智能科技论文多频RFID组合人员定位系统的应用

　　智能监狱管理系统是一种集管理、防范、控制于一体的管理系统，它能够把监狱中的所有人员（包括犯人和狱警）的信息与管理系统中的人员信息一一对应，并实时、精准、可靠地识别监狱犯人、狱警所在的位置和状态，目的是对各类突发事件做到预知、预判、预防、预警和有效处置。通过这套系统，管理人员可以实时掌握监狱各区域内犯人和狱警的数目、位置及运动状态，最大程度地保障狱警和犯人的人身安全。

　　摘要：介绍了一种基于多频RFID组合的定位系统以及该人员定位系统在智能监狱管理中的应用。该人员定位系统包括读写器、低频辅助设备、电子标签、上位机等部分，能够完成监狱内部人员位置和状态检测、行为分析、实时和历史轨迹查询、视频联动等功能。

　　关键词：RFID,组合定位,智能监狱管理

　　0引言

　　结合视频采集系统形成视频联动，能使管理人员在异常事件（犯人脱逃、狱警主动报警等）发生时直观、便捷地掌握现场情况，迅速做出反应，并提供事件发生时的准确位置、周边狱警分布情况，以及事件发生后相关人员的运动轨迹等资料，提高对异常事件的处理效率。从整体上降低管理人员的工作强度，提高监狱智能化程度，提升监狱管理水平。

　　在智能监狱管理系统中，最重要的就是人员定位系统，它能够实时准确地向管理人员提供监狱内所有人员的位置信息，是整套管理系统的基础。人员定位系统的实现采用多频RFID（RadioFrequencyIdentification）组合定位方式来实现。RFID是一种非接触式的自动识别技术，其基本原理是利用射频信号的空间耦合（电感或电磁耦合）或反射的传输特性，实现对被识别物体的自动识别，使用接收到的信号强度RSS（ReceivedSignalStrength）（与后文不符，问作者）或者时间（时间差），通过一定的定位算法来确定待测物体的空间位置。本定位系统是2.4GHz与125kHz组合定位的定位方式，是利用2.4GHz读写器确定目标标签所在的大致范围，配合125kHz低频辅助设备近距离精准定位，从而大大提高了定位精度和实时性。

　　1智能监狱管理系统的总体设计

　　根据监狱管理的实际需要，该系统能够实现全天候的全局监控、实时点名、跟踪定位、异常报警、视频联动、轨迹回放、设备统计、历史资料查询等一系列功能。

　　1.1智能监狱管理系统的系统架构

　　智能监狱管理系统定位识别的硬件设备主要由双频电子标签（犯人和狱警佩戴）、2.4GHz读写器、低频辅助设备、数据采集服务器、数据处理服务器、监控终端和网络系统构成。系统设备可以根据监狱不同区域的大小和特点有针对性地配置。监狱管理系统的系统架构如图1所示。

　　图1监狱管理系统的系统架构

　　1.2智能监狱管理系统的工作原理

　　智能监狱管理系统的工作原理，是在每一个狱警身上携带一个卡式电子标签，犯人携带腕式电子标签。当电子标签携带者进入低频辅助设备的激活范围内被激活时，标签发出含有标签ID、低频辅助设备ID、RSSI值等信息的2.4GHz无线信号，读写器接收到信号之后，通过以太网或者光缆，传送到监狱监控中心服务器，标签的信息存储在服务器的数据库内。读写器每天24小时不间断地对在其覆盖范围内的标签进行读取，监控中心服务器实时进行数据处理、算法定位，分析报警等。同时在监控中心的显示屏上显示，进行跟踪和定位。如果犯人越界、出现异常行为，或者狱警主动报警，系统都会立即发现并且报警。

　　2基于多频RFID组合人员定位系统的设计

　　在本多频RFID组合定位系统中，采用125kHz频率触发进行近距离精确定位、2.4GHz频率远距离识别和上传数据的方式，采集低频125kHz频段的RSSI值和2.4GHz频段的RSSI值，通过处理所接收到的信号强度RSSI的定位方法来实现定位，因此从很大程度上提高了系统的定位精度。

　　2.1多频RFID的组合人员定位系统的结构设计

　　基于多频RFID的组合定位系统结构上由RFID读写器、低频辅助设备和电子标签等组成，其基本结构如图2所示。

　　图2多频RFID组合人员定位系统结构图

　　2.2多频RFID组合人员定位系统的工作原理

　　在平时情况，RFID电子标签处于休眠状态不工作，不向外界发出信号，只有当它进入低频辅助设备的激活范围内时，标签才能被激活开始工作。因为低频辅助设备的激活距离是有限的，它只能在短距离小范围内激活电子标签，所以，可以以已知位置的低频辅助设备为标志点，按照需求以一定的距离为间隔安装低频辅助设备，然后在较大区域内用2.4GHz读写器进行远距离识别并读取标签发送的信号，将其中的数据信息经过处理后以数据包的形式通过有线或者无线的方式将信号上传到后台管理系统进行数据处理。这样，系统就完成了整个信号的采集、传输、处理、应用的整个过程。

　　2.32.4GHz读写器的设计

　　2.3.1读写器的工作原理

　　读写器（Reader）是整个RFID定位系统中最重要的设备。读写器在定位系统中的作用是远距离地读取并识别电子标签中所保存的电子数据，并将数据上传给上位机进行处理，从而达到自动识别物体并确定位置的目的。读写器的功能包括和上位机（PC机或者平板电脑）相连，接收和处理上位机发送过来的命令；通过天线发送电磁波，激活标签；通过天线接收标签信息；将读取并初步处理后的标签信息发送给上位机等。

　　2.3.2CC2530收发器

　　在人员定位系统中，CC2530负责读写器2.4GHz射频信号的收发。CC2530是由TI公司生产的一款低功耗射频芯片，是真正能独立工作的片上系统（SoC）。其CPU能有效地管理模拟和数字外设，可以关闭单个或全部外设以节省功耗；Flash存储器还具有在系线重新编程能力，既可用作程序存储器，又可用作于非易失性数据存储应用程序；可以使用MOVC和MOVX指令对Flash进行读或改写。CC2530结合了领先的RF收发器的优良性能，业界标准的增强型8051CPU，系统内可编程闪存，8KBRAM和许多其它强大的功能。通过开启集成在调制解调器上的前向误差校正选项，能使性能得到提升。CC2530为数据包处理、数据缓冲、突发数据传输、清晰信道评估、连接质量指示和电磁波激发提供广泛的硬件支持。CC2530具有不同的运行模式，使得它特别适合超低功耗要求的系统。运行模式之间的转换时间短，进一步确保了低能源消耗。CC2530单片机在接收时，首先对单片机的接口进行初始化，初始化完成后进行无线接收，等信息接收完毕后对接收到的数据进行验证处理，若不正确则返回接收阶段继续接收数据，若正确则将正确数据发送至网口，本次接收完毕。

　　2.3.3STC90LE58RD与W5100器件接口

　　在人员定位系统中，STC90LE58RD和W5100负责读写器数据的传输。

　　STC90LE58RD是由宏晶科技（STCmicro）推出的一款超强抗干扰、高速、低功耗的单片机，它具有32KB的FLASHROM，1280B的SRAM，29KB的EEPROM，尤其适合低功耗系统。

　　W5100是由WIZnet公司生产的一款多功能固件网络接口芯片，内部集成有10/100M以太网控制器，主要使用在高集成、高稳定、高性能和低成本的嵌入式系统中。使用W5100可以实现没有操作系统的Internet连接。W5100内部集成了TCP/IP协议栈、以太网介质传输层（MAC）和物理层（PHY）。硬件TCP/IP协议栈支持TCP、UDP、IPv4、ICMP、ARP、IGMP、PPPoE和Ethernet等网络协议。W5100可以与4个独立的端口（Sockets）同时连接，使用W5100时不需要考虑以太网的控制，只需要进行简单的端口编程。

　　STC90LE58RD和W5100之间通过SPI接口进行点对点通信，不需要进行寻址操作，且为全双工通信，显得简单高效。在本系统中，STC90LE58RD控制W5100工作在TCP服务器模式下，其处理流程图如图3所示。

　　图3TCP服务器模式下STC90LE58RD控制W5100的处理流程

　　2.4低频辅助设备

　　本组合定位系统采用的低频辅助设备的中心频率为125kHz，作用是唤醒电子标签和进行辅助定位，是系统的重要组成部分。低频辅助设备包括低频信号发射模块和控制模块两个部分：低频辅助设备能够激活处于作用范围内的电子标签，向标签发送指令或数据；同时它还可以按照规定的通信协议与读写器进行通信，通过读写器对低频辅助设备的工作模式和工作状态进行配置。

　　低频辅助设备主动发射连续125kHz低频脉冲信号（载波数据中含该低频辅助设备ID）；对应的电子标签一直保持接收状态，当收到某低频辅助设备的激活信号时，其低频处理芯片将解析出该低频辅助设备ID，同时检测出信号的RSSI值，然后唤醒并把该RSSI值传入MCU单片机，接着打开内部的2.4GHz无线射频芯片，进行一次强信号发射（无线发射的数据包中含标签ID、低频辅助设备ID以及RSSI值）。该电子标签所处覆盖范围内的读写器将收到该标签以2.4GHz频段发射的数据包，从中解析出标签ID和低频辅助设备ID以及RSSI值，再加上读写器ID，重新打包成数据包后立刻上传到上位机。

　　低频辅助设备可判断电子标签经过的地方，也就是低频辅助设备所在的物理位置。如果在门禁处安装低频辅助设备，可以根据标签被激活的ID的先后顺序做出进出判断；若在楼梯拐角处安装低频辅助设备，则可以精确地判定电子标签所处的楼层。如果把多台低频辅助设备组合起来形成网络，那么在它们的覆盖范围内，根据标签实时上传的RSSI值可以进行精准的位置判定。

　　本系统所使用的低频辅助设备共配有4路天线，每2路为1对，这2对天线均为正交天线，每对天线的激活半径为3.5m。天线若并列布设可最多覆盖14m长7m宽的范围。如果需要更大的激活范围，可以把多台低频辅助设备组网；反之，若需要缩小激活范围，则可以通过减小低频辅助设备的发射功率或降低电子标签的接收灵敏度来实现。另外，天线的选型和排布方式会对定位效果产生很大的影响。

　　2.5电子标签

　　在本RFID组合定位系统中，电子标签由天线、2.4GHz射频发射电路以及125kHz低频唤醒电路三部分组成。电子标签的工作方式为主动模式和被动模式并存：标签主动发射2.4GHz信号，同时也可以被读写器或125kHz低频辅助设备触发发射2.4GHz信号。电子标签的发射信道和发射频次都可以调节。当电子标签进入低频辅助设备的覆盖范围时，它就会被一直主动近距离发射125kHz低频激活信号的低频辅助设备所激活，获取到该低频辅助设备的ID、计算出对应的RSSI值，随后它会将标签ID、标签状态信息、低频辅助设备ID、RSSI值等数据打包，并以2.4GHz频率无线发射出去。附近的读写器在接收到标签的数据之后，经过校验、处理，然后通过网络接口将数据上传给上位机，上位机通过使用合适的定位算法对数据进行处理，从而得到电子标签的估计位置。

　　3多频RFID组合人员定位系统在智能监狱管理中的应用

　　为了验证定位效果，我们使用多频组合RFID定位系统和单一2.4GHz频段RFID定位系统分别做了实地测试，采集并记录了定位数据。

　　3.1多频RFID组合定位系统在监狱项目中的定位精度

　　根据在项目现场所采集到的数据，经过数据筛选和处理，可以得到如图4所示的定位结果。

　　图4不同系统中定位精度关系图

　　从图4中曲线的变化趋势，可以得出如下结果：

　　（1）在电子标签距离读写器0～10m的范围内组合定位系统的精度可达1m左右，尤其是在低频辅助设备的作用区域内定位精度高达0.4～0.6m，效果明显优于只使用2.4GHz单一频段定位方法的效果。在大于10m的范围内组合定位系统的精度有所下降，但效果仍优于2.4GHz单一频段定位方法。这说明基于多频的组合定位系统在定位精度方面较单一定位系统有了很大的提升。

　　（2）不论是组合RFID定位方法还是单一频段RFID定位方法，定位误差都随与读写器距离的增加而增大，这说明，RFID定位的方法在特定范围较小的场合精度比较高、定位效果好，从成本上考虑的话，一般只适用于室内定位等；在大面积的宽阔区域，若要取得比较好的定位效果，需要安装的设备比较多，相应的成本也会很高，否则的话定位精度不能满足人们的要求，这体现了基于RFID定位系统应用的局限性。

　　3.2多频RFID组合定位系统在监狱项目中的实时性

　　通过测试基于多频的组合定位系统和单一频段2.4GHz定位系统在不同数量标签同时工作时的时延数据，可以绘制图5所示的关系图。

　　图5不同系统中标签数目和传输延时关系图

　　由图5中的曲线可以看到：

　　（1）多频组合定位系统的传输时延一直优于单一定位系统，并且随着标签数目的增加，二者之间的差距越来越大，多频组合定位系统的优势能够体现的更加明显。这说明基于多频的组合定位系统在实时性方面较单一定位系统有了很大的提升。

　　（2）随着标签数目的增加，系统的传输时延越来越大，并且保持一种不断增大的趋势，这会对系统的实时性和稳定性都造成不可估量的影响。

　　4结语

　　基于多频RFID组合人员定位系统，在智能监狱管理的应用中的表现优于多种其他定位方法，并具有性能稳定、定位精确、价格低廉等优点，同时在实际应用的过程中便于安装和使用，具有很好的示范意义和推广价值。

　　参考文献

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　　[2]刘宗元.基于射频识（RFID）的室内定位系统研究[D].广州：中山大学，2009.

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