基于GPS的警犬状态监测系统设计

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(中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原 030051)

0 引言

目前的警犬作业都是人带犬模式，在执行任务过程中当解除对警犬的束缚时，由于警犬作业中存在概率性兴奋度的触发[1]，很容易造成人犬跟丢现象，导致发现警情不能及时得到处理,指挥中心不能及时掌握实地搜索路线，容易产生搜索盲区。此外在日常管理过程中，公安系统对警犬的集群管理以及对单只警犬生理状态的掌握仍停留在传统阶段，这并不能及时掌握警犬的健康状况。因此公安系统对于一种高效的实时警犬状态监测管理系统有着迫切的需求[2]。

针对上述几点问题，本文提出了基于GPS的警犬状态远程监测系统设计，实现对警犬状态的实时监测，根据所获得的数据信息，更好的掌握警犬的疲劳、健康状况，更合理的对警犬进行训练。

1 系统总体设计

通过分析目前对警犬状态实时监测的需求，系统主要分两大模块设计，即警犬状态监测节点设计和监测软件上位机界面设计。监测节点主要完成对警犬的位置、速度、加速度、心率的采集和上传，上位机主要实现对信息的实时监测、存储、地图匹配、节

点配置等功能。监测节点通过GPRS数据流量接入互联网，然后通过服务器与上位机建立通信，系统整体结构如图1所示。

图1 系统框架图

1.1 节点设计方案

监测节点主要由如图2所示的6个模块构成，分别是MCU主控制模块、北斗定位模块、加速度监测模块、心率采集模块、无线通信模块和供电模块。

图2 监测节点框架图

整个监测系统的工作原理为，首先是通过GPS定位解析出警犬作业的地理位置坐标、时间、速度等信息；同时由加速度监测模块和心率采集模块对警犬加速度、心率进行采集。MCU主控模块将这些信息汇总处理，然后控制通信模块把处理后的按自定义协议打包的坐标、速度、加速度、心率、时间等信息上传到上位机。

1.2 监控中心设计方案

监控中心是根据上位机反馈的数据来掌握警犬的状态。上位机的搭建主要按参数设置、远程配置、状态反馈和连接状态4个部分来实现，整体框架如图3所示。

图3 上位机框架图

其中参数设置主要包含服务器端口和状态更新两个设置模式，远程配置中，可通过配置心电间隔时间实现信息采集终端的数据包上传时间的控制，可通过上报服务器的地址来设定下位机上传数据到指定的服务器，上下位机的IP设置都是对应的同一服务器的内外网IP，这样才能建立相互通信；状态反馈中前六项是上位机对反馈信息的解析显示，将接收到的数据存储到电脑上的数据库表格中，而客户端匹配则是根据经纬度信息进行解码匹配地图实现定位；连接状态反馈监测节点终端的信息。

2 节点硬件电路设计

2.1 主控模块设计

MCU主控模块是整个监测节点的核心，控制整个外围电路完成数据的采集、存储与传输，为了满足上述功能，设计中采用低功耗、价格便宜、工作性能稳定的AVR系列单片机作为系统的核心控制器，选用该系列的单片机一方面可以很大程度上的降低整个系统的功耗，另一方面节约成本。主控模块由ATxmega32E5芯片及其外围配置电路组成，ATxmega32E5单片机一个串口与北斗/GPS双模定位模块相连，用于配置北斗/GPS定位模块和接收该模块的定位信息；另一个串口与MC8618无线通信模块串口相连,利用AT指令来对整个终端的数据信息通信进行控制，PDI和RST(PDI_clock)两管脚作为程序调试和下载接口。ATxmega32E5基本外围电路设计如图4所示。

图4 ATxmega32E5单片机外围电路

2.2 GPS定位模块

警犬状态监测节点的定位、测速功能主要是利用GPS卫星导航系统实现，采用了 U-blox NEO-M8N定位芯片，该芯片定位精度高(在3m以内)，测速精度为0.1 m/s，在较复杂环境仍能接收到卫星导航数据，是一款兼容北斗、GPS、GLONASS系统的三模芯片，在较复杂环境仍能接收到卫星导航数据，具有低功耗、导航精度高、费用低、体积小巧等特点。该模块的RF-IN管脚连接陶瓷无源天线GPS1003，RXD、TXD数据输入输出端分别与单片机的异步串口相连。利用NEO-M8N实现的BD/GPS定位模块电路设计如图5所示。

图5 GPS电路图

2.3 加速度监测模块

由于单、双轴加速度传感器测量数据单一、精度低，在没有预知运动方向的情况下无法准确测量警犬的活动情况，因此设计选用ADXL362三轴加速度计来实现对警犬运动速度、加速度、位移的测量。ADXL362具有测量精度高、传输速率快、非线性度低、功耗低等特点，ADXL362芯片包含了一个深度多模式输出FIFO和几个运动检测模式，其中包括阙值可调的睡眠和唤醒工作模式，在以100 Hz速率输出数据时功耗能低至2 uA以下，在运动触发唤醒模式下功耗仅为270 nA。

ADXL362能以灵活的工作模式，减轻整个模块的功耗，非常适合警犬复杂的作业和训练情况下的加速度的精确监测，电路设计如图6所示，模块采用INT2管脚将唤醒信号传输到单片机中、触发单片机进入中断服务程序中，通过SPI通信总线对ADXL362进行操作并读取三轴加速度数据。

图6 加速度监测电路图

2.4 心率监测模块

心率测量技术常用的有光电式、压电式两种，光电式检测仪器虽然精度高但价格昂贵，且不适合应用于警犬身上。因此在警犬的心率监测模块设计部份，采用了MPX2100压力传感器对警犬进行心率监测。

MPX2100半导体压力传感器具有良好的线性度和抗温漂能力，它的输出电压与所加压力成精确的正比例关系，该传感器能够把感应到的电压转换成毫伏级的差模电压信号，再利用仪表放大器AD623将MPX2100的差模输出电压放大，MCU控制器计量在10秒钟的时间内的脉冲次数，然后再换算出1分钟的心跳次数，电路设计如图7所示。

图7 心率监测模块电路图

2.5 无线通信模块

无线通信模块的任务主要是实现警犬状态远程监测终端与上位机的通信。设计采用了MC8618通信模块，MC8618为中兴物联网公司开发的物联网模块，该模块采用电信GPRS网络进行无线通信。与其他无线通信芯片相比，MC8618是利用内部烧号方式进行通信，无需外接SIM卡，使通信模块电路变得非常精简，此外MC8618芯片采用邮票孔封装，尺寸为22 mm*20 mm，由于MC8618尺寸小、功耗低，可广泛应用于可穿戴、运动、健康、健身等终端设备，很方便的就可实现无线通讯，MC8618具有以下优点：

1)支持双UART口；

2)低功耗，支持短信、数据、电话本功能；

3)支持模拟语音功能；

4)支持标准的AT指令集和中兴扩展AT指令集；

监测节点和上位机监测终端之间通过GPRS网络直接连入互联网，二者即可建立连接，将卫星导航的定位坐标信息、模块运动速度、加速度等数据，通过单片机巡检的AT指令控制，实时上报给上位机，电路设计如图8所示。

图8 无线通信电路图

陶瓷天线MD1506接到MC8618的天线端口RF_ANTV，TXD和RXD通过外接上拉电阻后，管脚电压在2.85 V左右，单片机管脚电压在3.3 V左右，MC8618通过电平转换模块接到ATxmega32E5的串行口，以此来进行数据通信。

2.6 电平转换模块

电平转换模块采用SN74LVC2T45芯片进行设计，SN74LVC2T45线片是具有可配置电压转换和三态输出的二位双电源总线收发器，能实现双位双电源非逆相电平转换，允许普遍低电压间的双向转换，能够实现1.5 V、1.8 V、2.5 V、3.3 V和5 V电压节点之间进行灵活的双向电平转换，该模块用于构成MC8618与单片机ATxmega32E5之间通信的桥梁。

2.7 电源模块

监测节点终端的设计，最关键是要实现小型化便携带，因此供电电源也要尽可能的满足便携的要求，综合考虑后采用锂电池作为供电电源。锂电池安全性能好、厚度小、内阻小，同容量情况下，锂电池可做得更薄，更轻。此外，锂电池具有平稳的放电特性，而且锂电池采用聚合物材料，不起火、不爆炸，锂电池本身具有足够的安全性，因此可以考虑省略PTC和保险丝，从而简化电源供电电路并且节约电源成本。

3 系统软件设计

3.1 节点程序设计

单片机通过配置GPS模块、MC8618模块、ADXL362模块、MPX2100模块，利用UART、SPI、TWI三种通信方式分别与各模块进行指令交互并接收数据，最后对采集到的数据进行打包，控制MC8618将数据传输到上位机数据显示平台或其他外围设备，整个过程如图9所示。

图9 程序实现框图

单片机使用ATxmega32E5作为主控芯片，选择CodeVision AVR软件作为系统的开发平台，采用C语言进行程序编写，该软件是一款专为AVR系列微控制器而设计的交互式C语言编译器，包含了常用外围电路的生成函数和自动程序生成器，并且结合Atmel Studio完成程序的在线调试及下载，在结构上、功能上和维护上更容易进行开发。

监测节点主控程序工作过程为：

1)在监测节点终端上电后，系统会对所有模块进行初始化，包括对端口的初始化、定时器中断初始化、串口中断初始化、比较器中断初始化。

2)在初始化完成后，系统自动配置北斗/GPS定位模块、MC8618无线通信模块、加速度测量模块、心率监测模块，各个模块按照设定程序开始工作。

3)打开全局中断，判断中断源并执行相应的操作，比较器中断用于检测系统供电电压，一旦系统供电电压低于预设阈值，系统将会关闭，待重新检查系统供电电压，超过预设阈值时，确认供电电压无误后，各个模块重新上电。

4)加速度监测模块、心率监测模块开始采集警犬的当前状态，在接收到传送指令后，通过MC8618无线通信模块将警犬当前的加速度、心率数据传送到上位机终端界面显示。

5)串口接收中断产生，串口接收北斗/GPS模块定位信息，在接收到传送指令后，通过MC8618无线通信模块将警犬当前定位信息发送到上位机终端界面显示。

监测节点系统具体工作流程如图10所示。

图10 节点程序流程图

3.2 上位机监控平台设计

本次设计的监控端上位机搭建利用虚拟仪器技术来实现，所谓虚拟仪器技术，即利用电脑来建立对硬件终端的上位机控制界面，实现对硬件终端的控制、数据解析、结果显示，上位机设计选择LabWindows/CVI来实现，该软件利用传统的C语言开发，易于入门，易操作；此外它定义和建立用户界面非常方便，提供了很多界面编辑器并能生成对应代码。其在开发上位机时多采用回调机制，特别是多线程技术的运用能使得程序运行效率更高、更稳定。

该上位机设计主要分为两大线程，数据的接收采集操作为一个线程，用户界面处理、刷新为另一个线程中，这样设计的好处是在监控中心人员对界面进行操作时，操作系统将进行线程切换，为数据采集线程提供完成任务所需的时间。上位机整体的工作流程如图11所示。

图11 上位机监测程序流程图

整个上位机工作流程简述下来就是，在主线程中主要是对数据信息进行循环检索，当检索到有客户端数据更新时，进行数据的解析。

4 系统实验结果与分析

上位机要和硬件终端建立网络通信需要两者的IP端口号相对应，因此实验调试过程中利用内网端口映射软件nat123，让其生成对应的一组内外网IP地址，在整个系统运行时上位机和硬件终端便可通过此对IP完成通信。

实验时，首先主控程序的调试地址处设置为如"115.28.79.163,30223"，在注册nat123时，所设置的内网号为56 789(可任意设置)，其映射的外网端口号为30223。

设置好监测节点IP后，下载程序，打开上位机，在它的端口号栏处把端口号设置为56789，并点击打开服务器按钮，当nat123的端口头像上出现笑脸，表示上位机和监测节点已成功连接。

经实验所获得的监测端数据和地图匹配定位结果显示，系统功能正常，实现了对终端的经纬度、速度、加速度、电源电压等的监测，基本完成了系统设计。

5 总结

针对目前警犬状态监测以及管理不便的问题，设计了一款警犬状态远程监测系统，实现了小型化、可穿戴、可内嵌的功能，实现了对警犬状态的高精度定位，速度、加速度监测、GPRS低数据流量的无线通信功能，监控中心人员即可根据显示的数据来掌握警犬状态、进行地图匹配监控等。警犬状态远程实时监测系统的设计，有效提高了对警犬的管理和使用，具有一定的推广应用价值。

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