一种基于物联网技术的安防定位管理系统设计

陈子平，范庭芳，夏勇明，钱松荣

0 引言

安防指在特定场所或区域，通过采用人力、技术和物理防范等方式综合实现对人员、设备、建筑或区域的安全防范。目前大多数应用场合的安防管理系统多以视频监控为主，同时需要配备专人监视屏幕，因此防范效果较大程度地依赖于管理人员的执行能力。在一些对安防级别要求较高的场合，如精神病院、监狱、军事基地等，仅依靠人力较难达到安全防范需求。因此，在物联网技术日益发展的今天，将传统的监控管理系统向基于物联网技术的智能安防定位系统转变，实现即时化、精确化、高保障的安全防范体系。[1-2]

本文旨在利用物联网的射频识别技术和传感器技术，针对现代人员安防场景的应用需求，设计一个集人员识别、定位、防跌倒、防破坏等功能于一体的现代安防定位管理系统，实现高效有序的管理、紧急情况的决策与处理、人员实时定位与管理等，以满足一般应用场合的安防需求。

1 系统架构

整个系统利用了物联网的多个重要技术，使其符合即时、精确、高效要求的安防定位管理需求。如图1所示，凭借物联网的射频识别、传感器等技术，可以随时随地获取人员信息，并实现对其的全面感知；通过

各种网络融合，将感知的信息准确、实时地进行传输；中心监管系统部分利用云计算等智能技术，对海量信息进行分析处理，实现智能化管理与控制。因此，借助物联网的技术，可以建立起管理者、监管目标与安防设施的高效联动，为安防系统的设计与实现奠定基础，如图1所示：

图1 系统中物联网技术的应用

根据物联网技术的一般架构，安防定位管理系统主要分为感知层、网络层和应用层3部分，系统整体架构，如图2所示：

图2 系统整体架构

感知层以传感器、射频标签等各种感知终端为主；网络层利用有线局域网、Wifi和Zigbee无线组网方式相结合，实现数据的传输；在应用层，利用计算机终端对整个系统与网络进行控制管理，形成控制管理中心，实现数据采集、存储、分析、监测、管理等功能。[3]

2 系统硬件设计

2.1 系统硬件部署

感知层中，射频标签和传感器组成感知终端，用于采集人员各类信息。射频标签以支持Zigbee协议并拥有定位引擎的CC2530/2531为主要硬件平台，采用有源主动式设计，连接以加速度传感器为基础的跌倒检测传感器，实现一系列定位监测、数据传输、防破坏报警等功能。基站作为定位参考位置节点，布置在应用场景的各个角落，硬件构成上与射频标签基本相似，为上层提供RSSI（Received Signal Strength Indication接收的信号强度指示）参考点数据。

感知终端与基站的数据经过网络层的路由节点传输给应用层的微处理器，也可以由管理人员利用手持读卡器在巡逻时进行即时查询、点名等。所有传输数据经防火墙后最终被传输到由数据库服务器、总控制计算机和管理人员构成的控制管理中心，进行进一步处理，并做出下一步的命令指示。系统感知终端与手持读卡器部分硬件框架设计，如图3所示：

图3 感知设备硬件框架设计

2.2 系统组网

系统组网方式为有线局域网、无线Wifi和Zigbee组网方式相结合。

应用层微处理器的职能类似于局域网网关，位置相对固定，使用有线以太网接口与上位机通信。由于Zigbee作为短距离、低传输数据速率下的电子设备之间的无线通信组网技术，具有功耗低、数据传输可靠、网络容量大、安全性高、具有一定自组织性和自适应性等特点，因此，在微处理器与路由节点之间、路由节点与感知终端之间、路由节点与基站之间均使用Zigbee通信，满足实时性、便捷性、高效性的需求。而对于手持读卡器来说，考虑到长距离、即时性、准确性需求，选择Wifi方式与微处理器通信。[4-5]

3 系统软件设计

3.1 系统功能设计

对于一般安防应用场景，系统功能模型设计，主要包括系统管理、基本功能、定位管理、信息处理4个功能模块，如图4所示：

图4 系统功能模型

系统管理模块主要对整个系统进行日常运行的维护和管理，可在此查看系统日志、增删用户、使用帮助等。基本功能模块主要用于实现人员的添加、删除、修改、搜索等，即可灵活地添加、删除感知终端节点，修改人员信息、位置权限等，并可随时检索到人员的状态与信息。定位管理模块主要用于显示人员实时位置与状态，在发生紧急情况，诸如感知终端被破坏、人员跌倒、越界、进入禁区等，即时显示事件发生位置和具体情况，方便管理人员知晓并采取相应措施。信息处理模块可实现自动化定点考勤管理、实时的数据采集与历史轨迹回放、在突发情况下进行智能判断并对附近管理人员提示预警，另外，在大量数据的基础上，可建立云计算分析平台，根据实际的人员活动信息记录，建立行为分析模型，对于非正常活动状态提前给予提醒，提高系统的智能化程度。

3.2 网络通信设计

本系统的有线局域网部分采用TCP/IP协议通信，无线组网部分基于TI公司的Z-Stack协议站，符合IEEE802.15.4和Zigbee协议标准。系统采用网状拓扑结构组建网络，因为在此结构中，任意节点都可以与其通信范围内的对等节点进行通信，对应灵活的路由发现方法，使整个网络具有更好的自组织性和自适应性，即使一个网络节点出问题也不会影响到其他节点的正常通信。

由于实际应用场景可能十分庞大，因此将感知终端划分为多个个域网，每个个域网由一个微处理器作为协调节点进行管理，下设多个参考节点和路由节点。一个采用网状网络结构的个域网结构，如图5所示：

图5 系统个域网结构

3.3 应用程序设计

在TI的Z-Stack协议栈中，OSAL（Operating System Abstraction Layer，操作系统抽象层）是协议栈的核心，在开发应用层时，通过创建OSAL任务来运行应用程序，应用程序流程图，如图6所示：

图6 应用程序流程图

3.4 系统关键技术

（1）防破坏技术：感知终端加入了低电压报警功能，即终端设施被破坏时，将自动向上位机发出预警。

（2）人员状态检测技术：若人员在作业中突发跌倒等状况，系统会立即予以提醒，并通知附近人员进行处理。感知终端预留可扩展接口，在不同应用场景可扩展连接其它各类功能的传感器。

（3）低功耗技术：当感知终端在个域网之间切换或与路由节点通信时，采用防碰撞算法，达到有源标签的低功耗要求。

（4）定位算法：本系统采用非测距的定位方法，由于此方法仅依靠网络的连通度即可实现节点自身定位，无需额外的硬件，因此对于大型安防定位管理系统更具实用性和高效性。[6]测量点的地理信息主要基于RSSI值，并根据已知位置信息的参考节点或者事先训练好的参考数据，比较得出相对关系，再根据已知参考节点的地理信息推算出被测节点的位置，以实现定位需求。

4 结束语

基于物联网技术的安防定位管理系统是实现现代智能安防产业需求的一个发展方向，它将传统的人力视频检测管理方式转变为主动、智能、精确的实时安防管理系统，提高了系统效率和安全保障。分析现代安防管理系统的需求，利用物联网的射频识别、传感器网络、无线传输、智能处理等技术，设计了具有一般适应性的安防定位管理系统，建立了其系统架构与功能模型。下一步研究方向，将在此一般性系统模型基础上实现各种具体环境的应用与优化，并进一步完善和提高系统性能。

[1]张立军. 安防领域中物联网技术的行业化应用及创新[J]. 中国安防，2012，（11）：31-35.

[2]刘成勇. 安防系统智能化在现代医院管理中的应用[J]. 制造业自动化，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]钱志鸿，王义君. 物联网技术与应用研究[J]. 电子学报，2012， 40(5)：1023-1029.

[5]苏平，蒋泰，张予帅等.基于Zigbee技术的射频识别读写器网络的构建[J].广西科学院学报，2009，25(4)：29l一293.

[6]王福豹，史龙，任丰原.无线传感器网络中的自身定位系统和算法［J］. 软件学报，2005，16(5)：857-868.