RFID技术在国防工程安全管理系统中的应用

韩旭 刘迎新

(解放军理工大学国防工程学院,江苏 南京 210007)

RFID技术在国防工程安全管理系统中的应用

韩旭 刘迎新

(解放军理工大学国防工程学院,江苏 南京 210007)

结合国防工程安全管理的现状和建设信息化部队的要求,考虑到现有的安全管理模式对人员和装备的精确化管理程度低和实时性差的特点,采用RFID技术、超声波技术和现场总线技术,设计了国防工程安全管理系统。在介绍了系统架构的基础上,详细阐述了系统的软硬件设计,并对管理系统的软件进行了模块和功能的分析。试验结果表明,该系统能实时显示国防工程中的人员和装备信息,在提高国防工程安全管理的精确化水平方面具有广阔的应用前景。

国防工程 信息化 精确化管理 安全管理 射频识别

0 引言

目前,国防工程平时维护的安全管理仍以人员巡查和摄像头监视为主要技术手段。人员巡查会受到客观条件、主观态度和经验等因素的多重影响。摄像监视客观上受安装位置、视角和视距的限制,存在观察死角;主观上值班人员的精神状态也给安全管理带来了不确定因素。因此,为消除安全风险,提高国防工程安全管理的信息化和规范化,可以利用RFID技术、超声波探测技术和现场总线技术,精确实现进出工程人员的标准化管理和信息记录[1]。

1 系统架构

1.1 系统关键技术

RFID技术是利用射频方式进行非接触双向通信,以达到自动识别目标并获取数据。不同于传统的磁卡和IC卡,RFID技术解决了无源和免接触两大问题,同时它可实现运动目标识别、多目标识别,能够广泛应用于各类场合。其突出优点是环境适应性强(能够穿透非金属材质)、数据存储量大、抗干扰能力强[2]。

超声波探测器以超声波为探测源,不受外界光线及电磁场等因素的干扰。LonWorks(local operating networks)总线技术主要包括:具备通信与测控功能的Neuron芯片、LonTalk通信协议、LonBuilder与NodeBuilder开发工具和软件开发语言Neuron C等几个方面。LonWorks总线具有支持ISO/OSI的所有7层模型、支持多种通信媒介及多种网络拓扑结构、良好的开放性与互操作性等诸多优点[3]。LonWorks控制网络允许灵活的网络拓扑结构,可以根据现场层的设备及监测点的分布采用合适的网络结构,使得结构简单、灵活,系统维护简化。

1.2 安全管理系统的构建

国防工程安全管理系统主要由指挥中心、人员管理系统、装备管理系统和环境控制系统4部分组成。系统为3层网络结构,即管理层、监控层和现场层。国防工程安全管理系统架构如图1所示。

图1 国防工程安全管理系统架构图Fig.1 The architecture of national defense engineering security management system

管理层采用1 000 MB TCP/IP网络连接工程指挥中心、上级指挥中心和工程外部监控主机等;监控层采用100 MB TCP/IP网络,连接指挥中心和各区域监控站、设备监控计算机等终端;现场层采用LonWorks现场总线,各区域的人员管理装置、装备管理装置和环境控制设备通过该总线连接到现场的智能控制器,实现数据的无缝连接。

系统工作原理具体如下。

为进入国防工程人员配发固定ID的标签卡,在指挥中心PC终端的数据库里记录该ID对应的人员的基本信息(如姓名、年龄、职务、部门;临时进出人员还需记录进入事由及批准人和陪同人员等信息),并预设活动权限。人员管理系统通过身份识别装置,对进入人员的探测和标签卡ID的读取信息传至指挥中心,并判断人员的身份和进出权限。国防工程内部装备贴标签卡,并设置安全移动距离。当装备移动距离超出安全距离时,读卡器将信息上报指挥中心并报警。同时,值班人员可以通过手持终端进行巡查以检查装备和人员情况。环境控制系统实时地将工程内部的环境信息发送给指挥中心,以实现指挥中心对工程内部环境的实时监测和控制。

2 系统硬件设计

2.1 指挥中心硬件设计

指挥中心主要由数据服务器、视频监视器、防火墙和若干台操作终端组成。数据服务器是系统数据库的存储载体,人员信息、装备信息和环境信息都存储在数据服务器中。视频监视器主要用于记录国防工程周边环境、人员和工程内部情况。操作员站可以实现对整个系统的实时监视和控制,指挥员站可以通过国防专用网关远程登录站点,对系统情况进行监视。

2.2 人员管理系统硬件设计

根据工作频率的不同,RFID系统分为低频、中频和微波系统。本系统采用2.4 GHz的微波频段,为电磁耦合系统,识别距离远,可达100 m,读写速率高。本系统采用主动式RFID系统,射频卡采用电池供电。作用距离可控,最大支持32级功率控制,通过发命令的方式调节读写器的接收距离。系统能识别移动速度在200 km/h以内快速移动的电子标签,可以同时识别200张卡。系统使用频道隔离技术,多个设备互不干扰。

人员管理系统由控制器、超声波模块、RFID模块、天线和标签卡组成,其架构如图2所示。当超声波探测模块探测到人员进入监视范围时便启动射频模块,将读取到的标签信息上传到指挥中心,与数据库信息进行比对。若射频模块没有读取到标签信息或信息与数据库信息比对有误,则记录并报警。

图2 人员管理系统架构图Fig.2 The architecture of personnel management system

2.3 装备管理系统硬件方案

装备管理系统由射频读卡器、手持终端和标签组成。在装备上贴上标签,并在指挥终端设置相应的安全移动距离。当设备移动距离超过安全移动距离时,读卡器将对应的装备标签信息上传至指挥中心。手持终端用于值班人员对装备的巡查和记录。

2.4 环境控制系统硬件方案

国防工程环境控制系统采用RFID技术实现国防工程内部温湿度、气体浓度的监测和控制。监测和控制无线化,辅以上位机监控程序,实现国防工程环境的本地监控和远程监控。系统主要由单片机、温度/湿度/气体浓度监测模块、无线收发模块和命令执行模块组成。控制设备包括空调、除湿机、防护设备及报警器等,实现国防工程内部的环境监控,提升工程内部安全等级,保证工程内部人员和装备的安全。针对不同的区域有不同的温湿度要求,需将工程环境温湿度控制在设定的温度和湿度范围,以维持作战、值班不同需要并节省能源。温湿度传感器和气体浓度监测传感器实时采集环境的温度、湿度和气体浓度数据,由环境控制系统实现对环境温湿度和气体浓度监测和控制,以决定防护门和防护设备的关闭和开启,并实现对可能出现的起火等情况进行报警功能。

3 系统软件设计

3.1 LonTalk通信协议

LonTalk通信协议是LonWorks总线的核心,遵循ISO分层体系的要求。该协议是面向对象的网络协议,使得设备中的应用程序能在网络上对其他设备发送和接收数据,而不需要知道网络的拓扑、名称和其他装置的功能。LonTalk协议使用类似于以太网所用的“载波监听多路访问(carrier sense multiple access,CSMA)”算法。LonTalk协议建立在CSMA基础上,提供介质访问协议,使得系统可以根据预测网络业务量发送优先级报文和动态调整时间槽的数目。通过动态调整网络带宽,被称为预测性P-CSMA协议的算法使网络能在极高网络业务量出现时继续运行,而在业务量较小时不降低网络速度[4]。

3.2 指挥中心软件开发

采用Access数据库和Visual Basic 6.0开发的指挥中心系统包括服务器和客户端两部分。服务器与客户端通过基于TCP/IP协议的Socket网络通信实现数据传输。放置服务器的PC机需要有独立的IP[5]。管理系统实现了工程进出人员的门禁、值班员巡更管理、工程内部人员的误闯报警、装备的安全和标准化管理,并可以实时显示工程内部环境情况和外部关键点的视频记录。系统为每个用户设定相应的权限,具备用户管理的各种功能,对数据进行加密算法处理,数据保密性强。

信息管理系统示意图如图3所示。

服务器终端的应用程序采用模块化设计。各设备根据其完成的任务、任务的性质等要求,结合数据流程,被详细划分成各功能模块。根据系统功能的需求,服务器终端有系统界面模块、数据收发模块、数据库存储模块、判断报警模块、状态显示模块、视频/数据记录模块和历史信息数据查询模块。软件采用多线程模块化设计,包括主程序、通信线程和报警线程[6]。首先执行主程序,然后配置读卡器模块,创建并执行数据存储、数据显示和报警判断3个线程。

服务器端和客户端功能的实现过程如下。

服务器端[7-8]实现客户端和各终端的连接、绑定、断开等功能,并实现客户端、各终端和上级服务器传输数据的中转和管理。服务器端利用客户端协议数据识别各终端并绑定。将各终端的传输数据处理、提取后,转发至客户端;接收客户端的指令信息并转发给各终端。

客户端对服务器转发的各终端的数据进行分析、处理和显示,实现系统管理、数据管理、连接维护和设备管理。系统管理主要实现系统用户的登录权限及操作管理,人员和装备基本信息的录入和管理,进出人员的活动追踪和记录以及国防工程内部温度、湿度、有害气体浓度等环境信息的记录和查询。设备管理主要涉及环境控制设备包括空调、除湿机、防护设备和管理系统的信息交互。管理系统能给这些设备发送控制命令,也能接收终端的命令执行回复,实现了环境控制设备的状态监测和控制功能。连接维护实现客户端和服务器的连接和数据传输。

3.3 人员、装备管理功能的实现

人员管理是通过身份识别装置读取人员探测和标签数据实现,人员识别装置依工程具体情况布置在巷道和装备间。其实现的主要功能为:超声波探测模块探测到范围内人员出现,即启动RFID模块以读取标签卡的数据,将读取到的数据传输到上位机管理系统进行信息比对。手持终端模块编写了液晶显示模块任务和RFID模块任务,实现对人员和装备的现场检测和管理。

系统设计规定计算机往读头方向的数据为主机命令,读头往计算机方向的命令为从机命令。所有的命令和数据都是以字节为单位,用16进制表示;所有从机的数据都是FFFF作为开始标志、EEEE作为结束标志。通信波特率为19 200 bit/s,数据位8,停止位1,无校验,无流程控制,16进制发送,16进制接收。读取数据命令是01。发送数据格式如表1所示,接收数据格式如表2所示。

表1 发送数据格式Tab.1 Format of the sending data

表2 接收数据格式Tab.2 Format of the receiving data

表2中:FF为开头标志;01为读头地址;00为预留参数;00 45为读取到的第1个射频卡的有效数据; EE为结束标志。

电子标签定时主动发送数据。读卡器收到射频卡信息后,将数据保存在读卡器的RAM中。读卡器最多读取100个卡。当卡数超过100,那么读卡器新的数据会覆盖老的数据。

3.4 国防工程环境控制功能实现

环境控制模块分为主节点和从节点。主节点接收从节点信息,处理后上传至设备控制计算机;从节点监测环境数据和接收主节点命令。主节点为独立模块,可单独使用,同时人员识别装置预留该模块安装接口,实现即插即用。根据环境的不同,决定采用集成模式或是独立设置。控制模块实现国防工程的环境温度、湿度及有害气体浓度的检测和控制功能,控制模块从节点采用RFID技术与主节点通信[8],通过控制空调、除湿机和防护设备等,实现国防工程环境参数的控制和有害气体的隔离等。环境控制模块流程图如图4所示。

根据区域的不同作战目的和不同设备对环境温湿度要求的不同[9],需要对工程进行分区控制,以满足不同的要求。系统采用多任务方式,对每个区域任务单独进行管理,对温度、湿度和有害气体浓度进行监控和报警。系统采取冗余配置,避免数据误差和因模块损坏带来数据传输的中断。系统周期性地对区域环境信息进行采集和处理。当温度超过所设范围时,加热和制冷设备自动关闭和启动;湿度超标时,自动启动除湿机;当有害气体浓度超标时,系统报警指挥人员可以通过系统发送命令控制防护门和“三防”设备的开启。当工程内部有空调、除湿机启动时,风机自动开启以加速空气流通。

图4 环境控制模块流程图Fig.4 Flowchart of the environment control module

4 结束语

本系统结合RFID、超声波技术和现场总线技术,实现了国防工程安全管理的智能化和标准化,解决了当前国防工程人员管理难度大、规范性低的问题。系统可查询人员的进出记录、活动范围、当前状态,值班人员的巡查路线,工程环境的实时数据和内部设备的状态。该系统具有非接触式识别、实时跟踪、数据处理智能化等特点,对规范国防工程的管理、提高管理效率等有一定的推动作用。

[1] 贾保先,谢圣献.物联网关键技术研究[J].自动化仪表,2012, 33(3):35-37.

[2] 王光奇.基于ARM的远距离双频读卡器系统的研究[D].成都:西华大学,2008.

[3] 毕崇伟,殷海俊,张代国.LonWorks节点开发方法与应用[J].海军航空工程学院学报,2003,18(1):161-164.

[4] 孙启利.LonWorks现场总线智能I/O节点的设计与实现[D].北京:北京交通大学,2007.

[5] 王毅,石祥聪,周勇,等.基于RFID的储运一体化系统的设计与实现[J].自动化与仪表,2012(8):52-56.

[6] 贾松涛,杨彩,刘军,等.RFID在图书管理系统中的应用[J].自动化仪表,2012,33(6):43-45.

[7] 赵谦,董延杰.3G网络家庭状况远程实时监控系统的研究[J].自动化仪表,2012,33(6):46-48.

[8] 顾简,施云波,修德斌,等.基于GPRS的环境温湿度监测系统设计[J].黑龙江大学自然科学学报,2010,27(6):832-835.

[9] 茅靳丰,李永,耿世彬,等.防护工程内部环境保障的研究进展[J].暖通空调,2012(9):6-12.

Application of RFID Technology in National Defense Engineering Security Management System

Considering the actuality of the security management of national defense engineering and the requirements of constructing informationalized force,as well as the disadvantages of existing security management mode,e.g.,low degree of accurate management for personnel and equipment,and poor real time performance,the security management system of national defense engineering has been designed by adopting RFID,ultrasonic and field bus technologies.On the basis of introduction of the system architecture,the design of hardware and software is described in detail,and the modular and functional analysis on the software of the management system is conducted.The result of tests shows that the information of personnel and equipment in national defense engineering can be displayed in real time;the system possesses wide applicable prospects in improving the accurate level of security management of national defense engineering.

National defense engineering Informatization Accurate management Security management Radio frequency identification(RFID)

TP277

A

修改稿收到日期:2013-07-24。

韩旭(1969-),男,2003年毕业于解放军理工大学防灾减灾与防护工程专业,获博士学位,教授;主要从事室内空气质量检测方面的研究。