1 背景及意义
1.1 项目背景介绍
随着全国“智慧城市”建设的蓬勃发展，信息技术正深刻地影响和改变着人们的生活和工作方式。与此同时，我国的公安警务安全领域也面临着日益严峻的挑战，各种警务枪支、武器、装备等物品数量种类多，区域分散，各种各样的警务枪支物品需要进行统一管理造成管理成本的增加，并且没有一个好的手段对枪支、武器、装备进行管理;如对这些物品的定位管理、物品的清点等目前还没有一个科学高效分方法。
在面临着大部分地区的“智慧城市”建设越来越发达，社会警务物品管理安全隐患越大的状况。因此，警务单位正在努力需要合适完善的解决方案，需要各种信息技术(尤其是地理信息技术和室内外一体化定位系统)打造更科学、更安全、更完善的社会公共警务设备物品安全管理体系，实现在警力有限的情况下，利用高科技技术手段有效的对警务设备物品进行合理的管理调配;在警务人员出警时可以合理的管理，提高对犯罪分子的打击力度。即以公安信息网络为主导，以各项公安工作信息化委主要内容，以建立统一管理、指挥、快速反应、协同应用的机制为目标，在全国范围开展警务设备物品信息化工程。
1.2 应用需求分析
目前在公安警务行业对枪支物品的管理，还处于纸质化时代，所有枪支物品在领用时只是做信息记录登记，使用过程中没有进行实时监测;如警察在岗亭携带枪支执勤时，管理中心无法判断人员枪支在岗、离岗状态。
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根据警务执勤情况针对枪支物品有以下几点需求：
(1) 实时在位监测：可对执勤过程中的枪支设备在位情况进行识别监测;
(2) 非法离位报警：当执勤枪支设备超出设定的警戒范围时，可自动发出离位报警信息;
(3) 非法离位追踪：当执勤设备非法离位时，启动定位追踪功能，利用UWB/卫星定位实时上报位置信息;
(4) 合法离位：支持系统授权合法离位，不触发报警;也可在授权离位情况下实时上报位置信息;
(5) 枪支物品管理：用户根据枪支物品绑定的定位标签信息可对枪支物品的使用情况、维护情况进行盘点管理;
(6) 用户管理功能：支持后台管理软件对用户的添加、删除、注册、注销等功能;
(7) 监控管理功能：支持定位标签在位/离位状态显示，支持定位标签电池电量的显示和低电量报警，支持查看定位标签的实时位置及运动轨迹。
2 设计方案
2.1 执勤在岗监测
执勤中枪支物品定位管理
如上图所示，枪支物品在执勤时通过绑定的定位标签与定位基站进行数据交换，实现枪支物品(定位标签)的实时在岗、离岗监测。
定位基站与定位标签之间实现超宽带无线通信测距技术，实时监测定位标签在位情况，为定位基站设置执勤活动区，定位标签可以在活动区域内随意活动，若超出执勤活动区定位标签将增加刷新频率提高定位次数并发出报警。
定位基站到指挥监控管理系统采用有线或无线的方式将定位基站接收到的数据传输至应用中心。有线传输方式是采用双绞线和光纤组成警务系统专用网络，无线传输方式是采用2G/3G/4G/WiFi等方式将数据传输至指挥中心。
定位标签到指挥监控管理系统是采用无线的传输方式，在定位标签上集成运营商流量卡，可以发送相应的位置数据给指挥中心也可接受相应的指令。
2.2 数据传输安全性
为了保证数据在传输过程中的实行性、安全性、准确性，该系统数据传输网络设计采用专线专网方案，在数据加密传输基础上为数据添加多层防火墙，防止非法入侵者攻击系统网络或盗取应用数据。
2.3 应用意义
该方案由郑州联睿电子科技有限公司提出的一套采用室内外一体化高精度实时定位技术对公安警务的枪支、武器、设备进行位置服务的定位管理;位置服务对警务枪支物品的管理意义主要有以下几点：
(1) 通过高精度实时定位，可以实时监测枪支物品是否在相应位置上，如枪支在库房存管还是在相应的执勤岗位上都可以实时识别;
(2) 通过位置管理可以防止在警务执勤过程中离开执勤岗位，在未授权的情况下离岗，可以进行离岗告警;
(3) 实时位置追踪，枪支物品非法被移动离开相应的岗位时，可进行实时位置追踪，在室内用UWB进行定位，室外用BD/GPS卫星进行定位，实现室内外实时位置追踪;
(4) 可通过系统向前端定位基站、定位标签、声光电报警设备发送指令，授权该枪支或物品可离开相应区域;授权后离开系统将不会发出告警。
(5) 可以在系统平台上查看枪支物品的使用、维护情况;通过定位管理可以确定目前的使用者是谁以及在什么位置。
3 系统架构
系统架构示意图
系统框架主要采用三层设计方案，分别为数据采集位置感知层、数据传输、应用交互;通过实现枪支物品在特定的区域内进行定位管理实现监管，若超出特定区域时将启动室外卫星定位模块做到室内外无缝对接定位技术。
3.1 应用交互
应用交互主要是将前端采集到的数据进行整合，实现统一数据处理、解算、存储、应用等一体化解决方案，集成出一套公安警务大系统，为各个警务体系部门单位子系统服务，各个子系统获得相应的数据后与业务系统结合，开发出相应的业务管理系统;如GIS平台警力部署系统、指挥协同作战系统、三维可视化系统等等。
3.2 数据传输
数据传输层在完成数据正常实时传输的同时也保证数据的安全性，不同的数据信息采用不同的通道传输层应用层。且数据传输层需要完成数据的双向传输，应用层管理中心也可向前端的定位标签发送相应指令等。
3.3 位置识别监测
枪支物品需要定位的场景主要分为执勤中和仓库存放区;在执勤中室内主要是执勤岗亭或救援场所，室外主要是城市或街道;仓库存放区在相应的房间内或位置上。
如系统架构图所示，室内主要采用超宽带定位技术实现区域内枪支物品及人员的在岗/离岗监测，室外接收卫星定位信号实现定位。定位标签含有超宽带模块和卫星定位模块，在定位区域内使员超宽带模块进行定位，若离开相应的执勤区后将启动卫星定位模块实现全方位卫星定位监测。
在室内的定位数据主要通过定位基站将位置数据通过网络层传输至应用层;离开室内区域定位基站将无法接受到定位标签的位置数据，在启动卫星定位模块的同时，将启动定位标签内置的运营商卡模块，位置数据将通过2G/3G/4G传输至应用层管理中心。
4 定位管理应用
4.1 室内外一体化定位
室内外定位切换示意图
上图是定位标签从室内至室外交汇处定位模块切换示意图;如上图所示模拟执勤岗亭内的枪支定位管理，岗亭内安装定位基站和声光电报警，定位基站采用超宽带TOF测距技术为岗亭虚拟设置单个或多个等级报警区域范围;例如设置10米电子围栏(系统设置值)，则表示以半径10米的范围内允许定位标签活动，定位标签若超出电子围栏设定范围值，系统后台将发出告警同时岗亭内声光电报警设备也发出报警。
系统报警方式可根据定位标签超出执勤岗亭范围越大报警声音越强烈;发出报警后定位标签若在报警时间内重新返回执勤岗亭内，系统报警将停止同时记录下当时报警时间及事件。
若在报警后定位标签没有回到执勤岗亭，继续向外离开直至超出执勤岗亭最大定位区域范围值时(如上图最外侧圆)，定位基站将通过发送数据给定位标签告知将要超出定位区域，定位标签将启动室外定位模块使用卫星定位，系统可以根据卫星定位数据实时查看定位标签实时位置及运动轨迹。
4.1.1 室外定位技术
卫星定位技术
GNSS定位技术分为三类，一类是“GPS+惯导”，它表示GNSS与微机电系统MEMS的组合;一类是RTK，它包括网络RTK技术;一类是基带，表示基带处理技术。诺瓦泰公司通过探索RF、数字电路设计、信号处理、嵌入式软件等方面的技术革新，一直是GNSS行业的技术领先者和革新者。通过对诺瓦泰公司的所有申请进行技术分析发现，从1990年开始至今，该公司在GNSS定位技术方面的申请基本上每年都有，说明GNSS定位技术一直是诺瓦泰公司的研发技术主线，该公司与GNSS定位技术相关的专利申请占据总申请量的28%，其中21%是涉及基带处理的，说明基带处理技术确实是诺瓦泰公司在GNSS定位技术方面研发的核心。
4.1.2 室内定位技术
室内定位技术
近年来，随着近距离无线通信和移动网络技术的不断发展，基于位置的服务(location-based service，LBS)越来越受到人们的重视。尤其是在室内，据统计未来十年人们80%的活动发生在室内，因此研发在室内环境下具有高精度定位功能的定位系统势在必行，针对室内定位系统的研究也如火如荼。美国的全球定位系统(global positioning system， GPS)在室外已经可以近乎完美地提供位置信息，但是在室内环境下由于建筑物的遮挡、楼层密度较大等特点而无法正常工作。在这种情况下，出现了利用红外线、WiFi、Zigbee等载波技术的室内定位方案，但是都没有达到非常好的效果。WiFi技术由于其能耗较大，且容易受到信号的干扰，信号覆盖的范围也仅局限于90m以内的空间，所以该技术的优势并不明显;Zigbee技术尽管具有低功耗、低成本、通信效率高等优点，但是其定位结果不稳定，系统可靠性不强。
UWB技术是通过极窄脉冲来传输数据而不是通过传统的载波来传输数据，导致其数据传输速度极高。除此之外，UWB技术具有系统复杂性低、信息安全性高、抗多径衰落能力强等优点，成为无线定位领域中的一大亮点。
4.1.2.1 UWB工作原理
在U-Loc室内定位系统中，人员或物品上所佩戴的定位标签利用UWB脉冲信号发射出位置数据，接收机接收、放大UWB信号，并进行同步时钟校准，然后将位置数据传送至后台。后台定位引擎计算出定位标签信号到达不同接收机的时间差(TDOA)，然后采用TDOA定位算法对标签位置进行解算，最终通过有线或无线的方式传输到信息处理及控制平台。
4.1.2.2 系统组成
U-Loc室内定位系统主要由三部分组成：1、位置感知层，包括定位基站(Master和Slave)和定位标签(Tag);2、网络传输层;3、定位应用层。其系统结构图如下图所示。
室内定位系统系统结构图
系统的各组成部分功能为：
⑴ 定位标签(Tag)
定位标签配置在待定位人员或设备上，用于发射超宽带定位信号。
工作模式：休眠模式、激活模式。
休眠模式——在目标长时间静止或无需定位时保持休眠，节省电量
激活模式——在需要定位时对目标进行实时定位
⑵ 定位基站
定位基站分为主基站(Master)和从基站(Slave), 定位基站固定在已知位置，作为位置基准，用于接收标签发射的UWB信号，并通过网络传输层，将定位信息传至定位信息平台;主基站除具备从节点接收功能外，还向各从基站发射同步信号，使各个定位基站获得统一的时钟，以便获得标签发射的信号到达不同基站的时间差(TDOA)。
⑶ 网络传输层
用于位置感知层和定位应用层的联通，负责将位置感知层获得的标签的位置信息传送至定位应用层。
⑷ 定位应用层
定位应用层通过优化的TDOA定位算法，解算出标签的实时位置及运动轨迹：可精准快速地进行小区同步和全局同步;采用时隙划分、优化碰撞等算法，大幅度提高系统的容量、稳定性和实时性;同时配置定位基站和定位标签的工作参数。
4.1.3 融合定位优势
u 定位标签室内外一体化定位模块自动切换定位;
u 室外卫星定位4G网络数据上传;
u 高精度定位(室内厘米级，室外米级);
u GPRS模块2G/3G/4G/WIFI数据传输;
u 模块自动关闭/低功耗，延长续航;
u 全方位、多区域、无死角定位覆盖。
4.2 定位标签设计
定位标签架构
定位标签采用室内外一体化定位方案，内置有卫星定位模块、超宽带定位模块、运营商卡模块;在不同的定位场景中启动不同的定位模块进行工作，做到室内外全方位定位。室外的定位数据可以通过运营商卡将数据传输至应用中心，保证数据的安全及实时性。
定位标签模式切换方案
如上图所示，在室内只启用UWB定位模块进行定位可以达到长时间续航工作，定位基站若监测到定位标签离开室内定位区域后，定位标签将自动启动卫星定位模块，同时启动运营商卡模块数据传输将通过2G/3G/4G通道传输至应用层，通过流量卡完成室外定位数据的交互应用。
4.3 定位标签应用
4.3.1 标签组成
超宽带定位模块 北斗卫星定位模块 运营商卡通信模块
公安警务枪支物品定位方案的定位标签的主要组成模块如上图，将核心模块集成后组成一套室内外一体化定位标签;可以将定位标签固定在枪支物品上做到安全定位管理。
定位标签电池续航以更换电池的方式，这样不用对定位标签进行充电大大降低使用的维护成本;在定位标签低电量时，应用系统和定位标签指示灯会发出相应的提醒，及时对定位标签更换电池。
定位标签技术参数设计：
1) 体积：根据定位枪支形状完成外观及结构设计;
2) 重量：不大于300克;
3) 功耗：不大于1.5W;
4) 电池：通用型电池;
5) 供电：DC3.7V - 4.2V电池;
6) 工作温度：-30℃-55℃;
7) 存储温度：-40℃-70℃;
8) 防水、防尘等级：IP67;
4.3.2 标签固定方式
定位标签安装概念图
定位标签外形设计成长形状，利用枪体的长度将定位标签以卡环的方式固定在枪身，这样不影响枪支正常使用，也方便对枪支定位管理。标签需要更换电池时无需将定位标签取下，可直接在枪体上进行更换。
4.4 定位应用流程
(1) 入岗流程
合法入岗：当佩戴标签的枪支进入测距监控范围后，基站发送入岗信息，服务器应答，授权入岗，标签应答显示入岗成功。
(2) 在位测距
合法入岗后，根据测距结果，服务器判断枪支标签是否在监控范围。
(3) 合法离岗
当指挥监控中心授予枪支标签合法离岗，标签应答，服务器显示授权结果，并根据测距结果，判断合法离位。
(4) 非法离岗
当枪支标签在未授权的情况下，私自离开检测范围，定位基站会将测距信息实时上送到监控中心，发出警报，并开启GPS追踪，通过GPRS上报位置信息。
(5) 合法离岗追踪
可以通过服务器在位设置是否合法离位追踪，当设置追踪后，当合法离位后，也会上报枪支标签的位置。