CN113867244A - 一种基于北斗的电子围栏非道路车辆监控平台系统及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于北斗的电子围栏非道路车辆监控平台系统及其工作方法，包括车载模块、数据库及客户端；车载模块包括北斗定位模块、NB‑IoT通信模块、报警模块、电源模块、震动模块、微控制器模块，客户端包括普通用户模块和管理员模块；本发明使用虚拟电子围栏，避免使用物理电子围栏，能减少前期投入和后期的维护费用，同时，有利于管理人员依据政府出台文件对电子围栏进行更改设置，方便快捷，可避免不必要的时间、物质上的浪费。本发明“北斗定位+电子围栏”模式能有效的提高政府部门对于非道路车辆的管理，提高稽查效率，增强稽查效果，降低人力物力投入。
Description
技术领域
本发明涉及车辆监控技术领域，尤其涉及一种基于北斗的电子围栏非道路车辆监控平台系统及其工作方法。
背景技术
2020年7月31日，北斗三号全球卫星导航系统正式开通，标志着北斗全球组网完成，北斗系统由地球静止轨道、倾斜地球同步轨道以及中圆地球轨道三种轨道组成，能够更好地服务于我国及周边地区，同时也让它除了导航、定位、授时服务外，还具备短报文通信的功能。已经初步具备区域导航、定位和授时能力，定位精度为分米、厘米级别，测速精度0.2米/秒，授时精度10纳秒。北斗应用和北斗产业化在面临着新挑战的同时也迎来了最佳历史机遇期，北斗“天上好用、地上用好”的格局与态势正在被打造得稳固坚实！
与此同时，随着我国经济的快速发展，非道路车辆也称非道路行走式机械，非道路行走式机械的生产量和保有量迅速增长，出口量也与日俱增。
为进一步改善环境空气质量，保障人民群众身体健康，减少非道路移动器械污染排放，各地市政府划定全市禁止或限制机动车行驶区域及禁止使用高排放非道路移动机械区域，同时依据国Ⅰ～国Ⅲ标准划定不同区域。
目前，针对非道路车辆的监管存在以下问题：第一、人工监管，稽查效率低，时间主要集中在部门上班时间，对于夜间监管力度几乎为零。第二、窜通监管人员，提前知晓稽查时间，在监管人员稽查时停止作业并隐藏。第三、对于非道路车辆可行驶区域界定不严，驾驶人员可在区域附近行驶、施工。
当前车辆监控有多种方案，但方式比较简陋，监控不够全面，只能提供具体的定位信息，无法应用于非道路车辆的区域监控。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种基于北斗的电子围栏非道路车辆监控平台系统，其能够依据北斗定位信息和管理人员设置的电子围栏进行非道路车辆的监控和预警，可克服现有技术的某种和或某些缺陷。
本发明还提供了上述基于北斗的电子围栏非道路车辆监控平台系统的工作方法。
术语解释：
NB-IoT，是IoT领域一个新兴的技术，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，也被叫作低功耗广域网(LPWAN)。NB-IoT支持待机时间长、对网络连接要求较高设备的高效连接。NB-IoT设备电池寿命可以提高至少10年，同时还能提供非常全面的室内蜂窝数据连接覆盖。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于北斗的电子围栏非道路车辆监控平台系统，包括车载模块、数据库及客户端；
车载模块包括北斗定位模块、NB-IoT通信模块、报警模块、电源模块、震动模块、微控制器模块，客户端包括普通用户模块和管理员模块；
所述北斗定位模块用于：通过北斗系统对非道路车辆进行实时定位，获取定位数据；
所述NB-IoT通信模块用于：定位数据、报警数据的上行下传；
所述报警模块用于：非道路车辆定位位置进入电子围栏时发出报警提示音；
所述震动模块用于：检测非道路车辆是否开启，当非道路车辆开启时产生震动从而使震动模块控制微控制器模块的开启，从而开启整个车载模块；
所述微控制器用于：处理北斗定位模块、NB-IoT通信模块采集到的定位数据，接受处理客户端发送的报警数据，并向报警模块发送指令；
所述电源模块用于：为北斗定位模块、NB-IoT通信模块、报警模块、微控制器模块进行供电；
所述数据库用于：存储定位位置信息、电子围栏经纬度、用户信息、管理人员信息；
所述普通用户模块用于地图电子围栏预警推送，即：用户登录后查看地图上该地对于符合各类国标的非道路车辆的禁止行驶范围；
所述管理用户模块用于：对不同国标的非道路车辆进行区域设置电子围栏，同时在客户端添加车辆信息和定位模块信息；
客户端用于：进行电子围栏的设置并判断是否在电子围栏内。
根据本发明优选的，所述管理用户模块用于：普通用户管理、地区电子围栏管理、预警日志查询及车辆黑名单管理；
普通用户管理包括基础信息、车辆信息的增加和删除；
地区电子围栏管理包括利用百度地图API实现输入经纬度对电子地图区域标定；
预警日志查询是指找到一个时间段内的预警信息；
车辆黑名单管理是指：当车辆两次进入电子围栏内，将自动加入车辆黑名单。
上述基于北斗的电子围栏非道路车辆监控平台系统的工作方法，包括步骤如下：
(1)检测非道路车辆是否开启，如果开启，进入步骤(2)；
(2)震动模块提供开启信号；
(3)北斗定位模块进行定位，获取定位数据；
(4)NB-IoT通信模块上传定位数据至客户端；
(5)客户端认定非道路车辆是否进入电子围栏，是的话，进入步骤(6)，否则返回步骤(4)；
(6)客户端发送报警信号；
(7)报警模块进行报警；
(8)客户端将车辆信息推送给管理员。
根据本发明优选的，步骤(5)中，进行电子围栏的设置并判断是否在电子围栏内，具体实现方法包括：
A、对于规则的图形，通过以下方法进行电子围栏的设置并判断是否在电子围栏内：
对于中心矩形，进行电子围栏设置：设置中心坐标点为(x0,y0),矩形的半长为l0,半宽为w0,得到矩形的四个顶点为：左上角顶点坐标为(x1,y1)，
右上角顶点坐标为(x2,y2)，右下角顶点坐标为(x3,y3)，左下角顶点坐标为(x4,y4)，x4＝x2，x3＝x1，y1＝y2，y3＝y4；
目标点为(X,Y)，如果满足x1≤X≤x2，y3≤Y≤y1，则认为该目标点在设定矩形范围内，如果不满足则认为在范围外；
对于圆形，通过以下方法进行电子围栏的设置：设置圆心为(x01,y01)，半径为r,目标点(X1,Y1)，如果目标点满足(X1-x01)+(Y1-y01)≤r2,则认为该目标点在圆形范围内，如果不满足，则认为在圆形范围外；
B、对于不规则图形，通过以下方法进行电子围栏的设置并判断是否在电子围栏内：
首先，在输入点的位置时，每相邻的两个点构成向量
计算出夹角∠A0：
如果∠A0≥90°，同时所有的夹角都大于90°，则认为该图形为凸多边形，使用式(Ⅰ)判断点是否在图形内部：
如果出现∠A0＜90°，则认为该图形为凹多边形，使用射线法进行判断，包括步骤如下：
①通过相邻点计算所在直线的方程，如式(II)所示：
②比较目标点是否和各顶点重合；
③将目标点坐标代入式(II)得到的直线方程，判断是否在边界上；
④过目标点构建水平直线方程，然后取该点的任意一端计算和多边形边界的交点数，如果是奇数，则在图形内部，否则在外部。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明采用NB-IoT通信模块，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，支持待机时间长、对网络连接要求较高的设备的高效连接，可提供非常全面的室内室外的蜂窝数据连接覆盖，同时具有低成本、低功耗、广覆盖以及大容量等特点。
2、本发明使用虚拟电子围栏，避免使用物理电子围栏，能减少前期投入和后期的维护费用，同时，有利于管理人员依据政府出台文件对电子围栏进行更改设置，方便快捷，可避免不必要的时间、物质上的浪费。
3、本发明“北斗定位+电子围栏”模式能有效的提高政府部门对于非道路车辆的管理，提高稽查效率，增强稽查效果，降低人力物力投入。
4、本发明车载模块装载震动模块控制车载单元的开启时间，降低车载模块的功耗。
5、本发明新颖独特，设计构思巧妙，定位准确，功耗低，监控不易出错，可为政府部门提供快捷有效的监管非道路车辆的方式，同时国家重视北斗建设和应用，同时重视国家环境治理，应用环境急切需求，市场前景广阔。
附图说明
图1为矩形电子围栏坐标示意图；
图2为圆形电子围栏坐标示意图；
图3为所作水平线与边界重合示意图；
图4为所作水平线与顶点重合示意图；
图5为夹角法电子围栏坐标示意图；
图6为本发明基于北斗的电子围栏非道路车辆监控平台系统的结构框图；
图7为本发明客户端的结构框图；
图8为本发明基于北斗的电子围栏非道路车辆监控平台系统的工作方法的流程框图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步限定，但不限于此。
实施例1
一种基于北斗的电子围栏非道路车辆监控平台系统，如图6所示，包括车载模块、数据库及客户端；
车载模块包括北斗定位模块、NB-IoT通信模块、报警模块、电源模块、震动模块、微控制器模块，客户端包括普通用户模块和管理员模块；北斗定位模块、NB-IoT通信模块、报警模块、震动模块、电源模块、微控制器模块可集成车载模块，通过电源模块的宽压电源管理电路接入非道路车辆的供电线路中，保证非道路车辆熄灭状态下此线路仍能供电。
北斗定位模块用于：通过北斗系统对非道路车辆进行实时定位，获取定位数据；
NB-IoT通信模块用于：定位数据(可以跟踪可以放置在设备上的任何数据。如非道路车辆位置、速度、行驶方向等数据)、报警数据(当智能终端检测出用电线路出线安全隐患时，发出报警信息同时将报警信息上传至无线传输终端，无线传输终端实时将报警信息通过物联网同智慧安全用电隐患综合监控云平台进行对接)的上行下传；NB-IoT通信模块内置电信运营商的Sim卡，负责与电脑服务器端进行通信。
报警模块用于：非道路车辆定位位置进入电子围栏时发出报警提示音；报警模块在收到微控制器给予的报警指令下，进行警告车辆已经进入禁止作业区语音播报。
震动模块用于：检测非道路车辆是否开启，当非道路车辆开启时产生震动从而使震动模块控制微控制器模块的开启，从而开启整个车载模块；
微控制器用于：处理北斗定位模块、NB-IoT通信模块采集到的定位数据，接受处理客户端发送的报警数据，并向报警模块发送指令；
电源模块用于：电源模块的宽压电源管理电路接入车辆电路，为电源模块中的电池供电，为北斗定位模块、NB-IoT通信模块、报警模块、微控制器模块进行供电；
数据库用于：存储定位位置信息、电子围栏经纬度、用户信息、管理人员信息；
定位位置信息是指实时监控的非道路车辆所在的位置，用户信息包括车辆车牌号、车辆型号信息等；管理人员信息包括管理人员姓名、管理权限、设置的电子围栏位置等信息。
如图7所示，普通用户模块用于地图电子围栏预警推送，即：用户登录后查看地图上该地对于符合各类国标的非道路车辆的禁止行驶范围；
管理用户模块用于：对不同国标的非道路车辆进行区域设置电子围栏，同时在客户端添加车辆信息和定位模块信息；
车辆信息包括各种非道路车辆类型信息、非道路车辆牌照信息等；定位模块信息是指根据北斗定位模块测量出的非道路车辆位置信息、非道路车辆行驶速度信息、非道路车辆行驶方向等信息；
客户端用于：进行电子围栏的设置并判断是否在电子围栏内。
管理用户模块用于：普通用户管理、地区电子围栏管理、预警日志查询及车辆黑名单管理；
普通用户管理包括基础信息、车辆信息的增加和删除；
基础信息包括用户姓名信息、用户驾龄信息、驾驶车辆类型信息等；车辆信息包括车辆车牌号、车辆型号信息等；
地区电子围栏管理包括利用百度地图API实现输入经纬度对电子地图区域标定；具体分为两大步骤：第一，使用python语句，通过百度地图API，对已知的地名抓取经纬度。第二使用百度地图API官网的html例程，修改数据部分，实现呈现效果；
预警日志查询是指找到一个时间段内的预警信息；当安装车载模块进入电子围栏内预警日志将增加该车辆信息，为后续稽查惩罚提供证据，管理人员可查看预警日志。
车辆黑名单管理是指：当车辆两次进入电子围栏内，将自动加入车辆黑名单。处以严重处罚，同时管理人员也可以根据稽查结果手动输入车辆到黑名单。
本系统能依据电脑客户端管理员指定“电子围栏”对非道路车辆进行实时的监控，当非道路车辆越过“电子围栏”时，报警模块对用户进行警告，电脑客户端对管理人员显示警告信息，提醒管理人员介入管理。
本系统包括管理员模块具有普通用户管理可进行用户车架号和唯一北斗定位模块绑定并录入系统用户信息、地区电子围栏管理可以输入经纬度信息划定电子围栏，确保非道路车辆进入电子围栏内进行报警、预警日志查询可以使得非道路车辆进入电子围栏后进行信息记录一遍追查、车辆黑名单管理功能可以使各部门针对违规非道路车辆进行记录，以便管理，普通用户模块具有地图电子围栏预警推送，可在线查看车辆允许行驶范围，避免被惩罚。
实施例2
实施例1所述的基于北斗的电子围栏非道路车辆监控平台系统的工作方法，如图8所示，包括步骤如下：
(1)检测非道路车辆是否开启，如果开启，进入步骤(2)；
(2)震动模块提供开启信号；
(3)北斗定位模块进行定位，获取定位数据；
(4)NB-IoT通信模块上传定位数据至客户端；
(5)客户端认定非道路车辆是否进入电子围栏，是的话，进入步骤(6)，否则返回步骤(4)；
(6)客户端发送报警信号；
(7)报警模块进行报警；
(8)客户端将车辆信息推送给管理员。
电子围栏可从百度地图提供API实现功能。
客户端采用java语言开发，SpringBoot+Dubbo分布式框架，数据库采用MySQL数据库，前端集成百度地图。
普通用户模块包括地图电子围栏预警推送页面。
本系统分为两个大部分包括：客户端、车载模块。管理用户模块可进行非道路车辆的信息的录入，以及车载模块信息录入，保证一车一码，实时动态的显示非道路车辆的实时位置；同时可设置使用百度地图API实现地区电子围栏，依据排放标准Ⅰ-Ⅲ划定的不同区域进行经纬度的输入，确定电子围栏。其中普通用户模块可以登录客户端查看自己户下的车辆定位地理位置信息，同时可查看电子围栏的区域范围。车载模块中北斗定位模块采集北斗卫星信息进行差分定位将定位信息通过NB-IoT通信模块传输到电脑客户端的服务器，在服务器中判定定位信息是否在电子围栏内，如果定位信息在电子围栏内，电脑管理人员模块自动向唯一id的车载模块的NB-IoT通信模块发送指令，微控制器接收到报警指令，触发报警模块，进行语音报警。
步骤(5)中，进行电子围栏的设置并判断是否在电子围栏内，具体实现方法包括：
A、如图1所示，对于规则的图形，通过以下方法进行电子围栏的设置并判断是否在电子围栏内：
对于中心矩形，进行电子围栏设置：设置中心坐标点为(x0,y0),矩形的半长为l0,半宽为w0,得到矩形的四个顶点为：左上角顶点坐标为(x1,y1)，
右上角顶点坐标为(x2,y2)，右下角顶点坐标为(x3,y3)，左下角顶点坐标为(x4,y4)，x4＝x2，x3＝x1，y1＝y2，y3＝y4；
目标点为(X,Y)，如果满足x1≤X≤x2，y3≤Y≤y1，则认为该目标点在设定矩形范围内，如果不满足则认为在范围外；
如图2所示，对于圆形，通过以下方法进行电子围栏的设置：设置圆心为(x01,y01)，半径为r,目标点(X1,Y1)，如果目标点满足(X1-x01)+(Y1-y01)≤r2,则认为该目标点在圆形范围内，如果不满足，则认为在圆形范围外；
B、对于不规则图形，通过以下方法进行电子围栏的设置并判断是否在电子围栏内：
通过电子地图设置经纬度点进行区域的划分，传统的对于不规则图形进行区域判定的算法一般采用射线法，从点水平出发做一条射线，计算该射线与多边形的边的相交点个数，当点不在多边形边上时，如果是奇数，那么点就一定在多边形内部，但是在一些特殊情况时，当射线画过水平边时，和穿过顶点时，就无法正确判定(如图3、图4所示)，本发明提出一种新的改进算法：
首先，在输入点的位置时，以第一个角为例，每相邻的两个点构成向量
计算出夹角∠A0(如图5所示)：
如果∠A0≥90°，同时所有的夹角都大于90°，则认为该图形为凸多边形，使用式(Ⅰ)判断点是否在图形内部：
如果出现∠A0＜90°，则认为该图形为凹多边形，使用射线法进行判断，包括步骤如下：
①通过相邻点计算所在直线的方程，如式(II)所示：
②比较目标点是否和各顶点重合；
③将目标点坐标代入式(II)得到的直线方程，判断是否在边界上；
④过目标点构建水平直线方程，然后取该点的任意一端计算和多边形边界的交点数，如果是奇数，则在图形内部，否则在外部。
Claims (4)
1.一种基于北斗的电子围栏非道路车辆监控平台系统，其特征在于，包括车载模块、数据库及客户端；
车载模块包括北斗定位模块、NB-IoT通信模块、报警模块、电源模块、震动模块、微控制器模块，客户端包括普通用户模块和管理员模块；
所述北斗定位模块用于：通过北斗系统对非道路车辆进行实时定位，获取定位数据；
所述NB-IoT通信模块用于：定位数据、报警数据的上行下传；
所述报警模块用于：非道路车辆定位位置进入电子围栏时发出报警提示音；
所述震动模块用于：检测非道路车辆是否开启，当非道路车辆开启时产生震动从而使震动模块控制微控制器模块的开启，从而开启整个车载模块；
所述微控制器用于：处理北斗定位模块、NB-IoT通信模块采集到的定位数据，接受处理客户端发送的报警数据，并向报警模块发送指令；
所述电源模块用于：为北斗定位模块、NB-IoT通信模块、报警模块、微控制器模块进行供电；
所述数据库用于：存储定位位置信息、电子围栏经纬度、用户信息、管理人员信息；
所述普通用户模块用于地图电子围栏预警推送，即：用户登录后查看地图上该地对于符合各类国标的非道路车辆的禁止行驶范围；
所述管理用户模块用于：对不同国标的非道路车辆进行区域设置电子围栏，同时在客户端添加车辆信息和定位模块信息；
客户端用于：进行电子围栏的设置并判断是否在电子围栏内。
2.根据权利要求1所述的一种基于北斗的电子围栏非道路车辆监控平台系统，其特征在于，所述管理用户模块用于：普通用户管理、地区电子围栏管理、预警日志查询及车辆黑名单管理；
普通用户管理包括基础信息、车辆信息的增加和删除；
地区电子围栏管理包括利用百度地图API实现输入经纬度对电子地图区域标定；
预警日志查询是指找到一个时间段内的预警信息；
车辆黑名单管理是指：当车辆两次进入电子围栏内，将自动加入车辆黑名单。
3.权利要求1或2所述的基于北斗的电子围栏非道路车辆监控平台系统的工作方法，其特征在于，包括步骤如下：
(1)检测非道路车辆是否开启，如果开启，进入步骤(2)；
(2)震动模块提供开启信号；
(3)北斗定位模块进行定位，获取定位数据；
(4)NB-IoT通信模块上传定位数据至客户端；
(5)客户端认定非道路车辆是否进入电子围栏，是的话，进入步骤(6)，否则返回步骤(4)；
(6)客户端发送报警信号；
(7)报警模块进行报警；
(8)客户端将车辆信息推送给管理员。
4.根据权利要求3所述的基于北斗的电子围栏非道路车辆监控平台系统的工作方法，其特征在于，步骤(5)中，进行电子围栏的设置并判断是否在电子围栏内，具体实现方法包括：
A、对于规则的图形，通过以下方法进行电子围栏的设置并判断是否在电子围栏内：
对于中心矩形，进行电子围栏设置：设置中心坐标点为(x0，y0)，矩形的半长为l0，半宽为w0，得到矩形的四个顶点为：左上角顶点坐标为(x1，y1)，
y1＝y0+w0/2；右上角顶点坐标为(x2，y2)，右下角顶点坐标为(x3，y3)，左下角顶点坐标为(x4，y4)，x4＝x2，x3＝x1，y1＝y2，y3＝y4；
目标点为(X，Y)，如果满足x1≤X≤x2，y3≤Y≤y1，则认为该目标点在设定矩形范围内，如果不满足则认为在范围外；
对于圆形，通过以下方法进行电子围栏的设置：设置圆心为(x01，y01)，半径为r，目标点(X1，Y1)，如果目标点满足(X1-x01)+(Y1-y01)≤r2，则认为该目标点在圆形范围内，如果不满足，则认为在圆形范围外；
B、对于不规则图形，通过以下方法进行电子围栏的设置并判断是否在电子围栏内：
首先，在输入点的位置时，每相邻的两个点构成向量
计算出夹角∠A0：
如果∠A0≥90°，同时所有的夹角都大于90°，则认为该图形为凸多边形，使用式(I)判断点是否在图形内部：
如果出现∠A0＜90°，则认为该图形为凹多边形，使用射线法进行判断，包括步骤如下：
①通过相邻点计算所在直线的方程，如式(II)所示：
②比较目标点是否和各顶点重合；
③将目标点坐标代入式(Ⅱ)得到的直线方程，判断是否在边界上；
④过目标点构建水平直线方程，然后取该点的任意一端计算和多边形边界的交点数，如果是奇数，则在图形内部，否则在外部。
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