技术领域
[0001] 本
发明属于紧急救援及
位置定位技术领域，涉及一种社区巡逻人员全方位搜救系统及定位方法。
背景技术
[0002] 近年来边疆地区暴
力恐怖事件频繁发生，对地区各民族和睦共处、长治久安带来了极大的维稳压力。面对边疆地区反恐维稳的严峻形势，社区的安全巡逻和维稳服务已经成为常态。为保护执勤在社区一线的民警和社区巡逻人员的生命安全，如何准确、及时地获取和
跟踪巡逻人员的位置，如何让巡逻人员在面临危险和被困的情况下仍然有报警呼救的机会，如何解决巡逻人员在无GPS
信号环境下的准确定位与搜救等问题，目前还没有一种有效的技术手段与系统。
[0003] 为了保障社区巡逻人员的安全，通常会为其配备具有报警功能的定位装置。目前的定位与报警装置多采用具有GPS芯片的手机、
平板电脑等作为
软件载体，当危险发生后按动屏幕上的SOS按钮，以软件方式实现报警。市场上也有少数通过腕表等
硬件进行SOS报警的定位产品。软件报警方式受软件启动速度慢和装置体积偏大的影响，不利于携带，也不适合在紧急情况下的报警呼救。而硬件报警方式虽然能快速地按动SOS按钮实现报警，但在极端情况下，如巡逻人员无察觉地被恐怖分子所控制，根本没有机会主动按下SOS按钮，这种主动、显式的硬件报警方式也不能有效、及时地将险情传送出去。因此，急需一种能识别危险情况，以被动、隐式的方式结合
硬件实现快速隐蔽报警，提高巡逻人员的生存几率。
[0004] 另一方面，目前市面上的定位装置大都基于GPS信号定位，虽然在室外有GPS信号
覆盖的情况下能取得良好的定位效果，但在室内没有GPS信号覆盖的情况下却显得无能为力。因此也需要一种精确的室内定位技术来弥补GPS定位不能覆盖室内的
缺陷。现有室内定位系统主要依靠红外线、
超声波、蓝牙室内定位，
射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)、超宽带(Ultra Wide Band,UWB)和Wi-Fi等无线技术组成无线
传感器网络，网络
节点称为
锚点(Anchor)，而被定位对象通过佩戴的标签(Tag)与锚点通信，采用TOF/TOA/TDOA等
算法来计算被定位对象相对于锚点的位置。不难理解，在现有室内定位系统中，标签的位置是相对的，需要参考锚点的位置。如果采用现有的室内定位技术，必须在特定的区域事先布置好锚点和
无线传感器网络。针对巡逻社区覆盖面积大、地形复杂、恐怖犯罪势力广泛存在且容易破坏
基础设施的情况下，预先安装锚点及其无线传感器网络是不可行的方案。因此急需一种不依赖预先布置锚点，而通过现场实时快速搭建室内定位系统的技术方案和系统。
发明内容
[0005] 有鉴于此，本发明的目的在于提供一种社区巡逻人员全方位搜救系统及定位方法，该方法能克服目前在实现社区巡逻人员精确定位的广域无缝覆盖，自动、隐蔽报警和在无GPS信号情况下快速定位和搜救的缺陷和不足，可以实现显式报警和自动隐式报警，能有效的实现对巡逻人员全社区的无缝定位，且无需预先布置锚点及其无线传感网络。
[0006] 为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
[0007] 一种社区巡逻人员定位方法，通过以下步骤实现巡逻人员在巡逻过程中的室内室外无缝定位：
[0008] 步骤一：巡逻人员在巡逻过程中携带定位装置，所述定位装置具有卫星定位功能，巡逻人员在社区巡逻时，定位装置实时对巡逻人员进行卫星定位，保证监控中心时刻都能收到巡逻人员在社区内的具体位置；
[0009] 步骤二：巡逻人员在情况需要时，通过定位装置上的GSM模
块向监控中心发送报警信息；
[0010] 步骤三：定位装置上的GSM模块在向监控中心发出报警信号和巡逻人员所处位置卫星定位信息的同时，定位装置上的测距模块开始工作，发出无线测距信号；
[0011] 步骤四：监控中心根据接收到的位置信息对巡逻人员进行定位，并及时组织搜救人员进行搜救，搜救人员到达出事地点，将车载基站停在适当位置，此时，若巡逻人员仍处在室外即可根据显示的卫星定位位置信息找到巡逻人员并制定策略进行营救；
[0012] 步骤五：若此时巡逻人员已处在室内，则搜救人员的手持机和车载基站开始工作，接收定位装置发送的无线测距信号；
[0013] 步骤六：根据接收到的无线测距信号，通过步进定位算法对巡逻人员进行定位；
[0014] 步骤七：根据搜救人员手持机上显示的巡逻人员的室内位置信息制定策略进行营救。
[0015] 进一步，在步骤二中，巡逻人员可以通过两种方式通过定位装置向监控中心发送报警信息，这两种方式包括：
[0016] 1)显式报警方式：巡逻人员遇到危险或需要求助时可主动按下定位装置上的报警按钮向监控中心报警；
[0017] 2)隐式报警方式：当巡逻人员未来得及按下报警按钮已被歹徒控制的情况下，定位装置自动向监控中心发送报警信息。
[0018] 进一步，所述隐式报警是通过巡逻人员身体的移动使定位装置中的
加速度检测模块获得一个加速度，从而自动激发报警。
[0019] 进一步，在步骤六中，所述步进定位算法，是以车载基站作为参考点，实时计算搜救人员与车载基站的距离以及搜救人员每次行走的方向，这样计算出搜救人员相对于车载基站的位置，由于车载基站的位置是已知的，从而实现了对搜救人员的定位；测出巡逻人员与搜救人员和车载基站两两之间的距离，通过求出的距离计算出巡逻人员的位置坐标，从而实现对巡逻人员的定位。
[0020] 进一步，所述步进定位算法具体包括以下步骤：
[0021] S1：先将三维空间坐标的计算转化为二维平面坐标的计算；具体实现为：
[0022] S1-1：以车载基站作为原点建立
坐标系，将搜救人员和巡逻人员所处位置投影到车载基站所在
水平面；
[0023] S1-2：计算搜救人员、巡逻人员的投影在二维平面的坐标；
[0024] S2：搜救人员、巡逻人员投影的坐标计算方法为：
[0025] S2-1：实时计算搜救人员与车载基站的距离，以及搜救人员每次行走的方向与坐标系x轴正向的夹
角；
[0026] S2-2：通过测得的距离计算出搜救人员的投影与车载基站的距离，通过测得的投影距离和夹角计算出搜救人员投影的二维坐标；其中，距离和行走方向与x轴正向的夹角分别通过手持机上的测距模块和
磁阻传感器测得；
[0027] S2-3：实时计算巡逻人员与车载基站和搜救人员的距离；
[0028] S2-4：通过测出的巡逻人员与基站和搜救人员的距离计算出巡逻人员的投影与车载基站和搜救人员投影的距离，通过该距离计算出巡逻人员投影在二维平面的坐标；其中，巡逻人员与车载基站和搜救人员的距离通过定位器的测距模块测得；
[0029] S3：计算出搜救人员、巡逻人员投影的二维坐标后，再通过气压高度仪测得搜救人员和巡逻人员的高度，得出其三维坐标，从而实现对搜救人员和巡逻人员的三维定位。
[0030] 本发明还提供了一种社区巡逻人员全方位搜救系统，该系统包括巡逻人员随身携带的定位器、搜救人员携带的手持机、用于现场实时快速搭建室内定位系统的车载基站、远程监控中心；
[0031] 所述定位器包括：用于对巡逻人员进行室外定位的GPS模块、用于与监控中心进行通信的GSM模块、用于测量巡逻人员与车载基站及搜救人员手持机的距离的测距模块、用于实现显式报警的SOS按键、用于测量巡逻人员所处高度的高度仪模块及MCU模块，MCU模块用于分析计算各个模块发送过来的数据，和向各个模块发出相应的指令；
[0032] 所述手持机用于搜救人员进行室内搜救，包括：用于和监控中心通信的GSM模块、用于测量与车载基站及巡逻人员定位器的距离测距模块、用于测量搜救人员每次行走的方向与建立的坐标系x轴正向夹角的磁阻传感器、实时显示巡逻人员所处位置及与车载基站的相对位置的显示模块、用于测量搜救人员所处高度的高度仪模块及MCU模块；
[0033] 传统的基站都是固定的，要对某区域进行定位必须在该地区建设一定数量的基站，本发明采用车载基站便于移动，对无基站地区同样可以进行定位，且采用了单基站定位方法，所述车载基站包括：用于对车载基站进行室外定位的GPS模块、用于与监控中心进行通信的GSM模块、用于测量与搜救人员及巡逻人员距离的测距模块、用于测量车载基站所处高度的高度仪模块及MCU模块；
[0034] 所述车载基站的另一个作用是，作为原点建立坐标系，以它作为参考点通过步进定位算法算出搜救人员所处的室内位置，实现对搜救人员的定位，再通过已知位置的手持机和车载基站对巡逻人员进行定位。
[0035] 监控中心，作为整个系统的中枢，分为前台和后台两个部分；前台用于接收定位器发来的SOS信号以及GPS数据，通过
服务器将GPS数据解析为相应的经纬度并纠偏，在地图上显示出巡逻人员的位置，将该位置信息发送给搜救人员的手持机，并指示搜救人员到该位置进行搜救。监控中心还可以进行巡逻人员移动路径跟踪、
电子围栏告警、危险评估和预警；后台主要用于搜救设备、人员、部
门、任务、地图及其信息的维护。
[0036] 巡逻人员在社区巡逻时，定位器中的GPS模块实时对巡逻人员进行卫星定位，保证监控中心时刻都能收到巡逻人员在社区内的具体位置；巡逻人员在情况需要时，通过定位器上的SOS按键和GSM模块主动向监控中心发送报警信息，同时，定位器上的测距模块开始工作，发出无线测距信号；监控中心根据接收到的位置信息对巡逻人员进行定位，并及时组织搜救人员进行搜救，搜救人员到达出事地点，将车载基站停在适当位置，此时，若巡逻人员仍处在室外即可根据显示的卫星定位位置信息找到巡逻人员并制定策略进行营救；若此时巡逻人员已处在室内，则搜救人员的手持机和车载基站开始工作，接收定位装置发送的无线测距信号；根据接收到的无线测距信号，通过步进定位算法对巡逻人员进行定位并根据搜救人员手持机上显示的巡逻人员的室内位置信息制定策略进行营救。
[0037] 进一步，所述定位器还包括用于实现隐式报警的加速度检测模块，在巡逻人员来不及手动按下SOS按键时，通过巡逻人员身体的移动(例如，身体摔倒)使定位装置中的加速度检测模块获得一个加速度，从而自动激发报警。
[0038] 本发明的有益效果在于：本发明采用单基站定位技术和一种新的室内定位算法：步进定位算法进行室内定位且不用预先在室内布置无线传感网络，大大减少了室内定位的复杂度，便于实现；本发明搜救系统的定位器具有双重报警功能，即显式报警和隐式报警，当巡逻人员无法实现显式报警的情况下可通过定位器的隐式报警功能向监控中心报警；本搜救系统实现了对巡逻人员的全社区室内外的无缝定位，保障巡逻人员遇到危险时能够得到及时的救助。
附图说明
[0039] 为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
[0040] 图1为本发明的定位器
实施例的结构图；
[0041] 图2为本发明的车载基站实施例的结构图；
[0042] 图3为本发明的手持机实施例的结构图；
[0044] 图5为步进定位算法流程图；
[0045] 图6为巡逻人员、搜救人员和基站的三维空间坐标示意图；
[0046] 图7为搜救人员在投影平面步行示意图，所述投影平面为基站所在的水平面。
具体实施方式
[0047] 下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
[0048] 巡逻人员携带的定位器的结构图如图1所示，在图1中，MCU模块分别与GSM模块、GPS模块、测距模块、高度仪模块、加速度模块通过相应串口进行通信，其中MCU模块、GSM模块与GPS模块通过充电模块进行供电。本实施例中，MCU模块采用的是STM32L151芯片，GSM模块采用的是SIM28芯片，GPS模块采用的是SIM800芯片，测距模块采用的是DW1000芯片，各个模块集成到一块PCB板上。当巡逻人员遇到危险或需要求助的时候通过按SOS按钮，或者通过使三轴加速度传感器获得一个加速度使其检测到异常从而通过MCU模块控制GSM模块向监控中心发送
求救信号和其位置信息。
[0049] 车载基站的结构图如图2所示，在图2中，MCU模块分别与GSM模块、GPS模块、测距模块、高度仪模块通过相应串口进行通信，其中MCU模块、GSM模块与GPS模块通过充电模块进行供电。本实施例中，MCU采用的是STM32L151芯片，GSM模块采用的是SIM28芯片，GPS模块采用的是SIM800芯片，测距模块采用的是DW1000芯片，各个模块集成到一块PCB板上。
[0050] 手持机的结构图如图3所示，在图3中，MCU模块分别与GSM模块、测距模块、气压高度传感器、磁阻传感器通过相应的串口进行通信，MCU模块计算得到的巡逻人员的位置信息显示在显示屏模块上，所述显示屏显示的位置信息包括，巡逻人员的具体位置坐标信息以及搜救人员的具体位置坐标信息，呈三维实时显示。其中MCU模块、GSM模块通过充电模块进行供电。本实施例中，MCU模块同样采用的是STM32L151芯片，GSM模块采用的是SIM28芯片，测距模块采用的是DW1000芯片，各个模块也同样集成在一块PCB板上。搜救人员通过手持机上显示的巡逻人员的位置信息对巡逻人员进行搜救。
[0051] 下面结合图4对本发明实施例的工作步骤作具体说明：
[0052] 401：巡逻人员开始巡逻，同时其携带的定位器开始工作；
[0053] 402：巡逻人员在社区巡逻时，定位器上的GPS模块实时对巡逻人员进行GPS定位，保证监控中心时刻都能收到巡逻人员在社区内的具体位置；
[0054] 403：巡逻人员遇到危险或需要求助时可按下定位器上的SOS按钮向监控中心报警，这种由巡逻人员主动按下SOS按钮的报警方式本发明称之为显式报警，与隐式报警相对应；
[0055] 404：当巡逻人员未来得及按下SOS按钮已被歹徒控制的情况下，可通过定位器的隐式报警功能向监控中心报警；
[0056] 进一步，隐式报警是通过巡逻人员身体的移动使定位器的加速度检测模块获得一个加速度，从而自动激发报警；
[0057] 需要说明的是，步骤403和步骤404并无先后顺序，403和404分别介绍了两种在不同情况下的报警方式，实现其中的任意一种都能完成报警功能；
[0058] 405：巡逻人员报警后，定位器上的GSM模块向监控中心发出报警信号以及巡逻人员所处的GPS位置信息，此时定位器上的测距模块开始工作，发出无线测距信号；
[0059] 406：监控中心根据收到GPS位置信息对巡逻人员进行定位；
[0060] 407：确定巡逻人员出事地点后，及时组织搜救人员进行营救；
[0061] 408：搜救人员到达出事地点，将车载基站停在适当位置，此时，若巡逻人员仍处在室外即可根据显示的GPS位置信息找到巡逻人员并制定策略进行营救；
[0062] 409：若此时巡逻人员已被歹徒控制在室内，手持机和车载基站开始工作，接收定位器发送的无线测距信号；
[0063] 410：通过步进定位算法对巡逻人员进行定位；
[0064] 411：根据手持机上显示的巡逻人员的位置信息制定策略进行营救。
[0065] 以上所述步进定位算法，是以车载基站作为参考点，实时计算搜救人员与车载基站的距离以及搜救人员每次行走的方向，这样计算出搜救人员相对于车载基站的位置，由于车载基站的位置是已知的，从而实现了对搜救人员的定位；测出巡逻人员与搜救人员和车载基站两两之间的距离，通过求出的距离计算出巡逻人员的位置坐标，从而实现对巡逻人员的定位。
[0066] 下面结合图5、图6、图7，对步进定位算法作详细说明：
[0067] 501：手持机、车载基站开始工作，步进定位算法程序被加载，开始运行。
[0068] 502：通过定位器、手持机和车载基站上的测距模块测得巡逻人员、搜救人员、车载基站(以下分别简称为L、S、B)两两之间的距离分别为e1，e2，e3。如图6所示，e1表示L与S之间的距离，e2表示L与B之间的距离，e3表示S与B之间的距离。以车载基站为原点建立坐标系，测出搜救人员每次行走方向与x轴正向的夹角θk。
[0069] 503：为减少计算复杂度，本发明将三维空间坐标的计算，通过投影转化为在二维平面上的计算，求出L、S、B在二维平面上的坐标后，再通过气压高度传感器测得其三维坐标；投影图如图6所示，L、S、B所处的高度分别为h，hk，h0，可通过气压高度传感器测得；L'，S'分别为L、S在以车载基站B为原点的水平面的投影，e'1，e'2，e'3分别为e1，e2，e3的投影，则：
[0070]
[0071] 504：根据求出的e'3和θk，再利用方程(2)(3)(4)即可求出搜救人员在投影平面的坐标S'(xk,yk)。
[0072] (其中，k＝1,2,3...) (2)
[0073]
[0074] 又∵
[0075] 进一步，搜救人员投影坐标S'(xk,yk)求解过程为：将方程(2)代入方程(3)中，再将得到的方程代入到方程(4)中，这样就得到一个关于dk的一元二次表达式，求出dk的值，再通过搜救人员的移动和两个对称点的对称特性以及距离的非负性，舍弃一个dk的值；如图7所示，dk表示搜救人员第k次所走的距离，θk表示搜救人员第k次步行的方向与x轴正向的夹角，(xk,yk)表示此时搜救人员在投影平面所处的位置，(xk-1,yk-1)表示上一时刻搜救人员所处的位置。求出dk后，根据方程(2)(3)即可求出搜救人员的二维坐标(xk,yk)。
[0076] 505：根据求出的e'1，e'2和求出的搜救人员在投影平面的二维坐标S'(xk,yk)，再利用方程(5)即可求出巡逻人员的投影坐标L'(x,y)
[0077] (其中，k＝1,2,3...) (5)
[0078] 进一步，其中，(x,y)为搜救人员的二维位置坐标；根据方程组(5)会得到两个解，这两个点关于基站与搜救人员投影坐标的连线对称，同样可根据搜救人员的不定向的移动和相关对称特性舍弃一个点，即可确定巡逻人员在投影平面的二维坐标L'(x,y)。
[0079] 506：求出搜救人员和巡逻人员在投影平面的二维坐标后，再根据气压高度传感器测得L、B、S的高度，即可求出三者的三维坐标：L(x,y,h-h0)、B(0,0,0)、S(xk,yk,hk-h0)。
[0080] 507：根据求出的L、B、S三者的坐标，手持机显示屏显示出三者的具体位置，搜救人员根据显示出来的巡逻人员的具体位置进行搜救。
[0081] 508：判断搜救是否结束，没有结束则程序跳到步骤502继续执行，搜救结束则步进定位算法结束。
[0082] 本算法可通过编程实现，该算法的流程图如图5所示，通过步进定位算法能准确快速地计算出搜救人员和巡逻人员的位置坐标，实现对搜救人员和巡逻人员的室内定位。当巡逻人员处于室外时可通过定位器上的GPS模块对其进行定位，从而实现了对巡逻人员全社区无缝定位，便于搜救。
[0083] 最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明
权利要求书所限定的范围。
