基于ZigBee技术的监狱服刑人员实时定位系统

周 旭雷晓春陈俊彦（1.桂林电子科技大学，广西 桂林 541004；2.桂林监狱，广西 桂林 541004；3.广西高校云计算与复杂系统重点实验室，广西 桂林 541004；4.广西可信软件重点实验室，广西 桂林 541004；5.广西云计算与大数据协同创新中心，广西 桂林 541004）

基于ZigBee技术的监狱服刑人员实时定位系统

周 旭1,2雷晓春1,3,4,5陈俊彦1,3,5
（1.桂林电子科技大学，广西 桂林 541004；2.桂林监狱，广西 桂林 541004；3.广西高校云计算与复杂系统重点实验室，广西 桂林 541004；4.广西可信软件重点实验室，广西 桂林 541004；5.广西云计算与大数据协同创新中心，广西 桂林 541004）

针对目前监狱服刑人员的管理的问题，文章设计一个基于Zigbee技术的监狱服刑人员实时定位系统。本系统采用ZigBee技术架构为支撑，结合网络进行组网采集数据，并将数据通过监控主机进行分析和存储，并将分析后的数据反映到终端，实现对服刑人员的实时定位。

ZigBee；监狱服刑人员；实时定位

1 引言

随着现代网络和无线传感技术的成熟和普及，以及监狱管理制度和理念的逐步完善及设施的不断更新，我国司法部门正在全国监狱系统大力统筹推进以网络和传感技术为基础的现代信息化监狱管理系统建设。本论文设计了一个基于Zigbee技术的监狱服刑人员实时定位管理监控系统。运用物联网的概念，采用低功耗Zigbee无线定位技术，利用内置CC2530芯片的可防拆卸式腕带作为定位节点，通过获取节点接收的信号强度RSSI值，用定位算法计算出节点位置信息来进行定位。运用成熟的以太网技术进行监控系统组网，使用SQL Server数据库存储数据，采用PC终端设备进行管理，实现对服刑人员的实时定位、实时人数统计、越界/进入禁入区域报警、重点人员跟踪、人员移动轨迹采集以及干警安全保障等多项实时监控功能。

2 系统的体系结构设计

结合监狱的实际工作流程，本系统由以下四部分组成：

（1）数据采集层：通过ZigBee无线传感器网络对监狱服刑人员的位置信息、生命体征和所佩戴的腕带的状态信息进行采集，并将采集到的数据经局域网发送到系统服务器进行分析和处理。

（2）数据存储层：主要功能一是存储数据采集层发送来的数据，二是存储系统服务器分析和处理后的结果数据，三是对定位分析中所需要用到的设备信息、地理信息、区域坐标信息、参数信息等进行存储，四是存储服刑人员的个人信息。

（3）分析决策层：系统服务器利用分析软件对采集到的数据进行分析、计算来对监控对象进行定位，并将定位结果反馈到终端监控主机；对监控对象的活动轨迹进行绘制；对突发和越权行为发出预警。

（4）信息表示层：执勤民警在终端监控主机上实时监控服刑人员的位置，对指定服刑人员的位置信息、个人信息和活动轨迹进行查询，对区域内的服刑人员的人数进行统计。

本系统的体系结构设计如图1所示：

图1 系统体系结构设计

3 系统网络设计思路

本系统的网络体系主要由两部分组成，一是用于采集服刑人员位置信息的ZigBee网络。另一部分是将ZigBee网络采集到的数据传输到系统服务器和监控终端的内部局域网。本系统的网络总体结构如图2所示。

图2 系统网络设计

监狱根据监管要求划分为若干个监区进行管理，每个监区关押一定数量的服刑人员。一般说来，每个监区都有自己独立的关押场地和劳动改造场地，可以将每一个独立的关押场地和劳动改造场地作为一个监控区域来进行划分，并在这个监控区域架设一个全覆盖的ZigBee定位子网络，各区域的ZigBee子网络彼此通过网络ID区分，但又彼此相连共享数据，形成覆盖整个监狱的无线定位网络。从图中我们可以看到，定位网络由移动定位腕带、定位读写器、ZigBee协调器和监控终端组成。

4 系统组成设计

监狱服刑人员无线定位系统根据其体系结构设计可以知道整个系统的组成基本分为两个部分，一是服刑人员的位置信息采集即人员定位系统，二是对定位数据进行分析、处理和反馈即监控系统。

（1）人员定位系统

终端定位传感装置模块采用回路防拆卸式腕带，在服刑人员入狱时就立即给其佩戴。每一个腕带具有一个唯一的标识号，对应所佩戴的服刑人员，这是一个16位的短地址，利用这个标识号获取佩戴者的位置信息和身份信息。腕带内置 CC2530芯片，功耗低，并具有无线发送数据的功能。腕带采用回路设计，一旦被擅自拆卸的话就立即触发警报。用基于Zigbee的无线传感器网络建立人员定位模块，对关押服刑人员的整个监区即电网围墙内的区域进行区域划分并进行编号，在每个区域安置一定数量的固定节点作为锚节点，以便网络覆盖整个监区。每个区域要有部分参考节点具有数据收集和路由功能，以实现采集数据并将数据汇集上传至系统服务器。腕带唯一内码被其所在区域的参考节点读取识别后，将该腕带内码和自身的号码由协调器经局域网发送到系统服务器。系统服务器根据收到的信息并经过计算，就能自动跟踪每一个腕带即所佩戴人员的位置和生命体征，并通过系统后台分析并描绘出其移动轨迹。

（2）监控系统

终端监控模块的主要功能包括：对Zigbee定位网络采集到的数据在系统服务器由相应软件进行分析、处理和存储；将处理后的数据以直观、动态的图形界面形式实时反映到终端监控电脑的应用程序上；对监控人员的查询操作做出回应，并返回结果；在重点区域为服刑人员分人员分时段的设定权限，当无权限的人进入或在禁入时间段有人进入时发出警报。

5 定位算法

RSSI算法通常采用三边测量法来进行定位，三边测量法是通过三个已知坐标的节点为圆心的三个圆相交于一点来确定位置节点坐标的，这种测量法建立在理想情况下，但在实际应用中，三个圆通常很难交于一点，而是交于一个区域，所以使用三边测量法来定位会产生误差，降低定位精度。本系统中另外引入质心的概念，即取三边测量法三个交点围成的三角形的质心作为离待测节点最近的位置坐标，从而减少误差和提高精准度。

如图3所示，假设三个以已知坐标的信标节点为圆心的三个圆分别为A，B，C，信标节点到质心D(x,y)的距离分别是d1，d2，d3，已知网络中三个信标节点的坐标分别是 A(x1,y1), B(x2,y2),C(x3,y3)。那么存在下列关系：

通过计算上述的方式组，可以得出D点的位置坐标为：

图3 三边测量法示意图

6 实验小结

本系统腕带内置CC2530芯片和SON1205心率模块，定位节点为CC2530芯片加装天线，图3和图4为腕带内部图及采集网络图。

图4 腕带内部装置

图5 采集网络搭建

本系统部分界面如图6、图7。

图6 历史轨迹查询界面

图7 报警提示弹出窗口界面

本系统测试采用了10.34m×7.89m的平面区域，在该区域中做好坐标的标记，定位区域内随机分布15个未知坐标的移动节点（腕带装置），统计移动节点的定位误差大约在0.1m～0.38m之间，符合监狱监控系统的应用需求。

7 总结与展望

本论文中设计的人员定位系统的主动性提示和报警的优势是目前视频监控系统及其他被动式监控系统所不能实现的，从根本上将被动式防范转变为主动式管理，不仅为一线民警提供管理服刑人员的辅助工具，也从心理上给予罪犯极大的威慑，提高监狱的监管力度、效率和安全等级，确保监狱安全稳定。

该系统受监狱保密性制度的影响，暂不能到监狱内部进行实地测试，只能在实验室中进行测试，根据测试结果，RSSI值会由于工程质量问题、外界干扰、参数设置错误、设备故障和终端问题等出现异常如过低、过高、主分级差值过大等，不过测试时平均误差在0.3m以内，符合监狱监控系统的应用需求。今后研究将在桂林监狱某监区进行试点测试，不断完善系统，针对定位算法进行一定改进，提高系统整体的准确度和可靠性。

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Real time positioning system for prison personnel based on ZigBee technology

In light of the management of the prison staff, this paper designs a real time positioning system for prison personnel based on zigbee technology .This system is supported by the ZigBee technology, data collecting by the network, data analysis and storage by monitor host. After analyzing the data to the terminal, the system can realize personnel location.

ZigBee; prison personnel; real time positioning

TP399

A

1008-1151(2016)11-0006-03

2016-10-10

广西可信软件重点实验室研究课题（kx201320）；广西高校云计算与复杂系统重点实验室研究课题（14103）；广西云计算与大数据协同创新中心研究课题（YD16303）。

周旭，男，桂林电子科技大学计算机与信息安全学院研究生，桂林监狱民警，研究方向为物联网应用；雷晓春，女，桂林电子科技大学计算机与信息安全学院教师，讲师，研究方向为图像处理、物联网应用；陈俊彦，男，桂林电子科技大学计算机与信息安全学院教师，助理研究员，研究方向为嵌入式系统、物联网应用。