多頻RFID組合人員定位系統(tǒng)在智能監(jiān)獄管理中的應(yīng)用

引言

智能監(jiān)獄管理系統(tǒng)是一種集管理、防范、控制于一體的 管理系統(tǒng)，它能夠把監(jiān)獄中的所有人員（包括犯人和獄警）的 信息與管理系統(tǒng)中的人員信息一一對(duì)應(yīng)，并實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)、可靠 地識(shí)別監(jiān)獄犯人、獄警所在的位置和狀態(tài)，目的是對(duì)各類突 發(fā)事件做到預(yù)知、預(yù)判、預(yù)防、預(yù)警和有效處置。通過(guò)這套 系統(tǒng)，管理人員可以實(shí)時(shí)掌握監(jiān)獄各區(qū)域內(nèi)犯人和獄警的數(shù) 目、位置及運(yùn)動(dòng)狀態(tài),最大程度地保障獄警和犯人的人身安全。 結(jié)合視頻采集系統(tǒng)形成視頻聯(lián)動(dòng),能使管理人員在異常事偉犯 人脫逃、獄警主動(dòng)報(bào)警等）發(fā)生時(shí)直觀、便捷地掌握現(xiàn)場(chǎng)情況， 迅速做出反應(yīng)，并提供事件發(fā)生時(shí)的準(zhǔn)確位置、周邊獄警分 布情況，以及事件發(fā)生后相關(guān)人員的運(yùn)動(dòng)軌跡等資料，提高 對(duì)異常事件的處理效率。從整體上降低管理人員的工作強(qiáng)度, 提高監(jiān)獄智能化程度，提升監(jiān)獄管理水平。

在智能監(jiān)獄管理系統(tǒng)中，最重要的就是人員定位系統(tǒng), 它能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確地向管理人員提供監(jiān)獄內(nèi)所有人員的位置信 息，是整套管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)。人員定位系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)采用多頻 RFID （Radio Frequency Identification）組合定位方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。 RFID是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，其基本原理是利用 射頻信號(hào)的空間耦合（電感或電磁耦合）或反射的傳輸特性, 實(shí)現(xiàn)對(duì)被識(shí)別物體的自動(dòng)識(shí)別，使用接收到的信號(hào)強(qiáng)度RSS （Received Signal Strength）（與后文不符，問(wèn)作者）或者時(shí)間（時(shí) 間差），通過(guò)一定的定位算法來(lái)確定待測(cè)物體的空間位置。本 定位系統(tǒng)是2.4 GHz與125 kHz組合定位的定位方式，是利用 2.4 GHz讀寫器確定目標(biāo)標(biāo)簽所在的大致范圍，配合125 kHz 低頻輔助設(shè)備近距離精準(zhǔn)定位，從而大大提高了定位精度和 實(shí)時(shí)性。

1智能監(jiān)獄管理系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

根據(jù)監(jiān)獄管理的實(shí)際需要，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)全天候的全 局監(jiān)控、實(shí)時(shí)點(diǎn)名、跟蹤定位、異常報(bào)警、視頻聯(lián)動(dòng)、軌跡回 放、設(shè)備統(tǒng)計(jì)、歷史資料查詢等一系列功能。

1.1智能監(jiān)獄管理系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)

智能監(jiān)獄管理系統(tǒng)定位識(shí)別的硬件設(shè)備主要由雙頻電子 標(biāo)簽（犯人和獄警佩戴）、2.4 GHz讀寫器、低頻輔助設(shè)備、 數(shù)據(jù)采集服務(wù)器、數(shù)據(jù)處理服務(wù)器、監(jiān)控終端和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu) 成。系統(tǒng)設(shè)備可以根據(jù)監(jiān)獄不同區(qū)域的大小和特點(diǎn)有針對(duì)性地 配置。監(jiān)獄管理系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

1.2智能監(jiān)獄管理系統(tǒng)的工作原理

智能監(jiān)獄管理系統(tǒng)的工作原理，是在每一個(gè)獄警身上攜 帶一個(gè)卡式電子標(biāo)簽，犯人攜帶腕式電子標(biāo)簽。當(dāng)電子標(biāo)簽 攜帶者進(jìn)入低頻輔助設(shè)備的激活范圍內(nèi)被激活時(shí)，標(biāo)簽發(fā)出 含有標(biāo)簽ID、低頻輔助設(shè)備ID、RSSI值等信息的2.4 GHz 無(wú)線信號(hào)，讀寫器接收到信號(hào)之后，通過(guò)以太網(wǎng)或者光纜，!低頻輔 助設(shè)備低頻輔 助設(shè)備傳送到監(jiān)獄監(jiān)控中心服務(wù)器，標(biāo)簽的信息存儲(chǔ)在服務(wù)器的數(shù) 據(jù)庫(kù)內(nèi)。讀寫器每天24小時(shí)不間斷地對(duì)在其覆蓋范圍內(nèi)的標(biāo) 簽進(jìn)行讀取，監(jiān)控中心服務(wù)器實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、算法定位, 分析報(bào)警等。同時(shí)在監(jiān)控中心的顯示屏上顯示，進(jìn)行跟蹤和定 位。如果犯人越界、出現(xiàn)異常行為，或者獄警主動(dòng)報(bào)警，系 統(tǒng)都會(huì)立即發(fā)現(xiàn)并且報(bào)警。

2基于多頻RFID組合人員定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在本多頻RFID組合定位系統(tǒng)中，采用125 kHz頻率觸 發(fā)進(jìn)行近距離精確定位、2.4 GHz頻率遠(yuǎn)距離識(shí)別和上傳數(shù)據(jù) 的方式，采集低頻125 kHz頻段的RSSI值和2.4 GHz頻段的 RSSI值，通過(guò)處理所接收到的信號(hào)強(qiáng)度RSSI的定位方法來(lái) 實(shí)現(xiàn)定位，因此從很大程度上提高了系統(tǒng)的定位精度。

2.1多頻RFID的組合人員定位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于多頻RFID的組合定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上由RFID讀寫器、 低頻輔助設(shè)備和電子標(biāo)簽等組成，其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2多頻RFID組合人員定位系統(tǒng)的工作原理

在平時(shí)情況，RFID電子標(biāo)簽處于休眠狀態(tài)不工作，不向 外界發(fā)出信號(hào)，只有當(dāng)它進(jìn)入低頻輔助設(shè)備的激活范圍內(nèi)時(shí), 標(biāo)簽才能被激活開始工作。因?yàn)榈皖l輔助設(shè)備的激活距離是 有限的，它只能在短距離小范圍內(nèi)激活電子標(biāo)簽，所以，可以 以已知位置的低頻輔助設(shè)備為標(biāo)志點(diǎn)，按照需求以一定的距離 為間隔安裝低頻輔助設(shè)備，然后在較大區(qū)域內(nèi)用2.4 GHz讀 寫器進(jìn)行遠(yuǎn)距離識(shí)別并讀取標(biāo)簽發(fā)送的信號(hào)，將其中的數(shù)據(jù) 信息經(jīng)過(guò)處理后以數(shù)據(jù)包的形式通過(guò)有線或者無(wú)線的方式將 信號(hào)上傳到后臺(tái)管理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。這樣，系統(tǒng)就完成 了整個(gè)信號(hào)的采集、傳輸、處理、應(yīng)用的整個(gè)過(guò)程。

2.3 2.4 GHz讀寫器的設(shè)計(jì)

2.3.1讀寫器的工作原理

讀寫器（Reader）是整個(gè)RFID定位系統(tǒng)中最重要的設(shè)備。 讀寫器在定位系統(tǒng)中的作用是遠(yuǎn)距離地讀取并識(shí)別電子標(biāo)簽中 所保存的電子數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)上傳給上位機(jī)進(jìn)行處理，從而 達(dá)到自動(dòng)識(shí)別物體并確定位置的目的。讀寫器的功能包括和上 位機(jī)（PC機(jī)或者平板電腦）相連，接收和處理上位機(jī)發(fā)送過(guò) 來(lái)的命令；通過(guò)天線發(fā)送電磁波，激活標(biāo)簽；通過(guò)天線接收 標(biāo)簽信息;將讀取并初步處理后的標(biāo)簽信息發(fā)送給上位機(jī)等。

CC2530 收發(fā)器

在人員定位系統(tǒng)中，CC2530負(fù)責(zé)讀寫器2.4 GHz射頻 信號(hào)的收發(fā)。CC2530是由TI公司生產(chǎn)的一款低功耗射頻芯 片，是真正能獨(dú)立工作的片上系統(tǒng)（SoC）。其CPU能有效 地管理模擬和數(shù)字外設(shè)，可以關(guān)閉單個(gè)或全部外設(shè)以節(jié)省功 耗；Flash存儲(chǔ)器還具有在系線重新編程能力，既可用作程 序存儲(chǔ)器，又可用作于非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)應(yīng)用程序；可以使 用MOVC和MOVX指令對(duì)Flash進(jìn)行讀或改寫。CC2530結(jié) 合了領(lǐng)先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051 CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8 KB RAM和許多其它強(qiáng)大的功能。 通過(guò)開啟集成在調(diào)制解調(diào)器上的前向誤差校正選項(xiàng)，能使性 能得到提升。CC2530為數(shù)據(jù)包處理、數(shù)據(jù)緩沖、突發(fā)數(shù)據(jù)傳 輸、清晰信道評(píng)估、連接質(zhì)量指示和電磁波激發(fā)提供廣泛的 硬件支持。CC2530具有不同的運(yùn)行模式，使得它特別適合超 低功耗要求的系統(tǒng)。運(yùn)行模式之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間短，進(jìn)一步確 保了低能源消耗。

CC2530單片機(jī)在接收時(shí)，首先對(duì)單片機(jī)的接口進(jìn)行初始 化，初始化完成后進(jìn)行無(wú)線接收，等信息接收完畢后對(duì)接收 到的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證處理，若不正確則返回接收階段繼續(xù)接收 數(shù)據(jù)，若正確則將正確數(shù)據(jù)發(fā)送至網(wǎng)口，本次接收完畢。

STC90LE58RD 與 W5100 器件接口

在人員定位系統(tǒng)中，STC90LE58RD和W5100負(fù)責(zé)讀寫 器數(shù)據(jù)的傳輸。

STC90LE58RD是由宏晶科技（STC micro）推出的一 款超強(qiáng)抗干擾、高速、低功耗的單片機(jī)，它具有32 KB的 FLASH ROM，1 280 B 的 SRAM，29 KB 的 EEPROM，尤其 適合低功耗系統(tǒng)。

W5100是由WIZnet公司生產(chǎn)的一款多功能固件網(wǎng)絡(luò)接口 芯片，內(nèi)部集成有10/100M以太網(wǎng)控制器，主要使用在高集 成、高穩(wěn)定、高性能和低成本的嵌入式系統(tǒng)中。使用W5100 可以實(shí)現(xiàn)沒有操作系統(tǒng)的Internet連接。W5100內(nèi)部集成了 TCP/IP協(xié)議棧、以太網(wǎng)介質(zhì)傳輸層（MAC）和物理層（PHY）。 硬件 TCP/IP 協(xié)議棧支持 TCP、UDP、IPv4、ICMP, ARP、 IGMP、PPPoE和Ethernet等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。W5100可以與4個(gè)獨(dú) 立的端口（Sockets）同時(shí)連接，使用W5100時(shí)不需要考慮以 太網(wǎng)的控制，只需要進(jìn)行簡(jiǎn)單的端口編程。

STC90LE58RD和W5100之間通過(guò)SPI接口進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn) 通信，不需要進(jìn)行尋址操作，且為全雙工通信，顯得簡(jiǎn)單高效。 在本系統(tǒng)中，STC90LE58RD控制W5100工作在TCP服務(wù)器 模式下，其處理流程圖如圖3所示。

2.4低頻輔助設(shè)備

本組合定位系統(tǒng)采用的低頻輔助設(shè)備的中心頻率為 125 kHz,作用是喚醒電子標(biāo)簽和進(jìn)行輔助定位，是系統(tǒng)的重 要組成部分。低頻輔助設(shè)備包括低頻信號(hào)發(fā)射模塊和控制模 塊兩個(gè)部分：低頻輔助設(shè)備能夠激活處于作用范圍內(nèi)的電子標(biāo) 簽，向標(biāo)簽發(fā)送指令或數(shù)據(jù)；同時(shí)它還可以按照規(guī)定的通信 協(xié)議與讀寫器進(jìn)行通信，通過(guò)讀寫器對(duì)低頻輔助設(shè)備的工作 模式和工作狀態(tài)進(jìn)行配置。

低頻輔助設(shè)備主動(dòng)發(fā)射連續(xù)125 kHz低頻脈沖信號(hào)（載 波數(shù)據(jù)中含該低頻輔助設(shè)備ID）；對(duì)應(yīng)的電子標(biāo)簽一直保持接 收狀態(tài)，當(dāng)收到某低頻輔助設(shè)備的激活信號(hào)時(shí)，其低頻處理 芯片將解析出該低頻輔助設(shè)備ID,同時(shí)檢測(cè)出信號(hào)的RSSI值, 然后喚醒并把該RSSI值傳入MCU單片機(jī)，接著打開內(nèi)部的 2.4 GHz無(wú)線射頻芯片，進(jìn)行一次強(qiáng)信號(hào)發(fā)射（無(wú)線發(fā)射的數(shù) 據(jù)包中含標(biāo)簽ID、低頻輔助設(shè)備ID以及RSSI值）。該電子 標(biāo)簽所處覆蓋范圍內(nèi)的讀寫器將收到該標(biāo)簽以2.4 GHz頻段 發(fā)射的數(shù)據(jù)包，從中解析出標(biāo)簽ID和低頻輔助設(shè)備ID以及 RSSI值，再加上讀寫器ID,重新打包成數(shù)據(jù)包后立刻上傳到 上位機(jī)。

低頻輔助設(shè)備可判斷電子標(biāo)簽經(jīng)過(guò)的地方，也就是低頻 輔助設(shè)備所在的物理位置。如果在門禁處安裝低頻輔助設(shè)備, 可以根據(jù)標(biāo)簽被激活的ID的先后順序做出進(jìn)出判斷；若在樓 梯拐角處安裝低頻輔助設(shè)備，則可以精確地判定電子標(biāo)簽所處 的樓層。如果把多臺(tái)低頻輔助設(shè)備組合起來(lái)形成網(wǎng)絡(luò)，那么在 它們的覆蓋范圍內(nèi)，根據(jù)標(biāo)簽實(shí)時(shí)上傳的RSSI值可以進(jìn)行精 準(zhǔn)的位置判定。

本系統(tǒng)所使用的低頻輔助設(shè)備共配有4路天線，每2路 為1對(duì)，這2對(duì)天線均為正交天線，每對(duì)天線的激活半徑為3.5 m。天線若并列布設(shè)可最多覆蓋14 m長(zhǎng)7 m寬的范圍。如果 需要更大的激活范圍，可以把多臺(tái)低頻輔助設(shè)備組網(wǎng)；反之, 若需要縮小激活范圍，則可以通過(guò)減小低頻輔助設(shè)備的發(fā)射 功率或降低電子標(biāo)簽的接收靈敏度來(lái)實(shí)現(xiàn)。另外，天線的選 型和排布方式會(huì)對(duì)定位效果產(chǎn)生很大的影響。

2.5電子標(biāo)簽

在本RFID組合定位系統(tǒng)中，電子標(biāo)簽由天線、2.4 GHz 射頻發(fā)射電路以及125 kHz低頻喚醒電路三部分組成。電子 標(biāo)簽的工作方式為主動(dòng)模式和被動(dòng)模式并存：標(biāo)簽主動(dòng)發(fā)射 2.4 GHz信號(hào)，同時(shí)也可以被讀寫器或125 kHz低頻輔助設(shè)備 觸發(fā)發(fā)射2.4 GHz信號(hào)。電子標(biāo)簽的發(fā)射信道和發(fā)射頻次都可 以調(diào)節(jié)。當(dāng)電子標(biāo)簽進(jìn)入低頻輔助設(shè)備的覆蓋范圍時(shí)，它就會(huì) 被一直主動(dòng)近距離發(fā)射125 kHz低頻激活信號(hào)的低頻輔助設(shè) 備所激活，獲取到該低頻輔助設(shè)備的ID、計(jì)算出對(duì)應(yīng)的RSSI 值，隨后它會(huì)將標(biāo)簽ID、標(biāo)簽狀態(tài)信息、低頻輔助設(shè)備ID、 RSSI值等數(shù)據(jù)打包，并以2.4 GHz頻率無(wú)線發(fā)射出去。附近 的讀寫器在接收到標(biāo)簽的數(shù)據(jù)之后，經(jīng)過(guò)校驗(yàn)、處理，然后 通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口將數(shù)據(jù)上傳給上位機(jī)，上位機(jī)通過(guò)使用合適的 定位算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而得到電子標(biāo)簽的估計(jì)位置。

3多頻RFID組合人員定位系統(tǒng)在智能監(jiān)獄管理中的應(yīng)用

為了驗(yàn)證定位效果，我們使用多頻組合RFID定位系統(tǒng) 和單一 2.4 GHz頻段RFID定位系統(tǒng)分別做了實(shí)地測(cè)試，采集 并記錄了定位數(shù)據(jù)。

3.1多頻RFID組合定位系統(tǒng)在監(jiān)獄項(xiàng)目中的定位精度

根據(jù)在項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)所采集到的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)篩選和處理, 可以得到如圖4所示的定位結(jié)果。

從圖4中曲線的變化趨勢(shì)，可以得出如下結(jié)果：

（1）在電子標(biāo)簽距離讀寫器0?10 m的范圍內(nèi)組合定位 系統(tǒng)的精度可達(dá)1 m左右，尤其是在低頻輔助設(shè)備的作用區(qū)域 內(nèi)定位精度高達(dá)0.4?0.6 m,效果明顯優(yōu)于只使用2.4 GHz

單一頻段定位方法的效果。在大于10 m的范圍內(nèi)組合定位系

統(tǒng)的精度有所下降,但效果仍優(yōu)于2.4 GHz單一頻段定位方法。 這說(shuō)明基于多頻的組合定位系統(tǒng)在定位精度方面較單一定位系 統(tǒng)有了很大的提升。

(2)不論是組合RFID定位方法還是單一頻段RFID定 位方法，定位誤差都隨與讀寫器距離的增加而增大，這說(shuō)明, RFID定位的方法在特定范圍較小的場(chǎng)合精度比較高、定位效 果好，從成本上考慮的話，一般只適用于室內(nèi)定位等;在大面 積的寬闊區(qū)域，若要取得比較好的定位效果，需要安裝的設(shè) 備比較多，相應(yīng)的成本也會(huì)很高，否則的話定位精度不能滿足 人們的要求，這體現(xiàn)了基于RFID定位系統(tǒng)應(yīng)用的局限性。

3.2多頻RFID組合定位系統(tǒng)在監(jiān)獄項(xiàng)目中的實(shí)時(shí)性

通過(guò)測(cè)試基于多頻的組合定位系統(tǒng)和單一頻段2.4 GHz 定位系統(tǒng)在不同數(shù)量標(biāo)簽同時(shí)工作時(shí)的時(shí)延數(shù)據(jù)，可以繪制圖 5所示的關(guān)系圖。

由圖5中的曲線可以看到：

(1)多頻組合定位系統(tǒng)的傳輸時(shí)延一直優(yōu)于單一定位系統(tǒng), 并且隨著標(biāo)簽數(shù)目的增加，二者之間的差距越來(lái)越大，多頻 組合定位系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)能夠體現(xiàn)的更加明顯。這說(shuō)明基于多頻的 組合定位系統(tǒng)在實(shí)時(shí)性方面較單一定位系統(tǒng)有了很大的提升。

( 2)隨著標(biāo)簽數(shù)目的增加，系統(tǒng)的傳輸時(shí)延越來(lái)越大， 并且保持一種不斷增大的趨勢(shì)，這會(huì)對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性 都造成不可估量的影響。

4結(jié)語(yǔ)

基于多頻RFID組合人員定位系統(tǒng)，在智能監(jiān)獄管理的 應(yīng)用中的表現(xiàn)優(yōu)于多種其他定位方法，并具有性能穩(wěn)定、定位 精確、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中便于安裝 和使用，具有很好的示范意義和推廣價(jià)值。

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