基于nRF24LE1和百度地圖的校園警情定位系統(tǒng)設計

摘要：在手機報警受限的情況下，為了使求助者能向校園保衛(wèi)處緊急報警并且準確定好自己所處的位置，本文研制了求助者隨身攜帶的微型無線遙控器和相應的配套系統(tǒng)。當求助者按下緊急求助按鈕時，立即向保衛(wèi)處發(fā)出求助信號，同時在保衛(wèi)處的監(jiān)控界面上直觀顯示求助者所在的位置。測試表明，從求助者按下緊急求助按鈕到保衛(wèi)處頁面刷新顯示為40～50 s，位置精度為20～40m。

引言

學校安全工作是全社會安全工作的重要組成部分之一。它直接關系到青年學生能否安全、健康地成長，關系到千千萬萬個家庭的幸福安寧和社會穩(wěn)定。廣東海洋大學湖光校區(qū)校園面積大，有些地方比較偏僻，往往是警情多發(fā)地段。遇到緊急情況，求助者通過手機報警，但往往很難準確描述其所在位置。若求助者手機報警受到限制，就更加無法對外發(fā)出求助。

為了解決以上的問題，讓求助者能通過第二種方式向校園保衛(wèi)處緊急報警并且準確定好自己所處的位置，本文研制了求助者隨身攜帶的微型無線遙控器和相應的配套裝置。當求助者按下緊急求助按鈕，立即向保衛(wèi)處發(fā)出求助信號，同時在保衛(wèi)處的監(jiān)控界面上直觀顯示求助者所在的位置。

1 系統(tǒng)整體實現(xiàn)

該系統(tǒng)的整體架構如圖1所示。在某需要監(jiān)控的區(qū)域布置中心站，在中心站周圍布置多個分站，形成一個星狀網(wǎng)絡。一旦各個站點布置的位置確定，其經(jīng)緯度的位置信息便確定下來。區(qū)域內(nèi)的各個分站的信息直接或者間接傳送到中心站，中心站接著把該信息傳送到數(shù)據(jù)中心。為了增加分站布置的靈活性，本文對分站之間信息的接力傳遞進行了技術上的實現(xiàn)，但從實時性和可靠性的角度看，盡量避免分站之間信息的接力傳遞，從信息起始發(fā)起的分站到中心站之間的分站不應超過2個。

求助者按下隨身攜帶的微型無線遙控器的緊急求助按鈕，當離其最近的分站接收到該求助信號時，該分站首先啟動報警器蜂鳴，這樣做是為了獲得周圍群眾的幫助，然后該分站通過某種預定的路徑，直接或者間接地把該信息傳送到中心站。最后中心站通過GPRS網(wǎng)絡把該信息傳送到互聯(lián)網(wǎng)上的數(shù)據(jù)中心，并存儲在數(shù)據(jù)庫服務器中。

在WEB服務器上發(fā)布警情監(jiān)控的網(wǎng)站，學校保衛(wèi)處作為客戶端之一訪問該網(wǎng)站。該頁面不斷實時刷新顯示最新的警情信息。學校保安人員也可以通過手機訪問該網(wǎng)站，從而協(xié)助其準確到達案發(fā)地點。

監(jiān)控開始時，客戶端在瀏覽器上鍵入“http：//210.38.139.35/warn/default.htm”地址。假設現(xiàn)有不同用戶在不同地方按下緊急求助按鈕，圖2為顯示界面。

圖2中標注“警衛(wèi)”的地方就是學校固定警力分布的位置，標注“警報”的位置就是當前警情位置，其以不停的跳動和聲音提示最新警情。只有保衛(wèi)處用戶才有權限去處理該警情信息，其他用戶只有瀏覽權限。這樣保衛(wèi)處根據(jù)求助地點和警衛(wèi)的位置，作出最優(yōu)的指揮。同時警衛(wèi)人員可以利用手機訪問該網(wǎng)站，作為位置協(xié)助找到求助者。

2 系統(tǒng)硬件

2.1 nRF24LE1模塊

nRF24LE1是NORDIC公司新推出的一款芯片。nRF24LE1采用了NORDIC公司最新的無線和超低功耗技術，在一個極小封裝中集成了2.4 GHz無線傳輸、增強型51 Flash高速單片機、豐富外設及接口等，是一個性能和成本的完美結(jié)合，很適合應用于各種2.4GHz的產(chǎn)品設計。

在本系統(tǒng)中的微型無線遙控器、分站和中心站的無線收發(fā)裝置選用的都是nRF24LE1模塊，它們之間的信息傳遞是通過各自的nRF24LE1模塊進行的。其中，分站和中心站采用的nRF24LE1模塊帶有外置功率放大天線，開闊地傳輸距離約為200～400 m，而微型無線遙控器采用的nRF 24LE1網(wǎng)模塊帶有內(nèi)置天線，開闊地通信距離為10～30 m。

2.2 EM310模塊

中心站最后還需要把警情信息通過GPRS網(wǎng)絡傳送到互聯(lián)網(wǎng)上的數(shù)據(jù)中心。GPRS網(wǎng)絡的接入采用華為公司生產(chǎn)的EM310模塊。EM310模塊內(nèi)置了TCP/IP協(xié)議棧，由AT指令控制并使得應用程序可以很容易地接入網(wǎng)絡。該方案的優(yōu)點在于最小化了將網(wǎng)絡連接集成入一個新的或已存在的應用程序所需的成本和時間。

在本系統(tǒng)中，EM310模塊是由中心站的nRF24LE1通過AT指令控制操作的，它們之間的接口就是典型的三線制串行通信。

3 系統(tǒng)軟件的實現(xiàn)

3.1 微型無線遙控器軟件

考慮到遙控器的功耗和體積，采用紐扣電池供電。平時不需要報警的時候，電源按鈕處于被關閉狀態(tài)，當有緊急情況時，電源按鈕被按下，系統(tǒng)開始工作，啟動發(fā)送警報，其工作流程如圖3所示。

求助信號發(fā)送出去后，離其最近的分站接收到該信號，分站啟動大功率蜂鳴器工作，同時發(fā)送一個應答包給該遙控器。當遙控器接收到該應答包后，停止發(fā)送警報，同時觸發(fā)LED指示，表示警報信息已經(jīng)被成功捕獲，否則重新發(fā)送。這樣設置是為了加強系統(tǒng)的可靠性，萬一分站的蜂鳴器壞了，求助者無法通過蜂鳴器嗚叫來確認求助信息是否被成功捕獲。

3.2 分站軟件

與無線遙控器供電方式不同，分站采用連續(xù)的供電方式，其工作流程圖如圖4所示。分站不斷循環(huán)檢測是否有警報信息需要處理。若有警報信息需要處理，首先發(fā)出應答包，接著往預定的目標地址發(fā)送警報數(shù)據(jù)包。該目標地址可以是其他分站，也可以是中心站，是根據(jù)實際需要設定的。

3.3 中心站軟件

中心站和分站的軟件實現(xiàn)在整體上有相似之處，稍微區(qū)別是當分站確認接收到警報數(shù)據(jù)包后，便向預定的目標地址(其他分站或者中心站)發(fā)送該警報包，而中心站接收到警報數(shù)據(jù)包后，通過EM310往預定的目標IP地址發(fā)送，其流程圖如圖5所示。

3.4 網(wǎng)站設計實現(xiàn)

本校園警情快速定位網(wǎng)站的地圖應用設計采用百度地圖的JavaScript API。其是一套由JavaScript語言編寫的應用程序接口，可幫助在網(wǎng)站中構建功能豐富、交互性強的地圖應用，支持PC端和移動端基于瀏覽器的地圖應用開發(fā)，且支持HTML5特性的地圖開發(fā)。

用戶通過瀏覽器訪問該網(wǎng)站，即向該網(wǎng)站發(fā)出了服務請求，該網(wǎng)站便向數(shù)據(jù)庫提取警情數(shù)據(jù)，同時向百度請求地圖服務，最后把兩者數(shù)據(jù)融合，返回給用戶，刷新瀏覽界面，用戶看到就是在百度地圖中對應的位置上標記的警情信息和固定警力信息。

4 關鍵技術討論

4.1 數(shù)據(jù)包定義

本系統(tǒng)通信的數(shù)據(jù)包類型有應答包和警報包。警報包又分為遙控器直接發(fā)出的警報包(稱為遙控器警報包)和分站轉(zhuǎn)發(fā)的警報包(稱為分站警報包)，數(shù)據(jù)包類型標識定義如表1所列。

為了形式上的統(tǒng)一，把各種數(shù)據(jù)包都規(guī)定為30個字節(jié)長度，數(shù)據(jù)包中各個字節(jié)的定義如表2所示。

某遙控器待發(fā)送的警報包數(shù)據(jù)存放在如下的數(shù)組中：

4.2 nRF24LE1數(shù)據(jù)包發(fā)送和接收

在nRF24LE1中，集成了一個功能齊全的2.4GHz收發(fā)器核nRF24L01+和一個加強型8051微控制器核。該微控制核和收發(fā)器核nRF24L01+是通過其專用的SPI接口進行通信，因此數(shù)據(jù)包收發(fā)是通過SPI讀寫操作來完成的。

TxMode函數(shù)的參數(shù)分別描述如下：TxAddress：存放目標地址數(shù)據(jù)的數(shù)組;TxAdrWidth：目標地址長度;TxData：存放待發(fā)送數(shù)據(jù)的數(shù)組;TxDataLength：待發(fā)送的數(shù)據(jù)長度。

無線遙控器發(fā)送的警報是一個廣播性質(zhì)的數(shù)據(jù)，所有分站都有同等的機會接收該警報數(shù)據(jù)，因此在本系統(tǒng)中所有分站必須開啟一個能接收廣播類型數(shù)據(jù)的通道，也就是所有分站都具有同樣的接收廣播的地址。

nRF24LE1有6個接收數(shù)據(jù)的通道地址，能滿足這樣的要求，本系統(tǒng)僅僅用了2個接收數(shù)據(jù)的通道地址，一個是該分站專用的接收地址(即分站ID)，另一個是該分站跟其他分站相同的接收地址，配置操作略——編者注。

無線遙控器發(fā)送數(shù)據(jù)是廣播型，因此發(fā)送就是向共有的接收地址發(fā)送。另外還需要開通一個接收應答數(shù)據(jù)包的通道，因為應答包是有固定的指向，因此無線遙控器只需要開通一個專用的接收數(shù)據(jù)通道(即遙控器ID)，其相關配置略——編者注。

為了增加系統(tǒng)的可靠性和可控性，這里只是允許接收中斷，而且接收中斷在某種情況下，還根據(jù)需要進行關閉，然后再次開啟等。

4.3 隨機調(diào)整發(fā)包時間間隔參數(shù)策略

時間間隔調(diào)整是靠Delay函數(shù)里面的Temp參數(shù)的調(diào)整來確定的。Delay(Temp)延時時間大約為Temp值的1/10 s。延時參數(shù)Temp值等于基數(shù)10加上一個小于10的隨機數(shù)，具體實現(xiàn)如下：

Delay(Temp)實現(xiàn)的延時是以1 s為基礎加上一個小于1的隨機小數(shù)，總共有4個1 s左右的延時疊加，因此該延時是以4 s為基數(shù)進行調(diào)整的，該參數(shù)的配置是根據(jù)實驗測試并統(tǒng)計B從接收警報包，到轉(zhuǎn)發(fā)警報包，再到接收應答包的時間，再適當加上一定余量，權衡得出來的。

每一個設備都把自己認為重要的事情做好，并且又能夠互相配合，使得整個系統(tǒng)可靠性和實時性達到一個相對完美的配合。

4.4 遠程應用服務器操作策略

網(wǎng)絡組網(wǎng)方案是數(shù)據(jù)中心服務器端采用公網(wǎng)固定IP地址，EM310直接通過IP地址訪問Internet。其中，最關鍵兩個動作就是EM310連接遠程應用服務器操作和EM310往遠程應用服務器發(fā)送數(shù)據(jù)包。

本文從實時性角度出發(fā)，采用最簡的操作步驟，如表3所示。

4個步驟之間緊密相連，缺一不可。每個AT指令發(fā)送出去后，會返回一個字符串，只有確認返同字符串中有“OK”字符，才能認為該AT指令操作成功，才可以進入下一個步驟的操作，否則重新發(fā)送該AT指令。這種方法可以獲得最高的可靠性，同時也會帶來一定風險，程序會一直在循環(huán)等待。

考慮到實時性，本文采用的是并不是每個AT指令操作后都等待“OK”字符，而是直接進入第4個步驟，發(fā)送警報信息。在該指令發(fā)送后，經(jīng)過適當?shù)难訒r，然后去判斷返回的字符串中是否有“OK”字符，否則才開始從第1個步驟開始。

萬一警情信息發(fā)送不成功，需要重新連接服務器，即從第1個步驟重新開始。本文采用的并不是每個AT指令操作后都去作等待“OK”字符的動作，而是經(jīng)過適當延時，直接進入下一個動作。因此必須預先對該延時參數(shù)有個估計，同時要保留一定余量。本文通過大量測試，權衡后得到如表4所列的參數(shù)。

結(jié)語

測試兩種情況從按下求助按鈕到地圖顯示的時間：一是分站直接到中心站;二是分站間接到中心站(本系統(tǒng)分站到中心站最多是2個)，結(jié)果是40～50 s。假設A轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包目標是分站B，在A接收范圍內(nèi)按下一個求助按鈕，同時在B接收的范圍內(nèi)，按下另一個求助按鈕。測試表明本系統(tǒng)能可靠把兩個警報包最終在百度地圖上顯示出來。因此，本系統(tǒng)所用的策略保障了一定的實時性和可靠性。