解决枪支日常定位管理及枪支丢失后精确定向查找的难题,从而提高枪支使用的安全性。本文介绍一种自主研发的复合精准定位系统,将GPS、GSM和RFID技术进行系统整合,制成微型复合定位装置,实现中远距离使用GPS和GSM对枪支跟踪和定位,以及近距离使用RFID技术对枪支定向精确查找。经过试验验证,本装置是现有定位系统近距离查找的有力补充手段,能提高综合定位精确度,实现对枪支全方位的定位追踪。该复合定位装置除可用于警用枪支定位外,还可在民用车辆、贵重物品等定位管理方面推广应用。

关键词: 复合定位; GPS; GSM; RFID
中图分类号:DF794.1 文献标志码:A 文章编号:1008-3650(2016)04-0313-04 doi: 10.16467/j.1008-3650.2016.04.014
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
Abstract

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.

Keyword: multi-mode integrated positioning; GPS; GSM; RFID

随着国内安全防卫要求的不断提升与国家反恐形势的日益严峻, 公安部部署全国公安机关加强社会全面巡逻防控, 实行常态化的武装巡逻、动中备勤。旨在快速应对处置各类突发案件, 维护社会公共安全, 提升人民群众安全感。但是, 枪支使用频率的上升, 将不可避免地带来更多使用的安全问题。如何确保民警规范使用枪支, 以及丢失或被抢枪支的及时找回, 是民警和公众十分关心的问题。因此, 研制和开发可应用于枪支定位跟踪的装置, 有着迫切的应用需求。

目前市场上常见的跟踪定位设备, 通常是将GPS（全球定位系统）、GSM（全球移动通信系统）进行整合集成, 使用GPS进行精确定位以及使用GSM进行基站定位和定位信息传送[1, 2]。但是受GPS定位精度的限制[3], 尚缺少对目标实现10米以内精确定向和定位的手段, 特别是在室内环境下, 无法接收卫星信号或信号偏弱。其他只利用RSSI（信号强度）进行测距的方法, 受环境因素干扰较大, 存在较大误差。

本文介绍一种自主研发的复合精准定位系统, 将GPS、GSM和RFID（射频识别）技术进行系统整合, 制成微型复合定位装置, 实现了在中远距离使用GPS和GSM对枪支进行跟踪定位, 在近距离使用RFID技术对枪支进行定向精确查找。

1 方法与原理

本系统重点面向警用枪支实时检测与定位的需求, 将GPS、GSM、RFID进行整合, 解决了系统小型化、多天线设计、低功耗电路设计、多模块无线信号串扰、高效能源管理等关键技术, 严格控制系统重量和体积, 在设计上做到防震、防潮, 最终实现枪支使用管理的信息化, 在突发情况下枪支的自动报警, 枪支丢失或被抢后位置的迅速上报, 枪支近距离位置的自动扫描寻找等功能。

系统的整体实现框如图1所示, 警员所持枪支经过统一登记, 内部具有唯一身份识别号。正常使用情况下枪支内部的有源RFID模块与警员的警务通进行通讯, 传送自身的号码与相应的状态信息。后台数据服务中心通过自带的移动网平台从警务通获取枪支相应信息, 并长期保存与分析。

当超过设定的时间未得到枪支信息, 或出现其它异常情况, 数据中心可以人工方式通知或询问枪支的使用情况, 做好平时记录监测, 异常及时响应, 其工作流程如图2所示。正常监测情况下, 数据中心也可与枪支模块进行通信, 改变相应的参数设置, 达到系统最优化设置。

当枪支在使用过程中离开警员超过一定距离（10米）, 可以认为枪支使用过程中出现了脱管的情况, 其工作流程如图3所示, 数据中心可以通过人工方式询问详细的原因, 确认是否正常。若不能判断情况正常, 监控中心可启动对枪支的直接监控, 获取枪支的位置或其它信息, 便于对枪支的定位与追踪。同时, 当枪支模块发生脱管时, 会自动启动上报机制, 报告相应的异常信息。紧急情况下, 枪支的信息传送将通过枪支自带的GPRS模块进行无线转输, 只要在移动通信范围覆盖的区域均能实现数据的实时更新。当枪支遭遇紧急情况时, 枪支有源RFID定位模块会自动发送自身的ID信息, 通过GPS锁定大致位置后, 使用检测设备通过测向天线可检测枪支模块与之相应的方向角度和距离, 达到快速寻找枪支的目的。

图1 系统实现框图Fig.1 Block diagram of system implementation

图2 定位模块工作流程图Fig.2 Flow chart of positioning module

图3 监控中心工作流程图Fig.3 Flow chart of monitoring center

2 系统组成
2.1 RFID定位模块

对于大多数无线传感应用来说, 不知道传感器节点位置而感知的数据是没有意义的, 节点的自定位功能被认为是系统的基本功能之一。因此, 无线传感器网络中节点定位技术的研究非常重要, 并且已成为无线传感器网络的基础支撑技术。一般而言, 无线传感器网络的定位技术分为基于距离的定位和非基于距离的定位。基于距离的无线传感器节点定位技术一般分为两个阶段：首先是测量无线传感器网络中节点间的距离; 然后根据节点间的距离和现有的传感器节点定位算法如三边测量法等计算出位置信息。

每个枪支可以认为是一个传感网络节点, 基于无线节点的发射功率（RSSI）的测量进行距离测定是一种常用的定位方法。RSSI（Received Signal Strength Indicator）是最基本的测距方法, 基本不需要额外的硬件设备, 实现方法简单。在基于接收信号强度指示RSSI的测距中, 已知发射节点的发射信号强度, 接收节点根据收到的信号强度计算出信号的传播损耗, 利用理论和经验模型将传输损耗转化为节点间的距离。但是在实际应用环境中, 此方法易受温度、无线信号的反射、障碍物、传播模式等诸多因素的影响, 在实际应用中存在较大困难。

本系统中采用TOF（Time of Flight Measurement）的方法进行距离测量[4]。TOF 测距方法是D. McCrady[5]提出的, 侧重应用于直接序列扩频（DSSS）的通信系统。M. Ciurana也对TOF 测距技术有所研究, 他首次在IEEE 802. 11b 的无线局域网中使用TOF测距技术, 但是需要额外的硬件帮助[6, 7]。在无线传感器网络中, 也有许多学者对TOF测距技术进行了研究, 但需要一个专门的基础设施, 而这个基础设施目前尚未广泛应用于IEEE 802.11（无线）网络中[8-9]。

本系统使用TOF飞行时差双向测距技术, 主要利用信号在两个异步收发机之间往返飞行时间来测量节点间的距离。在TOF测距时, 本地节点A向远程节点B发送一个数据包, 当B节点收到数据包时, 会自动发送一个确认来响应这个数据包, 执行过程如图4所示。A节点测量出从发送数据包到接收确认的时间, 这段时间消耗总时间记为TTOT; B记录了B从收到数据包到B回应确认消息的这个时间段的时间, 记为TTAT。测双方数据包在空中的往返时间可以记为：TRTT。假定在每个方向发生的飞行时间TTOF等于一半的往返时间。

相比RSSI测距方法, RSSI值和收发节点距离成反平方关系, 可以使用RSSI值来估算节点相距距离。由于RSSI值和距离成反平方关系, 所以距离越远, RSSI方法测得的距离越不准确。在实际环境中, RSSI测距方法易受温度、无线信号的反射、障碍物（如陆地建筑物）、传播模式等诸多因素的影响, 而基于信号飞行时间的TOF的测距方法则可以极大降低这些因素的影响, 且结果随距离呈线性关系。

图4 TOF的测距原理Fig.4 The ranging principle of TOF

本系统在硬件方面采用功率为2.4GHz 的Zigbee[10]（紫蜂协议）芯片作为RFID的通讯模块, 该芯片具有功耗低、接收灵敏度高的技术特点, 可实现空间定位及降低系统功耗的作用。

2.2 GPS模块

GPS的作用在于当枪支发生紧急情况或系统进行调度后, 对枪支进行精确定位。针对枪支内部空间, 本系统选取专为小型低功耗、低成本应用设计的单芯片（UBX-G6010-NT）。该芯片使用微型封装, 体积仅为 5 mm× 6 mm× 1.1 mm。由于采用成熟的射频体系架构, 再加上先进的干扰抑制机制, 即使在恶劣的环境中, 也能最大限度地保证系统定位性能[11, 12]。

2.3 GPRS（通用分组无线服务）通信模块

系统运用已经发展比较成熟的移动通讯网络进行数据传输与定位模块控制, 具有使用方便、覆盖范围广的优点。从系统设计的角度, 需要GPRS模块具有体积小、平均功耗和峰值功率低的技术特点。本系统中采用低功耗、四频GPRS模块（SIM800H）, 实现语音、短信息、数据的传输。其体积为15.8mm× 17.8 mm× 2.4 mm, 同时模块上部带有屏蔽盖板, 比较有利于减少对其它模块的干扰, 适合在枪支内部狭小空间中使用。

3 结果

测试场景的选择, 主要考虑了室内狭小环境、室内大空间以及室外开放空间几种典型情况、不同电磁环境下的功能实现能力。其中测量值通过RFID模块直接获得, 实际值由激光测距仪测得作为对比参考, 均为直线距离, 经过多次测量平均以减少误差, 表1给出了一些典型环境下定位装置实测数据：

表1 复合定位装置测试数据 Table 1 Data tested by multi-mode integrated positioning device

由表1可见, 本系统使用复合定位技术在近距离高精度测距定位方面, 具有显著的效果。误差基本都在5 %以下, 只有马路两侧的有一组数据接近10 %, 这是因为车辆行驶产生的随机遮挡效应。

4 讨论

本系统根据警用枪支实时检测与精确定位的需求, 将GPS、GSM和RFID三项技术进行系统整合, 建立枪支使用信息化管理平台, 实现突发情况下枪支自动报警, 及枪支丢失、被抢、被盗后精确定位, 完成枪支近距离自动扫描锁定。可有效解决目前枪支综合管理、安全使用的实际需求, 并且提高了定位装置近距离定向测距的精确度。该系统除了警用枪支定位领域进行应用外, 还可在民用车辆、贵重物品等定位管理方面进行应用推广。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献
[1] Pham H D, Drieberg M, Nguyen C C. Development of vehicle tracking system using GPS and GSM modem. 2013 IEEE Conference on Open Systems, 2013, 89-94. [本文引用:1]
[2] Al-Khedher M A. Hybrid GPS-GSM localization of automobile tracking system. International Journal of Computer Science & Information Technology, 2011, 3(6): 75-85. [本文引用:1]
[3] Divis D A. SA: Going the way of the dinosaur. GPS World, 2000, 11(6): 16-21. [本文引用:1]
[4] Yu L, Hou C, Li X, et al. An indoor positioning system based on TOF for wireless sensor networks. Information Science and Control Engineering, 2012, 2012: 1-6. [本文引用:1]
[5] Mccrady D, Doyle L, Forstrom H, et al. Mobile ranging using low-accuracy clocks. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2000, 48(6): 951-958. [本文引用:1]
[6] Ciurana M, Barcelo A F, Izquierdo F. A ranging method with IEEE 802. 11 data frames for indoor localization. 2007 IEEE Wireless Communications and Networking Conference, Kowloon: IEEE, 2007: 2092-2096. [本文引用:1]
[7] Gunther A, Hoene C. Measuring round trip times to determine the distance between WLAN nodes. Networking, 2005, 1: 768-779. [本文引用:1]
[8] Karalar T C, Rabaey J M. Implementation of a localization system for sensor networks. USA: EECS Department, University of California, Berkeley, 2006. [本文引用:1]
[9] Karalar T C, Rabaey J M. An RF TOF based ranging implementation for sensor networks. 2006 IEEE International Conference on Communications. Istanbul: IEEE, 2006, 7: 3347-3352. [本文引用:1]
[10] Liu C H, Fan CC. Zigbee- Research into integrated real-time located systems. Asia-Pacific Services Computing Conference, 2008: 942-947. [本文引用:1]
[11] U-blox, AT Command s Examples: Examples for u-bloxwireless modules. U-blox, 2011. [本文引用:1]
[12] U-blox. Products for GPS/GNSS and wireless communications. U-blox, [Online]. [本文引用:1]