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應，并實時、精準、可靠 地識別監(jiān)獄犯人、獄警所在的位置和狀態(tài)，目的是對各類突 發(fā)事件做到預知、預判、預防、預警和有效處置。通過這套 系統(tǒng)，管理人員可以實時掌握監(jiān)獄各區(qū)域內(nèi)犯人和獄警的數(shù) 目、位置及運動狀態(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,能使管理人員在異常事偉犯 人脫逃、獄警主動報警等）發(fā)生時直觀、便捷地掌握現(xiàn)場情況， 迅速做出反應，并提供事件發(fā)生時的準確位置、周邊獄警分 布情況，以及事件發(fā)生后相關人員的運動軌跡等資料，提高 對異常事件的處理效率。從整體上降低管理人員的工作強度, 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準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。人員定位系統(tǒng)的實現(xiàn)采用多頻 RFID （Radio Frequency Identification）組合定位方式來實現(xiàn)。 RFID是一種非接觸式的自動識別技術，其基本原理是利用 射頻信號的空間耦合（電感或電磁耦合）或反射的傳輸特性, 實現(xiàn)對被識別物體的自動識別，使用接收到的信號強度RSS （Received Signal Strength）（與后文不符，問作者）或者時間（時 間差），通過一定的定位算法來確定待測物體的空間位置。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讀寫器確定目標標簽所在的大致范圍，配合125 kHz 低頻輔助設備近距離精準定位，從而大大提高了定位精度和 實時性。

1智能監(jiān)獄管理系統(tǒng)的總體設計

根據(jù)監(jiān)獄管理的實際需要，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)全天候的全 局監(jiān)控、實時點名、跟蹤定位、異常報警、視頻聯(lián)動、軌跡回 放、設備統(tǒng)計、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)定位識別的硬件設備主要由雙頻電子 標簽（犯人和獄警佩戴）、2.4 GHz讀寫器、低頻輔助設備、 數(shù)據(jù)采集服務器、數(shù)據(jù)處理服務器、監(jiān)控終端和網(wǎng)絡系統(tǒng)構(gòu) 成。系統(tǒng)設備可以根據(jù)監(jiān)獄不同區(qū)域的大小和特點有針對性地 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，是在每一個獄警身上攜 帶一個卡式電子標簽，犯人攜帶腕式電子標簽。當電子標簽 攜帶者進入低頻輔助設備的激活范圍內(nèi)被激活時，標簽發(fā)出 含有標簽ID、低頻輔助設備ID、RSSI值等信息的2.4 GHz 無線信號，讀寫器接收到信號之后，通過以太網(wǎng)或者光纜，!低頻輔 助設備低頻輔 助設備傳送到監(jiān)獄監(jiān)控中心服務器，標簽的信息存儲在服務器的數(shù) 據(jù)庫內(nèi)。讀寫器每天24小時不間斷地對在其覆蓋范圍內(nèi)的標 簽進行讀取，監(jiān)控中心服務器實時進行數(shù)據(jù)處理、算法定位, 分析報警等。同時在監(jiān)控中心的顯示屏上顯示，進行跟蹤和定 位。如果犯人越界、出現(xiàn)異常行為，或者獄警主動報警，系 統(tǒng)都會立即發(fā)現(xiàn)并且報警。

2基于多頻RFID組合人員定位系統(tǒng)的設計

在本多頻RFID組合定位系統(tǒng)中，采用125 kHz頻率觸 發(fā)進行近距離精確定位、2.4 GHz頻率遠距離識別和上傳數(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，通過處理所接收到的信號強度RSSI的定位方法來 實現(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)設計

基于多頻RFID的組合定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上由RFID讀寫器、 低頻輔助設備和電子標簽等組成，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

在平時情況，RFID電子標簽處于休眠狀態(tài)不工作，不向 外界發(fā)出信號，只有當它進入低頻輔助設備的激活范圍內(nèi)時, 標簽才能被激活開始工作。因為低頻輔助設備的激活距離是 有限的，它只能在短距離小范圍內(nèi)激活電子標簽，所以，可以 以已知位置的低頻輔助設備為標志點，按照需求以一定的距離 為間隔安裝低頻輔助設備，然后在較大區(qū)域內(nèi)用2.4 GHz讀 寫器進行遠距離識別并讀取標簽發(fā)送的信號，將其中的數(shù)據(jù) 信息經(jīng)過處理后以數(shù)據(jù)包的形式通過有線或者無線的方式將 信號上傳到后臺管理系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理。這樣，系統(tǒng)就完成 了整個信號的采集、傳輸、處理、應用的整個過程。

2.3 2.4 GHz讀寫器的設計

2.3.1讀寫器的工作原理

讀寫器（Reader）是整個RFID定位系統(tǒng)中最重要的設備。 讀寫器在定位系統(tǒng)中的作用是遠距離地讀取并識別電子標簽中 所保存的電子數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)上傳給上位機進行處理，從而 達到自動識別物體并確定位置的目的。讀寫器的功能包括和上 位機（PC機或者平板電腦）相連，接收和處理上位機發(fā)送過 來的命令；通過天線發(fā)送電磁波，激活標簽；通過天線接收 標簽信息;將讀取并初步處理后的標簽信息發(fā)送給上位機等。

CC2530 收發(fā)器

在人員定位系統(tǒng)中，CC2530負責讀寫器2.4 GHz射頻 信號的收發(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，可以關閉單個或全部外設以節(jié)省功 耗；Flash存儲器還具有在系線重新編程能力，既可用作程 序存儲器，又可用作于非易失性數(shù)據(jù)存儲應用程序；可以使 用MOVC和MOVX指令對Flash進行讀或改寫。CC2530結(jié) 合了領先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標準的增強型8051 CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8 KB RAM和許多其它強大的功能。 通過開啟集成在調(diào)制解調(diào)器上的前向誤差校正選項，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具有不同的運行模式，使得它特別適合超 低功耗要求的系統(tǒng)。運行模式之間的轉(zhuǎn)換時間短，進一步確 保了低能源消耗。

CC2530單片機在接收時，首先對單片機的接口進行初始 化，初始化完成后進行無線接收，等信息接收完畢后對接收 到的數(shù)據(jù)進行驗證處理，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負責讀寫 器數(shù)據(jù)的傳輸。

STC90LE58RD是由宏晶科技（STC micro）推出的一 款超強抗干擾、高速、低功耗的單片機，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)絡協(xié)議。W5100可以與4個獨 立的端口（Sockets）同時連接，使用W5100時不需要考慮以 太網(wǎng)的控制，只需要進行簡單的端口編程。

STC90LE58RD和W5100之間通過SPI接口進行點對點 通信，不需要進行尋址操作，且為全雙工通信，顯得簡單高效。 在本系統(tǒng)中，STC90LE58RD控制W5100工作在TCP服務器 模式下，其處理流程圖如圖3所示。

2.4低頻輔助設備

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

低頻輔助設備主動發(fā)射連續(xù)125 kHz低頻脈沖信號（載 波數(shù)據(jù)中含該低頻輔助設備ID）；對應的電子標簽一直保持接 收狀態(tài)，當收到某低頻輔助設備的激活信號時，其低頻處理 芯片將解析出該低頻輔助設備ID,同時檢測出信號的RSSI值, 然后喚醒并把該RSSI值傳入MCU單片機，接著打開內(nèi)部的 2.4 GHz無線射頻芯片，進行一次強信號發(fā)射（無線發(fā)射的數(shù) 據(jù)包中含標簽ID、低頻輔助設備ID以及RSSI值）。該電子 標簽所處覆蓋范圍內(nèi)的讀寫器將收到該標簽以2.4 GHz頻段 發(fā)射的數(shù)據(jù)包，從中解析出標簽ID和低頻輔助設備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。

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

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

2.5電子標簽

在本RFID組合定位系統(tǒng)中，電子標簽由天線、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 標簽的工作方式為主動模式和被動模式并存：標簽主動發(fā)射 2.4 GHz信號，同時也可以被讀寫器或125 kHz低頻輔助設備 觸發(fā)發(fā)射2.4 GHz信號。電子標簽的發(fā)射信道和發(fā)射頻次都可 以調(diào)節(jié)。當電子標簽進入低頻輔助設備的覆蓋范圍時，它就會 被一直主動近距離發(fā)射125 kHz低頻激活信號的低頻輔助設 備所激活，獲取到該低頻輔助設備的ID、計算出對應的RSSI 值，隨后它會將標簽ID、標簽狀態(tài)信息、低頻輔助設備ID、 RSSI值等數(shù)據(jù)打包，并以2.4 GHz頻率無線發(fā)射出去。附近 的讀寫器在接收到標簽的數(shù)據(jù)之后，經(jīng)過校驗、處理，然后 通過網(wǎng)絡接口將數(shù)據(jù)上傳給上位機，上位機通過使用合適的 定位算法對數(shù)據(jù)進行處理，從而得到電子標簽的估計位置。

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

為了驗證定位效果，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)分別做了實地測試，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)獄項目中的定位精度

根據(jù)在項目現(xiàn)場所采集到的數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(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，可以得出如下結(jié)果：

（1）在電子標簽距離讀寫器0?10 m的范圍內(nèi)組合定位 系統(tǒng)的精度可達1 m左右，尤其是在低頻輔助設備的作用區(qū)域 內(nèi)定位精度高達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，這說明, RFID定位的方法在特定范圍較小的場合精度比較高、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 備比較多，相應的成本也會很高，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)應用的局限性。

3.2多頻RFID組合定位系統(tǒng)在監(jiān)獄項目中的實時性

通過測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)量標簽同時工作時的時延數(shù)據(jù)，可以繪制圖 5所示的關系圖。

由圖5中的曲線可以看到：

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

( 2)隨著標簽數(shù)目的增加，系統(tǒng)的傳輸時延越來越大， 并且保持一種不斷增大的趨勢，這會對系統(tǒng)的實時性和穩(wěn)定性 都造成不可估量的影響。

4結(jié)語

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

20211120_6198d91b0352f__多頻RFID組合人員定位系統(tǒng)在智能監(jiān)獄管理中的應用