引言

隨著監(jiān)獄安防信息化建設步伐的推進，一些基于 IT 技術的安全防范系統(tǒng)開始進入監(jiān)獄行業(yè)，在一定程度上實現(xiàn)了監(jiān)獄安防信息化。但這種干警巡查加攝像機視頻監(jiān)控報警模式還不能完全對服刑人員進行有效的定位和管理，與監(jiān)獄實際工作需要相比，還存在一定的差距。干警巡查屬于主動防御，很難做到實時巡查，尤其在夜間 ；視頻監(jiān)控屬于被動式防御，主要用于提供視頻回放，無法做到事件與人員的關聯(lián)。

物聯(lián)網可以通過傳感技術，把現(xiàn)實世界的人與人、人與物、物與物進行關聯(lián)，通過網絡進行信號傳輸，并通過平臺軟件對這些關聯(lián)的信號進行分析，最后得出我們所需要的信息。將物聯(lián)網技術應用到監(jiān)獄安防領域，打造主動防御 + 被動防御的新型安全防范管理模式，將有效地提高監(jiān)獄安防管控能力和管理效率。

給每個服刑人員佩戴腕帶產品，使腕帶發(fā)射定位信號，并利用 WLAN 將信號上報到定位管理系統(tǒng)，結合 SSSI 和TDOA 定位技術，推算出服刑人員的位置，并在地圖上標注。由于可以獲取服刑人員的位置信息，因而可根據(jù)預先規(guī)劃的區(qū)域對服刑人員進行管理。當發(fā)生人員越區(qū)、靠近邊界，不安規(guī)定路線行走等事件時，系統(tǒng)將提供聲光報警。這樣，利用監(jiān)獄人員定位系統(tǒng)，管理干警就可實時掌握監(jiān)所內各個受控區(qū)域內的服刑人員數(shù)量和信息以及周邊執(zhí)勤干警信息，從而管理各種可疑事件及各種突發(fā)事件的報警，以便在發(fā)生突發(fā)事件時能夠迅速定位相關人員和執(zhí)勤干警，并迅速查詢到人員在監(jiān)所內的歷史行動軌跡。

1系統(tǒng)總體方案

1.1 設計原則

監(jiān)獄人員定位系統(tǒng)建設要以提高監(jiān)獄安防信息化水平、提升管理效率、防止越獄事件的發(fā)生為目的，要結合監(jiān)獄信息化建設趨勢，以實現(xiàn)監(jiān)區(qū)管理工作的實時、高效、科學為著眼點，以信息系統(tǒng)推廣及全面應用為核心，以低投入、高效益、重質量為目標，同時結合司法系統(tǒng)對監(jiān)獄信息化建設的要求，規(guī)劃好集成接口。系統(tǒng)的設計和開發(fā)需遵循以下原則 ：

（1）安全可靠

監(jiān)獄屬于數(shù)據(jù)敏感行業(yè)，將 WLAN 作為監(jiān)獄人員定位系統(tǒng)的傳輸網絡，首先要確保網絡的安全。防止非授權用戶登錄網絡，防止不正當?shù)墓簟Ｆ浯我ＷC服刑人員佩戴的標簽產品安全。輻射應滿足國家相關標準、材質不能損傷皮膚，不能出現(xiàn)易拆卸的金屬配件。再次是系統(tǒng)要工作可靠，定位精度高，不能發(fā)生虛警事件和漏警事件。

（2）智能化管理

搭建統(tǒng)一管理平臺，實現(xiàn)對服刑人員、干警、訪客、重要器械等資產的統(tǒng)一管理。做到類別不同，控制策略不同。結合物聯(lián)網技術，實現(xiàn)智能的動態(tài)負載變化、自動頻道管理、實時的射頻自動監(jiān)測功能，應具有網絡自康復能力。

（3）易維護管理和擴展

系統(tǒng)模塊設計采用分布式部署，要操作簡單，便于維護。還需要遵循相關技術標準，重視開發(fā)的延續(xù)性。監(jiān)獄信息化建設將是一個互聯(lián)互通的大集成系統(tǒng)，各個子系統(tǒng)的開發(fā)都必須考慮規(guī)范化數(shù)據(jù)接口。

1.2 總體實現(xiàn)框圖

本文提出的人員定位可視化管理系統(tǒng)如圖 1 所示。該系統(tǒng)包含標簽、觸發(fā)器、WLAN 網絡和定位管理系統(tǒng)等部分。系統(tǒng)各部分獨立運行，可借助于有線無線網絡技術進行通信。

其中，觸發(fā)器應安裝在監(jiān)獄進出口、重要崗哨和圍墻等位置。上電后要能發(fā)射 RFID 信號，用以激活在其信號覆蓋區(qū)域內的標簽。觸發(fā)器單向工作，發(fā)送數(shù)據(jù)包包含觸發(fā)器的 ID、信號發(fā)送時間、管理員事先定義的消息等參數(shù)。

標簽要給服刑人員、干警、訪客和重要資產佩戴，工作在 Wi-Fi 和 RFID 雙模下。人員類別不同，佩戴的標簽也不同。干警需佩戴具備呼叫功能的標簽，掛在胸前或卡在腰帶上 ；服刑人員佩戴具備防拆卸的標簽，戴在手腕上或腳腕上 ；資產需要佩戴可吸附式的標簽，直接吸附在設備上。WLAN 無線網絡是人員定位系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸網，用來接收標簽發(fā)來的定位數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過網絡平臺轉發(fā)給定位管理系統(tǒng)。

定位管理系統(tǒng)主要接收由 WLAN 網絡傳回的數(shù)據(jù)，測量信號強度，計算標簽所處位置，并將標簽位置顯示在地圖上。定位管理系統(tǒng)還需要實現(xiàn)部門管理、人員管理、事件管理、地圖管理、統(tǒng)計報表管理等幾大功能。

1.3 系統(tǒng)功能

結合監(jiān)獄行業(yè)應用需求，人員定位管理系統(tǒng)主要提供以下功能 ：

（1）人員定位跟蹤功能

在地圖上實時顯示人員位置信息、可跟蹤和追溯人員位置變化。當標簽觸發(fā)報警事件時，系統(tǒng)具備語音報警功能。配備給干警的標簽要具備按鍵報警功能。當發(fā)生緊急情況時，系統(tǒng)能支持干警按鍵報警和取消報警。

（2）實時點名功能

點名是監(jiān)獄很重要的一項任務。系統(tǒng)可根據(jù)管理員設置的區(qū)域和時間進行實時點名，并上報點名結果。當然，也需要支持隨機點名。

(3) 歷史軌跡查詢功能

系統(tǒng)能支持按人員名稱、時間范圍查看標簽的位置變化、規(guī)律路線、報警事件等。

(4) 重點區(qū)域防范功能

在監(jiān)獄圍墻、AB 門、哨崗、警戒區(qū)、器械存放處等位置應安裝觸發(fā)器，當非授權人員接近該區(qū)域時，觸發(fā)器將激活標簽并立即上報位置信息，觸發(fā)報警事件。與視頻監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)動后，在報警事件發(fā)生時，監(jiān)獄視頻監(jiān)控系統(tǒng)將立即切換監(jiān)控界面到報警地點。

(5) 報表統(tǒng)計功能

系統(tǒng)能實現(xiàn)對人員信息、位置變化、所屬部門、所屬區(qū)域、當前狀態(tài)等內容的統(tǒng)計報表。報表格式支持pdf、excel、word等。

(6) 維護管理功能系統(tǒng)能

對標簽、資產、地圖、事件、用戶等進行管理，并包含添加、刪除、激活、分配等操作。

(7) 集成接口功能

根據(jù)國家標準要求，要能提供標準的 API 接口。

2 WLAN 無線網絡部署

本系統(tǒng) 通過 WLAN 實現(xiàn)數(shù) 據(jù)傳輸。相比于 RFID 和ZigBee 技術，WLAN 系統(tǒng)的業(yè)務應用較廣，它支持數(shù)據(jù)、語音、視頻業(yè)務，將來還可擴展用于監(jiān)獄移動監(jiān)管、無線視頻監(jiān)控等，能避免基礎設施重建。系統(tǒng)工作在 2.4 GHz 的 Wi-Fi 信號在室內可傳輸 30~50 m，在室外可傳輸 150~300 m，覆蓋半徑較大，可減少系統(tǒng)的施工量。

WLAN AP 一般工作在 FIT AP 模式下，由 AC 統(tǒng)一管理和認證。AC 根據(jù)用戶接入情況自動分配 AP 的負載，調整 AP的射頻參數(shù) ；當 AP 發(fā)生故障時，重新啟動 AP，恢復網絡工作狀態(tài)。圖 2 給出了系統(tǒng)實施過程中的 WLAN 網絡部署拓撲圖。

根據(jù) RSSI 和 TDOA 定位原理，每個區(qū)域至少應安裝 3 個AP，3 個 AP 的幾何位置呈銳角三角形 。當該區(qū)域安裝 AP 數(shù)量多于 3 個時，則要求相鄰的 3 個 AP 安裝的幾何位置呈銳角三角形。Exciter 用于區(qū)域管理。每當標簽靠近 Exciter 時，將觸發(fā)一條消息，通知標簽的位置。Exciter 應安裝在監(jiān)舍1層進出口、各樓層進出口、圍墻、操場、AB 門等警戒區(qū)。

定位管理服務器通過測量標簽到 3 個 AP 的信號場強值(RSSI) 來計算標簽的位置坐標。理論上，區(qū)域中 AP 部署越密集，標簽定位精度越高，但實際上，考慮到干擾因素，一個定位區(qū)域不宜部署過多的 AP。經驗值是 ：標簽在某一位置可與 3~4 顆 AP 通訊為宜，且與這 3 顆 AP 的信號強度不低于 -75 dBm，最好在 -70 dBm 以上?？紤]到 2.4 GHz WLAN信號的衰減速度，室外環(huán)境下，相鄰兩個 AP 的距離應控制在100~200 m ；室內環(huán)境下，兩個 AP 的距離應控制在 30~50 m。由于 2.4 GHz 和 5.8 GHz 兩個頻段信號的衰減速度不同，因此，本系統(tǒng)將 AP 的射頻工作頻段設定為 2.4 GHz。

網絡安全包括用戶認證、權限控制管理、數(shù)據(jù)加密、物理隔離等幾個方面。為了保障監(jiān)獄 WLAN 網絡的安全性，以下幾個安全措施需要同時設置：

關閉 AP 的數(shù)據(jù)傳輸功能，隱藏 SSID ；綁定 MAC 地址，啟動 802.1x 認證和 EAP、WAP、WPA2

訪問控制 ；

標簽 -AP-AC 之間的數(shù)據(jù)加密傳輸應采用WAPI 認證機制；WLAN 網絡與監(jiān)獄內網之間應當設置防火墻。另 外， 進 一 步 集 成 H3C 的 EAD(End user AdmissionDomination) 終端準入控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)標簽用戶的身份認證、網絡安全認證和終端高效管理。

3 標 簽

3.1 硬件設計

標簽工作在 Wi-Fi 和 RFID 兩種無線制式下。圖 3 給出了標簽硬件實現(xiàn)框圖。為了省電，標簽可采用集成芯片方式實現(xiàn)。標簽 RFID 模塊被 Exciter 激活后與其通信，并將通信內容轉發(fā)給 CPU 系統(tǒng)。WLAN 模塊完成 Wi-Fi 信號的發(fā)送。Wi-Fi 信號的消息內容由 CPU 系統(tǒng)提供。CPU 系統(tǒng)指揮標簽工作，完成狀態(tài)切換和任務調度。

經過芯片選型對比，WLAN 模塊芯片選擇 Atheros 的AR5006X，這是一款單芯片 WLAN 方案，集成有 RF、BP 和MAC。RFID 模塊選擇 PKE 芯片 AS3931，這是一款低功耗喚醒接收機，利用兩個正交放置的線圈作為低頻接收天線，由低功耗低頻喚醒芯片AS3931接收RFID信號，同時與CPU通信。CPU 則選用 AVR 單片機 ATMEGA8，這是一款高檔單片機。

標簽外殼設計需要考慮防水防塵和安全問題。防水防塵做到 IP67；鎖扣螺釘不外露，材質柔軟舒適，不傷皮膚，對WLAN 信號的穿透性影響不大。按鍵 I/O 外接按鍵，用以緊急報警使用 ( 目前已經預留 2 個 )。當標簽向 AP 發(fā)送信號時，LED指示燈點亮。拆卸I/O主要用于腕帶類標簽的防拆卸功能。

一般標簽在使用之前都需要激活。標簽激活后，即工作在 Wi-Fi 模式下，CPU 系統(tǒng)控制 WLAN 模塊定期發(fā)送 Wi-Fi定位信號。定位信號包含標簽基本信息、發(fā)送時間、Exciter ID等參數(shù)信息。當標簽靠近 Exciter 時，標簽 RFID 模塊再次被激活，之后，觸發(fā) CPU 系統(tǒng)控制 WLAN 模塊立即發(fā)送一個Wi-Fi 信號。

3.2 軟件設計

根據(jù)標簽的工作狀態(tài)，CPU 軟件系統(tǒng)包含 INITIAL、CONFIG、IDLE、TRAFFIC 等 4 種狀態(tài)。圖 4 給出了標簽軟件系統(tǒng)狀態(tài)切換圖。

從圖 4 可見，標簽上電后，直接由 INTIAL 狀態(tài)進入IDLE 狀態(tài)。如果標簽不被激活，則標簽一直處于節(jié)電模式的IDLE 狀態(tài)。當標簽被激活后，標簽進入CONFIG 狀態(tài)，用戶可對標簽參數(shù)進行修改配置。標簽參數(shù)配置修改后，若標簽運行模式為 Enable，則標簽進入 TRAFFIC 狀態(tài)，周期性發(fā)送Wi-Fi 信號，并檢測 I/O電平。當標簽處于TRAFFIC 狀態(tài)時，用戶也可以利用 RFID 設備再次激活標簽，進行 CONFIG 狀態(tài)并修改參數(shù)。根據(jù)圖 4 所示的軟件狀態(tài)切換過程，圖 5 給出了 CPU 系統(tǒng)的主程序流程框圖。

由圖 5 可見，標簽激活后，標簽一直處于 TRAFFIC 狀態(tài)，定時器每中斷 1 次，CPU 系統(tǒng)就向 Wi-Fi 轉發(fā) 1 個消息包發(fā)送。消息包含有標簽 MAC 地址、按鍵 I/O 狀態(tài)、拆卸 I/O 狀態(tài)、觸發(fā)器 ID 等字段。4 定位管理系統(tǒng)

定位管理系統(tǒng)運行在 Windows Server 服務器上。為了便于集中管理和遠程控制，本系統(tǒng)基于瀏覽器方式開發(fā)，并支持遠程 web 訪問。圖 6 給出了該定位管理系統(tǒng)的實現(xiàn)框圖，整個系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)庫、定位網關、網關服務、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)應用統(tǒng)、集成接口等 6 個模塊。

考慮到將來大容量運行和分布式部署?？蓪D 6 所示的系統(tǒng)分成 3 個子系統(tǒng)。這 3 個子系統(tǒng)可以獨立設計開發(fā)，各子系統(tǒng)間利用標準接口進行通信。數(shù)據(jù)庫選擇 Windows SQL2005 標準版，無需開發(fā)，直接安裝即可；定位網關按子系統(tǒng)模式設計開發(fā) ；網關服務模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、數(shù)據(jù)應用模塊和集成接口模塊可按 1 個子系統(tǒng)模式設計開發(fā)。這種架構的最大優(yōu)勢是便于系統(tǒng)將來靈活部署?？梢詫?3 個子系統(tǒng)安裝到3 臺服務器上運行，也可以將 3 個子系統(tǒng)安裝到 1臺服務器上運行。具體安裝主要取決于系統(tǒng)需要管轄的標簽數(shù)量和規(guī)模。

定位網關實時接收由 AP 轉發(fā)來的標簽定位信號，調用RSSI/TDOA 定位算法計算出標簽位置，將標簽信息、位置信息、地圖信息等存入數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)管理模塊提供管理界面，與用戶接口，實現(xiàn)對系統(tǒng)地圖、部門、人員、事件等內容的設置。數(shù)據(jù)應用模塊提供應用界面，與用戶交互，完成人員定位檢索、歷史軌跡追溯、報警、統(tǒng)計等操作。

從使用角度看，定位管理系統(tǒng)提供管理和應用功能，具體包含定位、報警、統(tǒng)計、管理和集成接口等功能。

(1) 定位與跟蹤

定位與跟蹤包含人員定位檢索和歷史位置追溯。系統(tǒng)接收 AP 轉發(fā)的標簽定位信號，即可完成定位解算，以可視化方式向用戶展示每個資產在地圖上的位置。借助于數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)可以記錄每個標簽的基本信息、位置信息、地圖信息等，以便于將來查詢使用。根據(jù)人員名字、時間范圍查詢數(shù)據(jù)庫，可以獲得標簽在指定時間范圍內的行徑路線，以可視化方式向用戶展示，并在地圖上繪制行徑路線。

(2) 實時報警

實時報警能以列表方式記錄標簽報警事件。一個報警事件要求包含人員信息、標簽信息、觸發(fā)時間、觸發(fā)地點等。支持用戶按時間、按人員、按地點等字段進行查詢。

(3) 統(tǒng)計報表

本系統(tǒng)可以支持根據(jù)標簽名稱、人員名稱、部門名稱、時間范圍、報警事件類別等字段，對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，并輸出 excel、word、pdf 等格式報表。

(4) 管理

本系統(tǒng)包含標簽管理、人員管理、事件管理、地圖管理、權限管理、統(tǒng)計報表管理等模塊功能。其中標簽管理主要是標簽的錄入和刪除，系統(tǒng)只監(jiān)控數(shù)據(jù)庫中處于使能狀態(tài)的標簽 ；人員管理主要完成人員名單的錄入和刪除，將人員與標簽關聯(lián)，同時對人員活動分區(qū)、活動時間范圍進行約束 ；事件管理用于設置報警事件，每個報警事件的設置要求具體到人員名稱、區(qū)域名稱、時間范圍和優(yōu)先級 ；地圖管理主要是導入地圖和刪除地圖，并對地圖進行分區(qū)和標注 ；權限管理主要是設置系統(tǒng)管理員登錄賬號。

(5) 集成接口

本系統(tǒng)設計了API 和 EVENT 兩種接口模式。其中 API以 Lib 庫的方式提供，可集成到第 3 方軟件中，調用 API 即可訪問人員定位管理系統(tǒng)中的資源，Lib 庫包含針對資產管理、標簽管理、事件管理、區(qū)域管理、權限管理等類別的 API 函數(shù)；EVENT 則主動向第 3 方軟件平臺發(fā)送消息包以實現(xiàn)聯(lián)動，可支持基于標準的 HTTP Post、Web Service 和 Mail 三種模式。

5 測試驗證

5.1 測試環(huán)境

為了驗證設計，可以搭建測試環(huán)境用以模擬監(jiān)獄環(huán)境對系統(tǒng)進行測試。圖 7 給出了測試環(huán)境中 AP 的安裝位置。AP的安裝原則和 WLAN 的網絡設置上面已經論述，這里不再贅述。測試環(huán)境使用 WLAN，設備選用 H3C 的 AP 和 AC。AP型號為 WA2220-AG，AC 的型號為 WX3024。

5.2 測試結果

基于圖 7 的 WLAN 網絡部署架構，采用專用 WLAN 信號強度分析工具 Inssider 對 4 個 AP 的覆蓋區(qū)域進行場強分析，圖 8 給出了場強測試結果。從信號場強覆蓋來看，在定位區(qū)域，AP 的信號強度大于 -75 dBm，可以滿足定位需求。

圖 9 給出在定位管理系統(tǒng)上查看標簽的位置情況?？梢?，標簽處于定位區(qū)域內。標準定位位置與實際位置相比，誤差在3~5 m 范圍內，可以滿足人員定位的要求。

6 結 語

結合物聯(lián)網技術，本文提出了一種基于 WLAN 網絡的監(jiān)獄人員定位系統(tǒng)的時間和實現(xiàn)方法，并從技防角度為監(jiān)獄安防系統(tǒng)提供了一種新的實現(xiàn)方案。本人員定位系統(tǒng)基于 WLANRTLS 技術實現(xiàn)，文章詳細闡述了系統(tǒng)的設計要求和設計過程，并對開發(fā)成果進行了測試驗證。2011 年 11月，本文提出的監(jiān)獄人員定位系統(tǒng)在 XXX 監(jiān)獄進行了試點應用。試點期間，平臺運行穩(wěn)定，定位精度高，報警及時，沒有發(fā)生虛警和漏警事件，得到了干警們的好評。本系統(tǒng)與監(jiān)獄獄政管理系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)等平臺聯(lián)動，可以提供主動防御 + 被動防御的立體式安防管理體系，從而大大提高了監(jiān)獄安防管理效率和水平。

本文提出的監(jiān)獄人員定位管理系統(tǒng)不但可以滿足監(jiān)獄的應用需求，在對軟件做定制修改后，也可拓展應用到醫(yī)院、博物館、礦業(yè)等領域，解決資產和人員的定位管理問題。

20210911_613c77cb06485__基于物聯(lián)網技術的監(jiān)獄人員定位可視化管理系統(tǒng)