多频RFID组合人员定位系统在智能监狱管理中的应用

引言

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。 结合视频采集系统形成视频联动,能使管理人员在异常事伟犯 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 （Radio Frequency Identification）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 （Received Signal Strength）（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2.4 GHz与125 kHz组合定位的定位方式，是利用 2.4 GHz读写器确定目标标签所在的大致范围，配合125 kHz 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）、2.4 GHz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。

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2.4 GHz 无线信号，读写器接收到信号之后，通过以太网或者光缆，!低频辅 助设备低频辅 助设备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125 kHz频率触 发进行近距离精确定位、2.4 GHz频率远距离识别和上传数据 的方式，采集低频125 kHz频段的RSSI值和2.4 GHz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。

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2.4 GHz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。

2.3 2.4 GHz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。

CC2530 收发器

在人员定位系统中，CC2530负责读写器2.4 GHz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8051 CPU，系统内可编程闪存，8 KB RAM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。

STC90LE58RD 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（STC micro）推出的一 款超强抗干扰、高速、低功耗的单片机，它具有32 KB的 FLASH ROM，1 280 B 的 SRAM，29 KB 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。

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 125 kHz,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125 kHz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 2.4 GHz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2.4 GHz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3.5 m。天线若并列布设可最多覆盖14 m长7 m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、2.4 GHz 射频发射电路以及125 kHz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 2.4 GHz信号，同时也可以被读写器或125 kHz低频辅助设备 触发发射2.4 GHz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125 kHz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2.4 GHz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 2.4 GHz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。

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0〜10 m的范围内组合定位 系统的精度可达1 m左右，尤其是在低频辅助设备的作用区域 内定位精度高达0.4〜0.6 m,效果明显优于只使用2.4 GHz

单一频段定位方法的效果。在大于10 m的范围内组合定位系

统的精度有所下降,但效果仍优于2.4 GHz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2.4 GHz 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。

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。

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