遠(yuǎn)程巡防定位管理系統(tǒng)設(shè)計與研究

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(1.西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院，陜西 西安 710021；2.武警工程學(xué)院通信工程系， 陜西 西安 710086)

0 引言

遠(yuǎn)程巡防移動終端是針對執(zhí)勤、巡檢、守衛(wèi)任務(wù)，整合前沿科技，采用嵌入式、4G通信、北斗/GPS定位、紅外等技術(shù)，實現(xiàn)信息采集存儲、定位、復(fù)合通信、照明、歷史軌跡查詢和報警等功能。用于完成保衛(wèi)、戶外巡檢和卡點盤查證等任務(wù)[1]。具有性能先進(jìn)、功能全面、集成度高、易操作、性價比高和應(yīng)用領(lǐng)域廣等特點。能有效地增強城市維穩(wěn)與應(yīng)急保障能力，提升了巡防設(shè)備的信息化水平。

隨著科技的發(fā)展與進(jìn)步，功能性的巡防設(shè)備產(chǎn)品升級，多組式巡檢任務(wù)的管理調(diào)度也成了巡防系統(tǒng)控制中心的工作模式，主要包括多組巡防儀終端采集信息的數(shù)據(jù)庫存儲處理、歷史數(shù)據(jù)查詢修改等。所以在巡防系統(tǒng)的開發(fā)與設(shè)計階段同時，必須保障地圖界面定位坐標(biāo)的精確性。引入地圖糾偏方法，可以使遠(yuǎn)程控制中心在監(jiān)控網(wǎng)頁界面看到更精確的位置坐標(biāo)。定位坐標(biāo)糾偏和遠(yuǎn)程界面功能設(shè)計是本系統(tǒng)研究的重點。

1 遠(yuǎn)程巡防系統(tǒng)方案設(shè)計

本設(shè)計結(jié)合巡防移動終端功能和其工作需求，確定其硬件平臺的選型設(shè)計與巡防定位管理系統(tǒng)的功能設(shè)計，分析巡防系統(tǒng)定位存在的地圖加偏問題，在此基礎(chǔ)上對引進(jìn)算法進(jìn)行設(shè)計與實現(xiàn)。遠(yuǎn)程巡防系統(tǒng)由系統(tǒng)移動終端和遠(yuǎn)程監(jiān)控管理終端組成，系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示[2]。

圖1 巡防系統(tǒng)組成拓?fù)鋱D

1.1 巡防移動終端模塊

系統(tǒng)移動終端主要實現(xiàn)巡查、信息采集與存儲、系統(tǒng)定位、復(fù)合通信、報警等任務(wù)。核心模塊主要由電源供給模塊、主控模塊、GPS/北斗定位模塊和無線通信模塊組成[3]。用于實時采集移動終端的位置與速度參數(shù)，并通過無線通信模塊發(fā)送到遠(yuǎn)程管理平臺。主控模塊選用STM32F4芯片，定位模塊選用S1216-BD模塊，通信模塊選用USR-GPRS232-7S3無線透傳模塊。

主控芯片與GPS/北斗模塊之間通過串口連接，編寫定位程序編寫下載到主控芯片，開啟定位功能即可在屏幕顯示當(dāng)前位置信息與可用衛(wèi)星數(shù)。S1216F8-BD模塊默認(rèn)采用NMEA-0183協(xié)議輸出GPS/北斗模塊的定位數(shù)據(jù)，解析定位模塊接收位置信息后通過串口傳給主控芯片，然后采用HTTP協(xié)議將獲取到的經(jīng)緯度坐標(biāo)傳送到服務(wù)器。巡防移動終端結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示。

圖2 巡防移動終端結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.2 巡防系統(tǒng)管理平臺功能設(shè)計

系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控管理終端主要完成對移動終端實時監(jiān)控，軌跡跟蹤，歷史數(shù)據(jù)分析，任務(wù)管理調(diào)度。此終端平臺由計算機、控制指揮管理系統(tǒng)組成。

巡防儀終端把采集的數(shù)據(jù)通過無線模塊上傳到遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺，通過軟件設(shè)計，巡防系統(tǒng)遠(yuǎn)程端可以實現(xiàn)對移動端的如圖3所示管理功能。

圖3 遠(yuǎn)程巡防定位管理系統(tǒng)主要功能

1.3 百度地圖加載與歷史軌跡回放

在Web應(yīng)用開發(fā)中，百度地圖因其免費的特性而被廣泛使用。它提供的API功能，使開發(fā)者可以通過頁面的形式將百度地圖嵌入到瀏覽器頁面中，不必建立本地地圖數(shù)據(jù)庫就能實現(xiàn)地圖調(diào)用。在巡防定位管理系統(tǒng)編寫靜態(tài)網(wǎng)頁，利用百度地圖API技術(shù)實現(xiàn)電子地圖的加載、平移、縮放、標(biāo)記和查詢等電子地圖基本操作功能[4]。

對巡防人員實時監(jiān)控、歷史軌跡查看功能是本系統(tǒng)關(guān)鍵的功能[5]。其實現(xiàn)主要是通過JavaScript調(diào)用百度地圖API接口和AJAX技術(shù)訪問，將定位數(shù)據(jù)頁面顯示[6]。

遠(yuǎn)程端管理者執(zhí)行實時監(jiān)控功能時，首先會向Tomcat服務(wù)器發(fā)送1條監(jiān)控請求。之后，服務(wù)器通過MySQL數(shù)據(jù)庫查詢此終端設(shè)備的各項信息，若后臺數(shù)據(jù)庫中沒有這臺終端的信息，則須向移動終端回應(yīng)巡防移動終端當(dāng)前未工作；若有定位信息，則將其通過AJAX方式返回給客戶端。最后，通過利用JavaScript技術(shù)調(diào)用百度地圖，將巡檢人員的移動軌跡標(biāo)記在百度地圖上，定位到當(dāng)前巡檢人員的實時位置，并且獲取當(dāng)前巡防終端的信息，包括巡防儀設(shè)備號、巡檢人員信息和當(dāng)日巡防任務(wù)等。

系統(tǒng)管理員通過對巡防移動端的歷史軌跡回放功能，能夠獲取巡檢人員在某段具體時間內(nèi)的巡檢軌跡路線[7]。其具體程序流程如圖4所示。

圖4 巡防歷史軌跡回放流程

1.4 內(nèi)網(wǎng)映射

內(nèi)網(wǎng)映射是通過內(nèi)網(wǎng)穿透功能，實現(xiàn)Tomcat本地主機服務(wù)器對外映射。在服務(wù)器搭建和項目發(fā)布之后，可以實現(xiàn)本機對本地主機的訪問，如要實現(xiàn)在外網(wǎng)訪問本地服務(wù)器，還需要使用內(nèi)網(wǎng)穿透來實現(xiàn)，將本地服務(wù)器映射外網(wǎng)，實現(xiàn)手機等其他外網(wǎng)平臺訪問域名即可訪問本地主機。

本設(shè)計選用免費的花生殼實現(xiàn)映射，在此申請一個免費的域名，安裝花生殼客戶端使用其局域網(wǎng)對外映射功能。首先注冊一個域名xzaran.iok.la，在登錄花生殼客戶端后，在其后臺界面啟用內(nèi)網(wǎng)穿透功能，添加映射類型選擇80端口，便于外網(wǎng)訪問時，不用再附上相應(yīng)的端口號。通過ipconfig查看IPv4的地址，添加內(nèi)網(wǎng)主機地址。因本系統(tǒng)操作環(huán)境是建立在Tomcat服務(wù)器上，故在內(nèi)網(wǎng)端口選擇8080端口，以上配置完成即實現(xiàn)內(nèi)網(wǎng)穿透。使用本地電腦作為服務(wù)器，就可以實現(xiàn)本機遠(yuǎn)程巡防系統(tǒng)對外網(wǎng)的訪問。

2 糾偏算法設(shè)計

國際經(jīng)緯度坐標(biāo)采取WGS-84標(biāo)準(zhǔn)，我國使用國測局制定的GCJ-02對地理位置進(jìn)行首次加密，百度地圖為了保護(hù)個人隱私，坐標(biāo)在此基礎(chǔ)上，又進(jìn)行了BD-09再次加密方案[8]。百度地圖對外接口的坐標(biāo)系并不是GPS采集的真實經(jīng)緯度，需要進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方能正確顯示[9]。

當(dāng)移動終端把GPS模塊采集到的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)標(biāo)記在百度地圖上時，地圖上的位置和實際位置偏差很大[10]，百度地圖顯示的是加密后的百度坐標(biāo)。加偏的主要原因，是出于保密而特設(shè)定的地圖加偏，GPS采集的定位信息是準(zhǔn)確的經(jīng)緯度，百度地圖坐標(biāo)數(shù)據(jù)是加偏移處理后的信息。

地球子午線總長度大約40 008 km。平均緯度1″大約30.9 m，取經(jīng)緯度每1″對應(yīng)的區(qū)域取1個特征值存儲到數(shù)據(jù)庫，近似認(rèn)為這個區(qū)域偏移量不變。也即是區(qū)域每30.9 m對應(yīng)1個不同的偏移量。經(jīng)多組數(shù)據(jù)測量，GPS定位點的真實值與坐標(biāo)值之差求出偏移量，如表1所示。

表1 部分經(jīng)緯度特征值對應(yīng)偏移量 (°)

當(dāng)把移動終端獲取真實經(jīng)緯度信息傳送到服務(wù)器之后[11]，通過相關(guān)程序編寫，對經(jīng)緯度數(shù)據(jù)做1次特征化運算，即取經(jīng)緯度小數(shù)點后兩位作為特征值。

通過將特征值對應(yīng)偏移量存在本地MySQL數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)更新與查詢。由于巡防工作固定在某一區(qū)域，故不需要計算全國地圖數(shù)據(jù)偏移量。當(dāng)信息管理平臺接收到巡防移動終端發(fā)送來的經(jīng)緯度信息之后，首先執(zhí)行以下步驟：

a. 根據(jù)移動終端定位數(shù)據(jù)經(jīng)緯度(X，Y)，查詢所在特征值區(qū)域(m，n)。

b. 根據(jù)特征值，查詢到唯一經(jīng)度偏移緯度偏移量(a,b)。

c. 糾偏之后的定位數(shù)據(jù)將原定位數(shù)據(jù)與偏移量相加，即坐標(biāo)(X+a,Y+b)存儲在數(shù)據(jù)庫，在網(wǎng)頁界面顯示坐標(biāo)就是巡防移動終端在百度地圖上所處位置。

本設(shè)計創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫表存放每個區(qū)域的偏移量，用“l(fā)ng”、“l(fā)at”兩列代表特征區(qū)域，并設(shè)置為主鍵、索引，增加“l(fā)ngOffset”、“l(fā)atOffset”字段作為偏移量。當(dāng)收到GPS坐標(biāo)之后，若查詢不到到對應(yīng)特征值和偏移量，則從百度網(wǎng)站接口查詢，求它與GPS經(jīng)緯度之差得到偏移，將得到的偏移量存在糾偏數(shù)據(jù)庫，再返回從百度接口獲取的地圖坐標(biāo)，構(gòu)建的偏移量特征數(shù)據(jù)庫如圖5所示。

圖5 構(gòu)建偏移量特征數(shù)據(jù)庫

3 系統(tǒng)測試

最后，對本研究設(shè)計進(jìn)行了實測分析，驗證糾偏算法的可行性。經(jīng)過測試，在未央?yún)^(qū)攜巡防移動終端開啟定位，在西安工業(yè)大學(xué)繞工科樓騎自行車行駛1圈，起始點定位模塊在屏幕顯示經(jīng)緯度為(108.980 69°,34.382 22°)，把這個數(shù)據(jù)傳送到服務(wù)器直接調(diào)用百度地圖API，發(fā)現(xiàn)定位點在百米之外的陜西科技大學(xué)區(qū)域，軌跡如圖6所示，出現(xiàn)軌跡整體偏移現(xiàn)象。

圖6 糾偏前地圖坐標(biāo)界面顯示

通過數(shù)據(jù)庫糾偏功能，查詢本地數(shù)據(jù)庫特征值，得到與之對應(yīng)的區(qū)域唯一偏移量(0.011 277°,0.004 653°)，相加得到糾偏后的坐標(biāo)(108.991 967°,34.386 873°)，如圖7所示?？梢?，在本系統(tǒng)界面的百度地圖上，此坐標(biāo)對應(yīng)位置正是實測所行駛軌跡。

從實測數(shù)據(jù)可以看出，巡防移動終端定位模塊可以正確定位，遠(yuǎn)程管理平臺可以實現(xiàn)對移動終端信息的接收，以及歷史記錄的查看。不過在兩棟樓之間區(qū)域會出現(xiàn)2 m誤差，這個是由GPS模塊在城市峽谷環(huán)境中產(chǎn)生數(shù)據(jù)漂移造成，可以通過卡爾曼濾波技術(shù)解決。雖然移動終端可以傳輸定位數(shù)據(jù)到服務(wù)端，但在地圖界面存在較大的偏移，但通過本系統(tǒng)的糾偏算法可以解決地圖加偏問題。

圖7 糾偏后效果對比圖

4 結(jié)束語

遠(yuǎn)程巡防系統(tǒng)可以對移動終端實時監(jiān)控與數(shù)據(jù)存取，獲取到有用的信息存儲，對歷史數(shù)據(jù)刪除修改等。也可以與之通過消息發(fā)布巡防任務(wù)。利用歷史軌跡查看這一功能，在遠(yuǎn)程端界面通過調(diào)用百度地圖API技術(shù)，獲取巡防儀某段時間具體行走路線。通過實地數(shù)據(jù)采集，遠(yuǎn)程巡防定位管理系統(tǒng)達(dá)到了各項定位管理指標(biāo)要求，也能對其功能進(jìn)行擴(kuò)展；地圖糾偏算法引進(jìn)解決了百度地圖加偏問題，為遠(yuǎn)程端管理者提供了更精確的地圖坐標(biāo)；通過內(nèi)網(wǎng)映射，使得手機等其他平臺通過訪問域名形式登錄巡防信息管理平臺，實現(xiàn)隨時隨地多組多終端定位管理調(diào)度[12]。巡防定位管理系統(tǒng)可以達(dá)到各項預(yù)期目標(biāo)，運行穩(wěn)定，功能擴(kuò)展性好。

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