一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的安防定位管理系統(tǒng)設(shè)計

陳子平，范庭芳，夏勇明，錢松榮

0 引言

安防指在特定場所或區(qū)域，通過采用人力、技術(shù)和物理防范等方式綜合實現(xiàn)對人員、設(shè)備、建筑或區(qū)域的安全防范。目前大多數(shù)應(yīng)用場合的安防管理系統(tǒng)多以視頻監(jiān)控為主，同時需要配備專人監(jiān)視屏幕，因此防范效果較大程度地依賴于管理人員的執(zhí)行能力。在一些對安防級別要求較高的場合，如精神病院、監(jiān)獄、軍事基地等，僅依靠人力較難達到安全防范需求。因此，在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)日益發(fā)展的今天，將傳統(tǒng)的監(jiān)控管理系統(tǒng)向基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能安防定位系統(tǒng)轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)即時化、精確化、高保障的安全防范體系。[1-2]

本文旨在利用物聯(lián)網(wǎng)的射頻識別技術(shù)和傳感器技術(shù)，針對現(xiàn)代人員安防場景的應(yīng)用需求，設(shè)計一個集人員識別、定位、防跌倒、防破壞等功能于一體的現(xiàn)代安防定位管理系統(tǒng)，實現(xiàn)高效有序的管理、緊急情況的決策與處理、人員實時定位與管理等，以滿足一般應(yīng)用場合的安防需求。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

整個系統(tǒng)利用了物聯(lián)網(wǎng)的多個重要技術(shù)，使其符合即時、精確、高效要求的安防定位管理需求。如圖1所示，憑借物聯(lián)網(wǎng)的射頻識別、傳感器等技術(shù)，可以隨時隨地獲取人員信息，并實現(xiàn)對其的全面感知；通過

各種網(wǎng)絡(luò)融合，將感知的信息準確、實時地進行傳輸；中心監(jiān)管系統(tǒng)部分利用云計算等智能技術(shù)，對海量信息進行分析處理，實現(xiàn)智能化管理與控制。因此，借助物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)，可以建立起管理者、監(jiān)管目標與安防設(shè)施的高效聯(lián)動，為安防系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)奠定基礎(chǔ)，如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)中物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用

根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的一般架構(gòu)，安防定位管理系統(tǒng)主要分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層3部分，系統(tǒng)整體架構(gòu)，如圖2所示：

圖2 系統(tǒng)整體架構(gòu)

感知層以傳感器、射頻標簽等各種感知終端為主；網(wǎng)絡(luò)層利用有線局域網(wǎng)、Wifi和Zigbee無線組網(wǎng)方式相結(jié)合，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸；在應(yīng)用層，利用計算機終端對整個系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)進行控制管理，形成控制管理中心，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、存儲、分析、監(jiān)測、管理等功能。[3]

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)硬件部署

感知層中，射頻標簽和傳感器組成感知終端，用于采集人員各類信息。射頻標簽以支持Zigbee協(xié)議并擁有定位引擎的CC2530/2531為主要硬件平臺，采用有源主動式設(shè)計，連接以加速度傳感器為基礎(chǔ)的跌倒檢測傳感器，實現(xiàn)一系列定位監(jiān)測、數(shù)據(jù)傳輸、防破壞報警等功能。基站作為定位參考位置節(jié)點，布置在應(yīng)用場景的各個角落，硬件構(gòu)成上與射頻標簽基本相似，為上層提供RSSI（Received Signal Strength Indication接收的信號強度指示）參考點數(shù)據(jù)。

感知終端與基站的數(shù)據(jù)經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)層的路由節(jié)點傳輸給應(yīng)用層的微處理器，也可以由管理人員利用手持讀卡器在巡邏時進行即時查詢、點名等。所有傳輸數(shù)據(jù)經(jīng)防火墻后最終被傳輸?shù)接蓴?shù)據(jù)庫服務(wù)器、總控制計算機和管理人員構(gòu)成的控制管理中心，進行進一步處理，并做出下一步的命令指示。系統(tǒng)感知終端與手持讀卡器部分硬件框架設(shè)計，如圖3所示：

圖3 感知設(shè)備硬件框架設(shè)計

2.2 系統(tǒng)組網(wǎng)

系統(tǒng)組網(wǎng)方式為有線局域網(wǎng)、無線Wifi和Zigbee組網(wǎng)方式相結(jié)合。

應(yīng)用層微處理器的職能類似于局域網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，位置相對固定，使用有線以太網(wǎng)接口與上位機通信。由于Zigbee作為短距離、低傳輸數(shù)據(jù)速率下的電子設(shè)備之間的無線通信組網(wǎng)技術(shù)，具有功耗低、數(shù)據(jù)傳輸可靠、網(wǎng)絡(luò)容量大、安全性高、具有一定自組織性和自適應(yīng)性等特點，因此，在微處理器與路由節(jié)點之間、路由節(jié)點與感知終端之間、路由節(jié)點與基站之間均使用Zigbee通信，滿足實時性、便捷性、高效性的需求。而對于手持讀卡器來說，考慮到長距離、即時性、準確性需求，選擇Wifi方式與微處理器通信。[4-5]

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)功能設(shè)計

對于一般安防應(yīng)用場景，系統(tǒng)功能模型設(shè)計，主要包括系統(tǒng)管理、基本功能、定位管理、信息處理4個功能模塊，如圖4所示：

圖4 系統(tǒng)功能模型

系統(tǒng)管理模塊主要對整個系統(tǒng)進行日常運行的維護和管理，可在此查看系統(tǒng)日志、增刪用戶、使用幫助等。基本功能模塊主要用于實現(xiàn)人員的添加、刪除、修改、搜索等，即可靈活地添加、刪除感知終端節(jié)點，修改人員信息、位置權(quán)限等，并可隨時檢索到人員的狀態(tài)與信息。定位管理模塊主要用于顯示人員實時位置與狀態(tài)，在發(fā)生緊急情況，諸如感知終端被破壞、人員跌倒、越界、進入禁區(qū)等，即時顯示事件發(fā)生位置和具體情況，方便管理人員知曉并采取相應(yīng)措施。信息處理模塊可實現(xiàn)自動化定點考勤管理、實時的數(shù)據(jù)采集與歷史軌跡回放、在突發(fā)情況下進行智能判斷并對附近管理人員提示預(yù)警，另外，在大量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，可建立云計算分析平臺，根據(jù)實際的人員活動信息記錄，建立行為分析模型，對于非正常活動狀態(tài)提前給予提醒，提高系統(tǒng)的智能化程度。

3.2 網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計

本系統(tǒng)的有線局域網(wǎng)部分采用TCP/IP協(xié)議通信，無線組網(wǎng)部分基于TI公司的Z-Stack協(xié)議站，符合IEEE802.15.4和Zigbee協(xié)議標準。系統(tǒng)采用網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)組建網(wǎng)絡(luò)，因為在此結(jié)構(gòu)中，任意節(jié)點都可以與其通信范圍內(nèi)的對等節(jié)點進行通信，對應(yīng)靈活的路由發(fā)現(xiàn)方法，使整個網(wǎng)絡(luò)具有更好的自組織性和自適應(yīng)性，即使一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點出問題也不會影響到其他節(jié)點的正常通信。

由于實際應(yīng)用場景可能十分龐大，因此將感知終端劃分為多個個域網(wǎng)，每個個域網(wǎng)由一個微處理器作為協(xié)調(diào)節(jié)點進行管理，下設(shè)多個參考節(jié)點和路由節(jié)點。一個采用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的個域網(wǎng)結(jié)構(gòu)，如圖5所示：

圖5 系統(tǒng)個域網(wǎng)結(jié)構(gòu)

3.3 應(yīng)用程序設(shè)計

在TI的Z-Stack協(xié)議棧中，OSAL（Operating System Abstraction Layer，操作系統(tǒng)抽象層）是協(xié)議棧的核心，在開發(fā)應(yīng)用層時，通過創(chuàng)建OSAL任務(wù)來運行應(yīng)用程序，應(yīng)用程序流程圖，如圖6所示：

圖6 應(yīng)用程序流程圖

3.4 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

（1）防破壞技術(shù)：感知終端加入了低電壓報警功能，即終端設(shè)施被破壞時，將自動向上位機發(fā)出預(yù)警。

（2）人員狀態(tài)檢測技術(shù)：若人員在作業(yè)中突發(fā)跌倒等狀況，系統(tǒng)會立即予以提醒，并通知附近人員進行處理。感知終端預(yù)留可擴展接口，在不同應(yīng)用場景可擴展連接其它各類功能的傳感器。

（3）低功耗技術(shù)：當感知終端在個域網(wǎng)之間切換或與路由節(jié)點通信時，采用防碰撞算法，達到有源標簽的低功耗要求。

（4）定位算法：本系統(tǒng)采用非測距的定位方法，由于此方法僅依靠網(wǎng)絡(luò)的連通度即可實現(xiàn)節(jié)點自身定位，無需額外的硬件，因此對于大型安防定位管理系統(tǒng)更具實用性和高效性。[6]測量點的地理信息主要基于RSSI值，并根據(jù)已知位置信息的參考節(jié)點或者事先訓(xùn)練好的參考數(shù)據(jù)，比較得出相對關(guān)系，再根據(jù)已知參考節(jié)點的地理信息推算出被測節(jié)點的位置，以實現(xiàn)定位需求。

4 結(jié)束語

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的安防定位管理系統(tǒng)是實現(xiàn)現(xiàn)代智能安防產(chǎn)業(yè)需求的一個發(fā)展方向，它將傳統(tǒng)的人力視頻檢測管理方式轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃印⒅悄堋⒕_的實時安防管理系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)效率和安全保障。分析現(xiàn)代安防管理系統(tǒng)的需求，利用物聯(lián)網(wǎng)的射頻識別、傳感器網(wǎng)絡(luò)、無線傳輸、智能處理等技術(shù)，設(shè)計了具有一般適應(yīng)性的安防定位管理系統(tǒng)，建立了其系統(tǒng)架構(gòu)與功能模型。下一步研究方向，將在此一般性系統(tǒng)模型基礎(chǔ)上實現(xiàn)各種具體環(huán)境的應(yīng)用與優(yōu)化，并進一步完善和提高系統(tǒng)性能。

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[2]劉成勇. 安防系統(tǒng)智能化在現(xiàn)代醫(yī)院管理中的應(yīng)用[J]. 制造業(yè)自動化，2012，34（2）：85-87.

[3]Evan W，Leilani B，Garret C，et al.Building the Internet of things using RFID：The RFID ecosystem experience[J].IEEE Internet Computing，2009，13(3)：48-55.

[4]錢志鴻，王義君. 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用研究[J]. 電子學(xué)報，2012， 40(5)：1023-1029.

[5]蘇平，蔣泰，張予帥等.基于Zigbee技術(shù)的射頻識別讀寫器網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建[J].廣西科學(xué)院學(xué)報，2009，25(4)：29l一293.

[6]王福豹，史龍，任豐原.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的自身定位系統(tǒng)和算法［J］. 軟件學(xué)報，2005，16(5)：857-868.