基于物联网技术的滑雪场安全管理系统设计

肖瑞雪　吕国　樊峰伟

摘要：为提高滑雪场安全管理效率，采用射频识别（RFID）和体征传感器技术设计了基于物联网的安全管理系统。系统可以实现目标定位追踪、区域禁入管理、安全监测管理、失踪管理、健康预警和紧急事件处理功能。系统体系结构包括信息获取层、聚合层、管理层和服务接口层，各层的核心硬件设备由中心服务器、射频识别标签、读卡器和体征传感器构成。系统在Windows环境下应用C++语言开发，采用了XML存储标记和多种信息聚合技术。

关键词：物联网；RFID；体征传感器；滑雪场；安全管理

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）05-0046-03

Abstract： In order to improve the efficiency of ski resorts safety management， this paper designs an intelligence system based on the Radio frequency identification technology and the sensor technology. The system function includes target tracking， area access control， safety monitoring， report missing， health early-warning and emergency treatment. The architecture of the system consists of information acquisition layer， information aggregation layer， information management layer and service interface layer. The kernel hardware devices of each layers constitutes center server， RFID tags， RFID reader， signs of sensor and so on. This system is implemented in C++ and can run in the environment of Windows. The XML markup language and various information acquisition technology have been applied as well.

Key words： Application of Internet； RFID； signs of the sensor； ski resort； management of safety

1 引言

隨着人们生活水平的提高以及2022年北京冬奥会的临近，兼具娱乐、健身等特性的滑雪运动逐年兴起，成为一种新型大众化的休闲旅游项目。近些年滑雪场的数量如雨后春笋，参与的人数也与日俱增。由于滑雪运动开展的环境寒冷潮湿，地形复杂多变，对参与者的身体素质和动作技能都有较高要求，而人们的安全防护意识淡薄，滑雪场的安全管理也存在漏洞，造成滑雪安全事故层出不穷。本研究拟将物联网技术应用于滑雪场的安全管理常规工作中，为保障游客安全，提高管理效率提供有效手段。

2 系统工作原理

物联网是通过利用各种信息传感设备和网络融合，使物品之间可以交换信息和通信，从而实现智能化识别、定位、跟踪、监督和管理的网络[1]。物联网技术环境下的安全管理系统采用无线射频识别技术（RFID）及现代通信技术，在滑雪场的安全管理中心设置中心控制服务器，在滑雪场的不同位置依照特定间距布置监测分站，即射频读写器，二者通过光纤相连。进入滑雪场的游客、工作人员、设备等目标均携带射频识别标签，系统通过读写器和标签之间的无线通信，实现对被识别对象的目标定位、数据获取和无线寻呼，从而为游客的统一调度、安全监测考察、区域禁入控制、紧急事件处理等工作提供了有效手段，系统可以实时将有关数据传至不同部门，为滑雪场的管理、调度、决策、救援工作提供重要依据。

3 系统功能组成

1）目标定位追踪：滑雪场的追踪目标主要是游客、工作人员和设备。在雪场的出入口、不同分区边界、高危区域、人员稀少区域等位置安装监测分站。当携带有射频标签的人员或设备通过监测分站监测范围时，读卡设备可以将相关人员的身份信息以及设备编号上传到控制中心，并存储到服务器的数据库中。系统结合滑雪场的电子地图可以显示出某个区域的人员设备分布情况，可以显示特定人员的移动路线，还可以查询某一时刻的定位信息。移动目标的定位追踪可以及时掌握整个雪场人员设备的分布情况，实现人员密集区的人员调度，提高管理效率，并在安全事故发生时，迅速确定事故对象的准确位置和身份信息。

2）区域禁入管理：在滑雪场的一些未开发区域、整修区域、竞赛区域等入口位置设置监测分站，当有非授权人员进入时，系统给出警告提示，禁止进入，防止危险事故发生，并将相关信息存入数据库。

3）安全监测管理：对滑雪场的安全检测人员进行轨迹追踪，记录检测人员在各区域、各重点安全检查位置的停留时间，保障安全监测工作的严格执行。

4）失踪报警：在滑雪场的入口与出口处分别设置监测分站，系统在雪场每日结束营业之后，对当日游客流量进行统计，并核查出入人员的数据是否匹配，若有异常，向安全控制中心发出提示和身份信息，及时发现失踪人员并采取相应措施。

5）健康预警：当游客身上佩戴的体征传感器监测到体温、血氧、脉搏等信息存在异常时，被附近的监测站检测出来，并发出呼叫信号，系统中的无线寻呼机可提示相关人员，采取救援措施。

6）紧急事件处理：当滑雪场内发生紧急事件时，快速确定游客的准确位置，以便及时有效地开展救援工作。例如，当发生安全事故时，系统自动报警通知其他游客远离危险地点；指挥人员调度距离事发地点最近的安全救护人员赶赴现场；体征传感器的信息可以反映实时健康状况；射频识别卡片存储的身份信息可以确定游客身份与紧急联系人的通讯方式，帮助制定应急方案。

4 系统体系结构

1）信息获取层是由不同的传感器构成，实现由底层各种分布的、异构的信息源中获取原始数据，并通过网络交给控制中心。如图1所示，在滑雪场的安全防护系统中，体征传感器负责采集游客的体征如血氧、脉搏和体温等信息，监测分站的射频读卡设备可以通过无线网络识别传感器信息以及射频标签上的游客信息，再将这些信息通过光纤传送到安全控制中心。

2）信息聚合层负责将数据统一格式表达后推导出更加抽象、高层和隐含的信息[3]。例如通过监测分站上传的位置信息是一个预先设定的地点名称，而结合系统内的电子地图，可以判断该地点的人员、设备分布，在雪场的具体方位，抵达的最佳路径等信息；通过传感器上传的体征信息需要与系统内存储的正常体征数据范围进行比较，判断其健康状况，为上层功能的实现提供数据支持。

图 1 滑雪场安全管理系统的体系结构

3）信息管理层的主要功能是将聚合推导后的数据信息写入系统数据库中，并结合功能需求对数据库进行增加、修改、删除和修改。数据库中信息的准确性和实时性是一切系统功能实现的基础。

4）服务接口层主要是向业务应用提供所需的信息访问接口和扩展接口[4]。通过信息访问接口，游客可以获取系统提供的安全服务，滑雪场管理机构实现准确进行调度，安全预防，实时救援，提高工作效率；通过扩展接口，系统能够进行功能扩展。

5 核心硬件设备

1）射频识别（RFID）是一种非接触式的自动识别技术，通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无需人工干预，可工作于各种恶劣环境[5]。由于无线标签技术具有可识别高速运动物体，并可同时识别多个标签，耐寒，防水，存储信息易更改等优点，非常适用于滑雪过程中信息的读取与传输。射频标签的构成部件一般包括天线、调制器、编码发滑雪生器、存储器和时钟[5]。本文所述的安全管理系统采用无源的读写型标签，注塑后封装在手表型手环内，写入游客的身份信息，游客进入滑雪场内随身携带。系统中的监测分站实质是指固定式RFID读写器，由天线、射频模块和读写模块构成，利用射频信号与空间耦合传输特性，使电子标签与读写器的耦合原件在射频耦合通道内进行能量传递、数据交换，实现对游客身份信息的自动识别[6]。

2）体征传感器包括脉搏、血氧、体温传感器等。腕部脉搏传感器采用高灵敏度，性能穩定的压电薄膜，结合电镀ABS全屏蔽外壳设计，提供声音和振动的信号拾取；血氧传感器是基于血液中氧合血红蛋白和还原血红蛋白的吸收光谱特性，获取体浅表处不同波长的吸光值，利用公式计算出血氧含量[7]；体温传感器是通过内部集成的高灵敏度的热敏电阻感受温度变化并转换成可用输出信号的传感器。以上终端设备获取的数据信息被监测分站读取后，上传到安全控制中心进行数据的聚合和管理。

6 关键技术实现

基于物联网的安全管理系统关键技术涉及终端数据的采集与聚合、数据库的设计开发与管理、数据信息的分析模型构建以及具体功能系统的软件实现。数据采集通过内嵌射频标签的手环发放处的人工录入与终端传感器的智能感知共同实现，根据需求对元数据进行解析和校验并整合为不同类型的聚合模块，这个过程也可称为数据的空间聚合。数据的时间聚合是指为了实现海量数据的安全保存于实时更新，实用XML存储语言标记数据，根据数据信息的变化频率提供实时服务或调整保存时常，增减聚合次数[8]。由于信息管理层获取的信息具有分布、自治、异构等特点，需要为各种参数建立通用的信息模型和表达方式，满足系统内部语义的表达和理解。模型应从事件、服务、查询等方面定义三元组，Subject表示描述实体，如游客、工作人员、设备等，Predicate表示信息所属类型，如地点、时间、体温参数等，Object描述服务的详细信息。为实现不同的功能，系统需建立丰富的软件原型，如地理信息获取、人员信息获取、体征信息获取、路径追踪等，软件在Windows开发环境下，采用Visual C++语言开发，客户端（Client）通过读写器的ID认证编码向安全控制中心的服务器（Server）上传数据并签约服务。该系统使用总线型网络拓扑结构，可以合理增加节点数据，必须结合读写器的频率范围合理分布监测分站，保障系统有较高的识别率和可靠性。

7 结论

物联网环境下的安全管理系统以游客安全为基础，无线传感器为主要设备，有线通信网络为纽带，安全控制中心的数据库与功能软件为中枢，突破了传统滑雪场安全管理模式，是物联网应用于智能滑雪场的新趋势。

参考文献：

[1] 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.

[2] 杨扬， 郭爱煌. 移动RFID技术的应用与设计[J]. 现代电子技术， 2006， 29（15）：15-17.

[3] 丁楠， 潘有能. 基于关联数据的图书馆信息聚合研究[J]. 图书与情报， 2011， 2011（6）：50-53.

[4] 王立才. XX数据库系统通用功能接口层的设计与实现[D]. 华南理工大学， 2011.

[5] 李元忠， 林睿南， 朱宏，等. 短程通信和射频识别技术的应用[J]. 电讯技术， 2016， 56（8）：944-948.

[6] 张霞. 一种超高频RFID读写器的设计[J]. 电子技术与软件工程， 2014（10）：89-89.

[7] 宋俊杰， 王哲， 金海龙，等. 三波长低血氧测量系统的研究与实现[J]. 激光与红外， 2010， 40（1）：62-65.

[8] 张春红. 基于XML的异构数据库集成技术研究[J]. 廊坊师范学院学报， 2014， 14（4）：29-30.