CN105741483B - 一种用于监所民警的安全警戒装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了用于监所民警的安全警戒装置，所述装置包括实时定位模块、姿态测量模块、微控制单元、脉搏监测模块和语音压缩模块，用于实时监控监所民警执勤状态，有效防止袭击和自身伤害发生，并可实现语音对讲功能的安全警戒终端。其采用三轴加速度传感器、三轴地磁传感器和三轴陀螺仪传感器相结合对执勤的监所民警进行状态监控，多种传感器的联合使用，大大的降低了误报率；采用基于信号强度zigbee无线定位技术，实现室内外的无缝定位，弥补卫星定位只能用于室内的局限。同时自动打开拾音器，能上传周边环境声音数据；本发明加入脉搏传感器，可用于随时随地监测监所民警的健康状况，及时发现高血压、心率失常等疾病的发生，自动报警。
Description
技术领域
本发明涉及嵌入式安全警戒智能设备，尤其涉及一种用于监所民警的安全警戒装置。
背景技术
公安监管民警依法承担对犯罪嫌疑人、被告人、罪犯、违法人员和被强制医疗的精神病人警戒看管、执行刑罚、行政处罚、教育、特定疾病治疗、心理及行为矫治的任务。公安监管工作的进步离不开广大公安监管民警的付出与贡献。虽然近年来公安监管民警数量有所增加，但与承担的工作任务相比仍然明显不足。据统计，全国公安监管民警与被监管人员比例不足10％，远远低于我国监狱25％的比例，与国外发达国家和地区差距更大。
民警数量不足，并且需要长时间只身深入监室，面对面执法管理，公安监管民警作为特殊岗位的警察，每天面对着杀人、抢劫、强奸等恶性犯罪的罪犯或嫌疑人，受到人身攻击的几率大。长期超负荷紧张工作，严重损害民警身心健康，加剧了被袭击的风险，不仅危及民警个人安全，而且危及监所长治久安。急切需要一种能够实时监控民警自身状态，进行准确定位，提高监所民警安全警戒和防范能力的可穿戴设备。但市场上并未发现适用于监所警员姿态监控的设备，类似设备多用于老人跌倒报警。
现有相关技术中存在的不足：在实际应用中，人员状态监测报警主要分为三大类：第一类是基于视频监控进行状态分析；第二类是基于声学的状态检测系统；第三类是基于可穿戴装置智能感知进行状态分析。
第一类技术和设备是在一定区域内安装摄像头，拍摄人体活动的画面。通过图像处理的方法，检测是否有跌倒等危险状态发生。视频监控技术易受到光线、温度和人员配合等多种因素干扰，对监控环境的要求极高，如果上述条件有一项不满足，基于视频监控技术的人员状态监测会产生很高的误报率，甚至完全失去作用。且系统建设成本极高。
第二类技术和设备是通过分析跌倒时的音频信号来监测，所能监测的人员状态种类单一，且极易受到外界干扰，导致系统的误报率极高。
第三类技术和设备是将微型传感器嵌入可穿戴设备中来监测人员状态，根据原理不同可分为三种：
1、导电液体开关型
此类型的状态检测仪是以水银等导电液体开关的闭合作为判别人是否倒下，但智能程度低，对一些正常的行为和状态无法分辨，误报率极高。通常与GSM或GPRS技术相结合进行报警传输，但无法实现报警定位。
2、固定电话按键型
此类型的状态检测仪是在使用者跌倒后，通过打电话或是按上跌倒检测仪上的按键进行求助，但前提条件是使用者处于清醒状态且具有一定自理能力，且无法实现报警定位。
3、身体倾角(姿态)判断型
此种类型的状态检测仪是通过比较人身体倾角是否大于阈值来判断是否需要进行报警，通常采用单个加速度传感器进行某个方向上的加速度判断，误报率相对较高。通常与GPS技术配合使用，由于GPS无法在室内和遮蔽物较多的地方进行准确的定位，且监所警员基本工作在室内，所以使用场受到限制。GPS只能进行自身定位，还需要配合3G或GPRS技术进行报警信号和位置信息的上报，所以此类设备的功耗问题难以解决。
如公开号：102750803A，发明名称：跌倒报警仪、跌倒报警检测装置及方法，该发明提供一种跌倒报警仪、跌倒报警检测装置及方法，其中跌倒报警仪包括MCU处理单元及均与所述MCU处理单元连接的传感器单元、GSM无线单元、显示单元、按键单元、报警单元、蓝牙单元；所述传感器单元包括用于检测使用者加速度的3D加速度传感器及检测气压数据的气压传感器。该发明是通过3D加速度传感器及气压传感器采集到的数据，能够准确地检测使用者的身体重心下移状态﹑失重状态及撞击状态，不易发生误判。当判定使用者发生跌倒后，及时地进行报警，把对无人看护的病人或老人的伤害降到最低。
上述几种状态监测装置往往存在误报率高、智能程度低、监控状态种类少、无法进行室内定位、成本较高和功耗较大等缺点，无法适应监所警员日常的工作需要。
发明内容
针对以上现有技术的不足，本发明提供一种用于监所民警的安全警戒装置，所述装置采用微机电系统的三轴加速度传感器、三轴地磁传感器和三轴陀螺仪传感器配合使用共同采集民警状态数据，实现警员姿态的九自由度监测，将采集到的数据进行滤波、阈值判断、时间度量和多维数据融合，通过高效判别算法得到最终状态结果，以此解决由于现有技术和设备中状态监测类型少，监测报警准确率低的问题，三轴加速度传感器通过采集监所民警冠状面、矢状面和横截面三个方向上的加速度值，结合SVM(Signal MagnitudeVector)算法，得到对加速度的总体评价，其评价效果优于单个坐标轴分别计算。三轴地磁传感器用于获得监所民警的实时运动方向。三轴陀螺仪传感器可采集监所民警实时转角，用于判断是否发生扭打。
所述装置设置有实时定位模块，基于信号强度和信号传输时间相结合的zigbee无线定位技术，进行固定区域定位，应用基于信号能量和信号到达时间相结合的定位算法，实现了室内和室外的无缝定位。在保证室内高精度定位的同时实现设备的低功耗。
所述装置采用内置拾音装置的语音压缩模块，通过高性能声音压缩芯片有效的将拾音器采集到的声音码率压缩到4Kbit，保证声音在不失真的前提下通过zigbee信道进行传输，将压缩好的声音数据每16个字节打成一包，10个包封装为一帧，每20ms发送一帧，每个设备采用不同的信道传输语音数据，可以实现不同基站下的点对点对讲，同一基站内1对4广播，也可实现中心站对所有设备广播，或单个设备与中心站对讲，发生报警后，发送位置信息的同时自动打开拾音器，上传周边环境声音。
同时，所述装置采用基于激光反射型脉搏传感器(pulse sensor)进行监所民警的脉搏监控，脉搏传感器不工作时处于关闭状态，当民警将手指放在激光器上时，脉搏传感器自动开启，通过测量血液中血红蛋白对绿光吸收的变化得到每分钟脉搏的跳动次数，可以随时监测监所民警的健康状况。
为了实现上述目的，本发明所述一种用于监所民警的安全警戒装置的技术解决方案是：所述装置包括实时定位模块(zigbee)、姿态测量模块、微控制单元(MCU)、脉搏监测模块和语音压缩模块；所述实时定位模块内置有无线微控制器芯片和功率放大器，所述微控制单元包括微处理器、微控制器、存储器和模拟数字转换器，所述微控制单元通过串口与实时定位模块相连；所述脉搏监测模块包括模数转换、滤波和放大电路以及激光反射传感器组成，所述微控制单元通过模拟数字转换器(ADC)采集脉搏传感器的数据信息；所述姿态测量模块由三轴加速度传感器、三轴地磁传感器和三轴陀螺仪组成，所述姿态测量模块通过I2C总线与微控制单元相连；所述语音压缩模块内置有拾音器和语音处理芯片，所述语音处理芯片通过8位并行数据总线与微控制单元相连接。
由上述技术方案能够看出，本发明所述一种用于监所民警的安全警戒装置的有益效果是：功能优异、效果显著。本发明所述装置用于实时监控监所民警执勤状态，实时定位监所民警执勤位置，有效防止袭击和自身伤害发生，并可实现语音对讲功能的安全警戒终端。其采用三轴加速度传感器、三轴地磁传感器和三轴陀螺仪传感器相结合对执勤的监所民警进行状态监控，可监控跌倒、扭打、长时间静止不动(晕倒或猝死)多种身体状态，多种传感器的联合使用，大大的降低了误报率；采用zigbee技术进行固定区域内定位，采用基于信号强度zigbee无线定位技术，实现了室内和室外的无缝定位，弥补了卫星定位只能用于室内的局限，定位精度达到2m以内；采用高性能语音压缩芯片保证声音不失真，利用zigbee无线通信信道实现了点对点对讲和一对多广播，在紧急情况下在上传报警信息、位置信息的同时自动打开拾音器，能够上传周边环境声音数据；本发明加入了脉搏传感器，可以用于随时随地监测监所民警的健康状况，及时发现高血压、心率失常等疾病的发生，自动报警。
附图说明
图1为本发明所述用于监所民警的安全警戒装置的结构示意图；
图2为所述实时定位模块定位算法流程图；
图3 SVM姿态检测算法流程图；
图4网络拓扑图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
如图1所示，本发明所述一种用于监所民警的安全警戒装置是用于实时监控监所民警执勤状态，实时定位监所民警执勤位置，有效防止袭击和自身伤害发生，并可实现语音对讲功能的安全警戒终端。其结构包括实时定位模块、姿态测量模块、微控制单元、脉搏监测模块和语音压缩模块；所述实时定位模块内置有无线微控制器芯片和功率放大器，所述功率放大器设置有天线；所述微控制单元包括微处理器、同步动态随机存储器、闪存存储器和模拟数字转换器，所述微控制单元通过UART串口与实时定位模块相连；所述脉搏监测模块包括模数转换、滤波和放大电路以及激光反射传感器组成，所述微控制单元通过模拟数字转换器采集所述脉搏传感器的数据信息；所述姿态测量模块由三轴加速度传感器、三轴地磁传感器和三轴陀螺仪组成，所述三轴加速度传感器、三轴地磁传感器和三轴陀螺仪分别通过I2C总线与微控制单元相连；所述语音压缩模块内置有拾音器和语音处理芯片，所述微控制单元通过8位GPIO并行数据总线组成并口与所述语音处理芯片相连接，实现语音处理芯片的控制和数据采集。
其中，所述微控制单元中的微处理器、同步动态随机存储器和闪存存储器分别采用低功耗性能优越的MSP430F5310处理器、6KB SDRAM存储器、32KB FLASH闪存存储器。
所述实时定位模块中的无线微控制器芯片和功率放大器分别采用NXP JN516X系列芯片和SKY65344功率放大器组成，所述NXP JN516X无线微控制器芯片的工作电流15mA，睡眠电流0.6uA，具有低功耗性能，主要用于zigbee协议的解析和射频信号的收发；所述SKY65344功率放大器用于射频信号的功率放大，所述天线采用3db普通胶棒天线。
所述语音压缩模块由高灵敏度拾音器和AMBE1000语音处理芯片组成，拾音器采集的声音数据经过AMBE1000的压缩处理，采用8位并行数据总线传输给所述微控制单元。所述AMBE1000语音处理芯片可变传输速率，无需任何外围器件。
所述脉搏监测模块主要由模数转换、滤波和放大电路以及plus sensor激光反射传感器组成，为了节省空间和成本，模数转换部分采用MSP430F5310片内ADC，滤波电路采用低通滤波，中心频率在70Hz。
如图2所示，所示实时定位模块的定位方式采用基于到达时间TOA(Time ofArrival)和基于接收信号强度指示RSSI(Received Signal Strength Indicator)相结合的定位算法，所述实时定位模块的定位算法流程如下：
第一步、定位开始；
第二步、初始化定位模块；
第三步、扫描是否有基站：如没有，则返回重新进行扫描；如有则通过信号质量指数SQI阈值的选取进行下一步判断；
第四步、判断是否有可用基站：如没有则返回扫描是否有基站，如有则更新基站MAC地址队列；
第五步、进行接收信号强度指示RSS测量、飞行时间TOF测量；
第六步、将测量结果压入堆栈；
第七步、判断基站队列是否为空：如不为空则返回第五步，如为空则进行下一步计算；
第八步、最小二乘加权质心定位计算；
第九步、定位数据时间窗融合判断；
第十步、更新定位坐标。
所述姿态监测模块中的三轴加速度传感器采用小巧轻薄、超低功耗、可变量程、高分辨率的ADXL345，加速度测量范围±16g，测量精度13bit，最高分辨率(4mg/LSB)；所述三轴地磁传感器采用HoneyWell公司的HMC5883，主要用于获得监所民警运动的方位角，来确定其运动方向；所述三轴陀螺仪采用ITG3200。
如图3所示，工作时先由三轴加速度传感器ADXL345测得的俯仰角和横滚角，通过坐标变换将磁传感器测得的磁场强度分量分解到水平方向，再计算方位角。三轴地磁传感器HMC5883通过I2C总线与MCU相连接。三轴陀螺仪ITG3200通过I2C总线把采集到的实时转动角速度上传到MCU，当三个轴角度变换过于频繁和剧烈时即判断发生了扭打或遭受袭击。
基于加速度传感器的SVM姿态检测算法如图3所示，具体步骤如下：
1、开始，传感器初始化，记录初始姿态Act_i[3]；
2、接收传感器数据，计算SVM并写入SD卡：
如果SVM<0.7*G，则进行下一步；如果不是，则返回前一步
3、当T0＝T当前，接收传感器数据，计算SVM并写入SD卡：
如果SVM<0.7*G，则返回上一步；如果不是，则进行下一步；
4、T当前-T0>100ms，如果是则进行下一步，如果不是则返回步骤2；
5、T当前-T0<200ms,如果是则接收传感器数据，计算SVM并写入SD卡；如果不是则返回上一步；
6、SVM>5*G，如果是则进行下一步，如果不是则返回上一步；
7、当T0＝T当前，如果T当前-T0<2000ms则接收传感器数据，计算SVM并写入SD卡，如果不是则返回步骤5；
8、SVM<1.2*G，如果是则接收传感器数据，计算SVM并写入SD卡，如果不是则返回上一步；
9、计算当前姿态矩阵Act[3]；
10、Act[3]与Act_i[3]相比较，如果相同进行下一步，如果不相同则进入步骤13；
11、跌倒预警；
12、手动解除报警，如果是则返回步骤7，如果不是则进行下一步；
13、跌倒发生；
14、报警，结束。
如图4为本发明网络拓扑图。
最后应说明的是：以上实施例仅说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (2)
1.一种用于监所民警的安全警戒装置，其特征在于：所述装置包括实时定位模块、姿态测量模块、微控制单元、脉搏监测模块和语音压缩模块；所述实时定位模块内置有无线微控制器芯片和功率放大器，所述微控制单元包括微处理器、微控制器、存储器和模拟数字转换器，所述微控制单元通过串口与实时定位模块相连；所述脉搏监测模块包括模数转换、滤波和放大电路以及激光反射传感器，所述微控制单元通过模拟数字转换器采集激光反射传感器的数据信息；所述姿态测量模块由三轴加速度传感器、三轴地磁传感器和三轴陀螺仪组成，所述姿态测量模块通过I2C总线与微控制单元相连；所述语音压缩模块内置有拾音器和语音处理芯片，所述语音处理芯片通过8位并行数据总线与微控制单元相连接；所述实时定位模块的定位算法如下：
第一步、定位开始；
第二步、初始化定位模块；
第三步、扫描是否有基站：如没有，则返回重新进行扫描；如有则通过信号质量指数SQI阈值的选取进行下一步判断；
第四步、判断是否有可用基站：如没有则返回扫描是否有基站，如有则更新基站MAC地址队列；
第五步、进行接收信号强度指示RSSI测量、飞行时间TOF测量；
第六步、将测量结果压入堆栈；
第七步、判断基站队列是否为空：如不为空则返回第五步，如为空则进行下一步计算；
第八步、最小二乘加权质心定位计算；
第九步、定位数据时间窗融合判断；
第十步、更新定位坐标。
2.根据权利要求1所述用于监所民警的安全警戒装置，其特征在于：所述功率放大器设置有天线。
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