有源RFID定位算法在枪支管理系统中的创新应用研究

舒煜，伍江，李东辉，旷惠莹

（贵州师范大学，贵州 贵阳 550000）

有源RFID定位算法在枪支管理系统中的创新应用研究

舒煜，伍江，李东辉，旷惠莹

（贵州师范大学，贵州 贵阳 550000）

对任何一个涉及枪械使用的单位而言，枪支的有效管理是社会稳定的关键之一，并且信息数字化作为国内武器装备的发展方向，传统的枪支管理系统一直在被不断地更新。本文基于现有RFID近场通信的三边定位算法及RSSI值距离测算，着重对枪支的动态管理进行分析与创新研究。

枪支管理系统 有源RFID 三边定位算法 RSSI值测距

1 由国内外枪械库得到的启示

1.1 枪械库调研引发的思考

通过为期2个月对贵州省黔南地区都匀枪械库及其他10处枪械库的调研发现，目前贵州及西南地区乃至全国范围内，不少地区的枪库管理工作依旧以传统纸质记录方式为主。这造成枪械管理工作存在以下几个不足之处：

（1）枪支的录入、取出、取枪人员登记及枪支的盘点等都是依靠管理员手动记录，工作量繁杂、效率不高且存在极大的出错可能性；

（2）纸质文件不易备份，因为用枪 记录需要保存；

（3）应急功能差，需要查阅枪支取用情况，调取相对困难；

（4）安全性低，由于纸质卡片式的持枪证容易仿冒，存在持枪证信息被盗用的风险。

由此可见，未做到信息化的枪械管理体系存在诸多弊端。

但更为重要的是，对于配枪出警人员来说，用枪人员的枪支在使用过程中的不可测状况——枪支脱离用枪人员，才是枪支使用过程中最大的潜在风险。近几年诸如此类的情况时有发生。所以，如何有效实时地监测枪支在外使用情况，也是用枪单位必须深思的问题。

基于上述调研可知，目前的现状必须得到改善，故贵州江月兴科技有限公司相关研究人员与贵州省都匀市黔南州公安信息部门建立共建关系。本文将重点对枪支管理系统中测距及定位的算法进行研究。

1.2 国外军械设备管理及相关文献给予的启示

在国外，由于现代化战争的刺激，其军械装备的管理不论是从技术角度还是管理思路上都已经趋于成熟。特别是对于存在野外操作的军械装备，已经能够实现数字化无线传导，实现其装备的野外跟踪、信息交互及遗落搜寻等。2003年伊拉克战争之后，RFID技术在国外军械装备的应用越来越广泛，美国军队层多次将这种射频识别技术应用于各类物资资源的传输监控中。在目前欧美军械库高度发达的国家中，其后勤管理仓库中95%的设备都被附着并登记有这种射频标签，以此来有效监管仓库内的设备。

同时，通过阅读大量RFID相关文献发现，枪械管理的初步信息化已经有所实现，但只限于库内的简单静态监管，而对枪支的具体位置分析及动态监控的研究尚不多见。故本文拟在传统静态库内枪械管理的基础上，利用成熟的RFID技术及相关定位算法，重点对枪支管理中薄弱的位置信息管理进行探究。

2 相关技术理论及应用

2.1 有源RFID近场通信技术

RFID（Radio Frequency Identification），即无线射频技术，是指通过无线射频，以非接触方式对目标物体进行识别并获取相关信息。

从理论角度来说，一个成熟的RFID识别系统主要由电子标签、阅读器及天线组成。但是考虑到枪械在使用过程中会遇到阴暗等极端情况，所以在电子标签的设计中加入了LED发光环，具体如图1所示。

图1 RFID识别系统组成示意图

其中，阅读器（解读器）通过天线发出一定频率的射频信号，当附着于目标物体上的电子标签进入信号范围之内，主动发出（即为有源）存储于电子标签内的可用信息至阅读器，阅读器接收并解码后，以无线传输的方式送至中央信息系统进行处理，如图2所示：

图2 电子标签与阅读器之间的信息传输

在本文中，枪库内所有枪支均附着有电子标签且阅读器与后端服务器实现有线/无线连接。利用阅读器对电子标签的监控，实现后端管理人员对枪支及用枪人员的监控。

2.2 定位算法应用及RSSI值应用

（1）基于三边测量的定位算法及应用

1）具体算法

在RFID无线近场通信网络中，通常使用的坐标是二维的，因此可以设3个锚节点坐标分别为（X1,Y1）、（X2,Y2）、（X3,Y3），未知点的坐标设为（X,Y)，其与3个锚节点的距离分别是R1、R2、R3。则根据二维坐标系距离公式可以得到如下方程组：

利用极大似然法求解未知点坐标（X,Y)，可计算节点位置为：

2）应用

此算法适用于枪支在枪械库内的位置监控，拟在枪库内建立3台静态阅读器，每只阅读器与后端服务器以有线网络方式进行连接。利用三边测量的定位算法及3台阅读器与电子标签之间的位置关系，对枪支进行监控管理。

经调研可知，每支枪在枪库中的位置是既定的，利用该方法可对枪库内枪支进行精确定位。若枪支错放、移动或超过阅读器所覆盖范围（即无故出库），数据都会传输至服务器并通过计算检测出，以此来监控枪支在库里的安全状况。

（2）利用RSSI值测算距离及应用

1）具体算法

RSSI值（Received Signal Strength Indication），即接收信号的强度指示，其用来判定连接双方的连接质量。在本文中，RSSI值指的是RFID电子标签和阅读器之间的信号强弱。

通常，RSSI值与距离d之间的关系由自由空间损耗模型表示为：

其中，d为电子标签与阅读器之间的距离，其为一随机变量；k是信号传输常数，与信号传输环境有关，其取值范围为2至5；当d=1m时，A为读卡器接受到电子标签的RSSI值。

由于环境等因素导致的信号不稳定甚至是信号跳变的情况，那么在短时间内电子标签与阅读器之间的RSSI值不一定很准确，这样会导致距离d的测算也不会准确。

本文利用阅读器在0.1s内能接受3次同一电子标签数据这一特点，计算短时间内（约1s）多次RSSI值大小由此推算出该时间内多次距离值d，并根据迪克逊检验法来处理距离值d，以提高距离值的精确度。算法如下：

◆在公式（3）的基础上，将采集的距离值d由小到大排序有：X1＜X2＜X3＜...＜Xn；其中n为所有距离值（包括异常值）。

◆取统计检验的显著水平a=0.05，以此检验异常值，并由(a,n)及迪克逊临界值检验表确定临界值D(a,n)。

◆判断Xn、X1是否异常：计算Xn-Xn-1、X2-X1、Dn=(Xn-Xn-1)/(Xn-X1)、D1=(X2-X1)/(Xn-X1)。则Dn与D1之间较大者与D(a,n)比较，若Dn较大且Dn＞D(a,n)时，Xn为异常值，应舍去，否则保留。

◆除去Xn和X1，将剩余距离值重新由小到大排序，并重复上面的过程，直至检出所有异常值。

◆最终将剩余的正常距离值求几何平均数，即为读卡器收到电子标签的最精确距离值d。

2）应用

和以往的RFID应用相比较而言，本文利用电子标签与阅读器之间的距离关系来代表枪支与用枪人员之间距离的大小，以此判断枪支是否正常使用。

通过调研得知，目前阅读器设备已经可以集成化至便携式，成为一般警务人员外载移动终端设备。由无线网络传输如3G/4G网络实现与后端服务器的连接，电子标签附着于枪支，通过服务器将实时数据进行距离测算来监测枪支与警务人员之间的位置关系。

3 功能设计与实现

3.1 功能设计

通过调研得知，对于传统枪支管理，包括出入库查询管理、登记注册管理及库房内视频监控等都是针对枪支在枪库内的静态及简单用枪人员的管理，在功能上未能实现对枪支在使用过程中的监管及报警处理。故本文在模拟中增加了枪支在库位置管理及报警、枪支在使用过程中与用枪人员的位置关系及枪支脱离报警管理。通过RFID工具集成及2.2中的算法，实现对枪支使用过程的动态管理。

图3是对用枪单位枪械管理的功能设计示意图。

3.2 界面模拟

本文中前端界面的开发采用Bootstrap开源前端开发的工具包，MySQL作为后台数据库。考虑到篇幅问题，本文在这里并未提供部分可视化模拟界面，但主要页面由登陆页面、系统主页面、主页面下的各个子页面组以及各种警告框、信息输入框、信息提示框组成。

（1）传统功能界面

图3 枪支管理系统整体功能示意图

传统界面包括了中控模拟界面、主系统界面、模块管理菜单、查询页面等。由于这些界面在以往的枪械管理系统中已经实现，故只对部分实现功能做应用型介绍（比如基于定位算法下的枪支测距应用）。围绕国家对枪械的管理法规，基本管理模块主要包括人员信息、枪支信息、枪支与人员匹配信息、查询统计、电子持枪证注册及注销、枪支出入库时间及相应人员、枪型等信息。

（2）基于三边定位算法及RSSI值测距应用

在2.2中，已经讨论了三边定位算法及利用RSSI值测距在枪械管理中的应用问题。

1）三边定位算法定位的模拟

针对枪械库中枪支定位管理进行模拟。

由调研信息可知，一般情况下，枪械库面积可达40m2左右，而1只普通阅读器（如型号为NRP-R820及W-R808等）的最精准有效覆盖范围在15m左右（读写范围可调整），那么采用3只阅读器去覆盖整个枪械库则覆盖区域如图4所示。

图4中，（x1, y1）、（x2, y2）及（x3, y3）为3只阅读器安置点，对枪支O（x0, y0）进行位置监控。

通过试验，安装的3只阅读器于40m2的库内，每只阅读器读写半径调整为15m。将1支附有电子标签并且已经登记入库的枪支置于库外，通过直角坐标系模拟（如图5所示），其中A、B、C这3点为阅读器位置，O为枪支置放点。

图4 3只阅读器所覆盖范围示意图

图5 直角坐标系位置模拟

后台服务器根据阅读器实时传输的数据及2.2中的算法可知，此时无法计算出已归库枪支的位置信息。这表明该枪支虽然登记入库，但已经超出信号覆盖范围，则系统自动弹出对话框并报警警示。

2）RSSI值测距的模拟

对枪械使用过程中枪支与用枪人员之间的距离进行模拟。

由于目前读写器的高度集成，所以每位配枪出警人员身上可佩戴1只便携式阅读器，以对相应的枪支进行监控，数据可通过无线网络传输至后端服务器。通过对读写器厂商的调研可知，目前可用的便携佩戴式读写器型号为AD-1832、W-R100及AD-1705等。

经数据提取，对后端服务器通过阅读器与电子标签在1s内所测定的10次距离值d的数据进行分析，即对10.000 4、10.000 4、10.000 5、10.000 3、10.000 6、10.000 6、10.000 5、10.000 5、10.001 2、10.000 7这10次所测数据用2.2中的算法进行计算可知：此时枪支与用枪人员之间的距离值为10.0004m。

考察实际测量得知，枪支距离用枪人员所配阅读器的最大距离为0.7m，若距离超过0.7m，则认为枪支脱离用枪人员，视为非安全用枪。

故由服务器测算可知，此时已是非安全用枪，后端服务器也会弹出相应对话框报警。

4 结束语

与以往的研究相比较，本文将RFID技术相关算法应用于枪支的位置管理中，突破了原有理论及系统模型中仅仅对枪库中的枪支等武器设备进行定点式静态管理的瓶颈。本文研究的方法不仅能对枪支进行出入库管理，而且还能对其具体位移作出较为精准的反映，有利于出库枪支定位和信息反馈，提高了对枪械设备的动态管控能力。

使用文中算法对室内外的定位进行研究，希望对该领域的传统理论模式作出补充，能给该相关研究领域提供一种思路，旨在丰富该管理系统中的薄弱环节。鉴于各位学者专家对该领域的研究还在持续进行，同时对RFID在枪支管理中的应用研究也在不断深入，相信更加突出的理论以及更加新颖的模型将会提出。

本文所探讨的方法需要通过实践来验证及完善，希望所讨论的内容能够对枪支管理产生积极的影响。

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舒煜：硕士毕业于贵州师范大学，研究方向为信息系统管理，现任贵州江月兴科技集团项目经理，发表论文多篇。

伍江：毕业于贵州民族大学，现任贵州江月兴集团技术总监，曾参与E市街平台开发、677网校网站开发等项目。

李东辉：硕士毕业于贵州师范大学，现任职于贵州江月兴科技集团，研究方向为信息系统管理。

旷惠莹：硕士毕业于贵州师范大学，现任职于贵州江月兴科技集团，研究方向为空港信息流通管理，发表学术论文多篇。

Innovative Application Research on Active RFID Localization Algorithm in Gun Management System

SHU Yu, WU Jiang, LI Dong-hui, KUANG Hui-ying
(Guizhou Normal University, GuiYang 550000, China)

For every institution involving gun, effective gun management is the one of vital factors to maintain society stable. As information digitization is also the development direction of domestic weaponry, traditional gun management system has constantly been updated. Based on existing trilateral localization algorithm of RFID near field and received signal strength indicator (RSSI) ranging, dynamic gun management system was analyzed and innovatively researched.

gun management system active RFID trilateral localization algorithm RSSI ranging

10.3969/j.issn.1006-1010.2015.10.012

TN02

A

1006-1010(2015)10-0061-05

舒煜,伍江,李东辉,等. 有源RFID定位算法在枪支管理系统中的创新应用研究[J]. 移动通信, 2015,39(10): 61-65.

2015-03-05

责任编辑：刘妙 liumiao@mbcom.cn