物联网执法记录仪硬件系统设计
时间：2023-02-25 15:15:06 来源：千叶帆 本文已影响人
蒋逸凡，高谷刚，徐金林，戴禀哲
（江苏警官学院 计算机信息与网络安全系，江苏 南京 210031）
2016年颁布的《公安机关现场执法视音频记录工作规定》中要求对六种现场执法活动进行视音频记录。但现有执法记录仪的质量影响了证据的法律效力，存在光照环境适应范围较窄、无线通信稳定性和智能性不足的问题[1-3]。本文针对性地从摄像头、通信和定位功能等方面对执法仪硬件系统进行了改进，并且利用物联网技术提升了数据采集的智能化水平，为今后利用人工智能技术进行深度信息提取提供基础。
本文实现的执法记录仪硬件系统采用了树莓派（Raspberry Pi）4B作为主控模块，搭建包含双目SH200摄像头模块、带触屏功能的7寸LCD液晶屏、MicroSD储存卡、GPS和5G一体模块等在内的硬件平台。总体硬件系统框图如图1所示。
图1 总体硬件系统框图
主控平台通过USB连接双目SH200摄像头，视频输出格式为MP4，并将视频文件压缩后存储到MicroSD卡内。GPS和5G一体模块可以获得视频拍摄的时间、GPS经纬度定位信息，用于完善视频采集的背景信息；
同时该模块连接OneNET物联网平台，将视频文件的GPS信息上传到物联网，并在物联网平台进行定位。主控模块还会对视频文件数据和辅助数据进行Hash值计算，获得视频数据最终指纹信息。物联网Web端管理和基于以太坊的区块链系统将文件指纹信息Hash值进行上链存储。视频文件原始数据根据需要实时或延后上传，减少现场通信带宽压力。
2.1 Raspberry Pi主控单元
2019年6月上市的树莓派4B采用四核64位的ARM CortexA72架构CPU，型号为博通BCM2711 SoC，主频达1.5 GHz，最高支持以60 fps速度刷新的4K分辨率双显示器接口，最高支持4 GB RAM，支持2.4/5.0 GHz双频无线LAN、蓝牙5.0/BLE、千兆以太网，配备2个USB3.0和2个USB2.0接口，标准40针GPIO支持多种串行通信协议和不同外设，大幅提升硬件处理性能，同时大大降低了系统的成本。
树莓派（Raspberry Pi）4B开发板内置Linux系统，支持Python和JAVA等编程语言，适合本控制系统部署[4]。系统中主要负责外设间调度，调用摄像头模块录制并保存音视频，获取时间和GPS信息，计算视频文件指纹信息，使用5G通信模块与物联网平台进行通信等。
2.2 双目摄像头模块
双目SH200宽动态红外测距摄像头模块由一个常规RGB摄像头与一个近红外摄像头组成。该摄像头可以广泛应用于各类计算机视觉应用中，利用可见光与红外摄像头获取人像差异的方式来实现活体人脸检测[5]。
使用双目摄像头可以确保记录仪适应不同执法环境，全天候照明情况下都能够清晰记录警务人员执法过程。该模块通过USB与树莓派进行通信，为简化操作摄像头模块，使用开源跨平台计算机视觉和机器学习软件库OpenCV[6]和Python语言进行功能开发。OpenCV是一个基于Apache2.0许可（开源）发行的跨平台计算机视觉和机器学习软件库，具有轻量级、功能强大等特点，可以对图片、视频等文件进行智能化处理。
双摄像头在OpenCV分别被实例化，考虑视频清晰度与存储尺寸，采集画面大小设定为640×480，帧率为30帧，输出格式为MP4，可以根据实际需要重新设置。摄像头的配置代码如下：
为了降低功耗，主控会对两个摄像头进行选择性调用。在环境光照充足的情况下，主控调用RGB摄像头录制视频；
当环境照明不足时，主控调用近红外摄像头进行照明。当环境光照情况介于两个摄像头感光参数之间时，主控需要同时开启RGB摄像头与近红外摄像头，以此来保证在RGB摄像头拍摄不清晰的情况下，近红外摄像头能够另行录制一段视频，辅助警务人员更加顺利地完成执法过程的信息采集。为了保证两个摄像头同时开启，并实现实时同步，可以使用Python的Threading库，对两个摄像头进行双线程调用。由于主控端树莓派是单核Linux系统，所以Python双线程的本质是并发，而非真正的并行，不过这并不影响拍摄。
2.3 GPS与5G通信模块
定位与通信模块选择使用安信可5G NB-IoT+GPS（北斗）双模定位模块EC-01G。其中NB-IoT采用的主芯片为EC616S，该芯片具有超高集成度、支持超低功耗、完全支持 3GPP Rel14 NB-IoT 标准的特点，是一款超高性价比的NB-IoT芯片。该模块可以同时实现定位、联网双功能，降低成本的同时也能减少主控板接口需求。
为实现主控芯片与模块之间的交互，采用C语言进行相关代码开发。在Linux操作系统下直接操控主控板引脚，可以使用WiringPi GPIO控制库函数[7]提供的API接口。使用UART协议与模块进行通信，波特率设置为9 600 b/s。主控使用AT通用指令集以及安信可公司自定义扩展指令集对模块发送指令，实现GPS获取；
并通过MQTT协议向物联网平台上传数据，该协议消息体积小、通信成本低、能量消耗少，适合在结构各异的系统间进行消息传递[8]。主要调用流程代码如下：
中国移动物联网开放平台（OneNET）是中移物联网有限公司基于物联网技术和产业特点打造的开放平台，支持MQTT、EDP、Modbus等十多种主流的物联网协议[9]，支持各类传感器和智能硬件的快速接入、图片和视频数据的上传及使用，提供丰富的API和应用模板以支持各类行业的应用和智能硬件的开发，能够有效降低物联网应用开发和部署成本，满足物联网领域设备连接、协议适配、数据存储、数据安全、大数据分析等平台级服务需求。将GPS定位数据上传至OneNET平台，可以显示记录仪运行轨迹，如图2所示。
图2 GPS轨迹图
主控需要对视频文件进行两步Hash值计算生成视频文件指纹，首先对音视频文件数据计算Hash值，然后再对文件摄制时间、摄制时GPS数据与第一步计算求得的Hash值进行第二次Hash值计算，并将该值作为对应视频文件的最终文件指纹，将文件指纹信息也上传至OneNET平台。该机制能够保证视频文件的唯一性，防止对视频文件数据的伪造、篡改，有助于提升执法民警的公信力。主要代码如下：
本文提出一种采用物联网技术的警用执法仪硬件系统设计，利用双目摄像头适应全天候光照环境，采用5G NBIoT+GPS（北斗）双模定位模块降低成本、增大通信带宽的同时提升了通信的稳定性，方便了数据管理，提升了系统智能水平。下一步将对镜头系统进一步优化，利用鱼眼摄像头[10]提供更大取景视角，全面取证同时保护执法人员的安全。
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