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基金项目：浙江省教育厅科研项目（Y200803086）1基于ZigBee的监狱人员定位跟踪系统的设计都伊林（浙江警官职业学院，浙江杭州310009）摘要：针对目前监狱安防监控系统存在的问题，文章以CC2430/CC2431芯片为系统核心模块，设计了无线定位网络中参考节点、定位节点和网关节点方框图，给出基于RSSI混合定位算法的流程图，设计ZigBee监狱人员定位跟踪系统，设置监狱人员定位与跟踪轨迹、人数清点和报警等功能。关键词：ZigBee；定位节点；参考节点；网关节点；定位算法0引言监狱是一个高禁戒、高风险、重防范的特殊监管场所，监狱安全是监狱管理的重中之重，监狱的安全防范体系是一个多元化、多层次、多融合的信息管理体系。随着社会的开放，以及经济的发展；监狱内服刑人员数量不断增加，人员成分越来越复杂，监狱警力明显不足。仅仅采用视频监控系统、报警系统或门禁控制系统这些传统技术手段，很难保证监狱的稳定和平安。由于监狱内监控系统过大，点位过多，国内监狱最多拥有一千多个点位，但监视器数量有限，干警无法同时观察每一路视频图像。我们提出建立一套监狱人员实时定位系统，将现代通信技术应用到监管业务中，实现服刑人员实时定位、人数清点、警力分布、外来人员定位、重要人员活动轨迹、越区报警等功能，对提升监狱监管水平，促进监狱信息化建设有着重要意义。1系统设计1.1系统设计思路通过研发监狱人员定位管理系统，运用这种“电子跟踪”技术手段，将监狱狱政业务与现代物联网技术结合起来。使干警能够实时掌握狱内服刑人员的具体位置和运动轨迹，监狱领导能够随时掌握狱内警力分布，以便随时查看与调用，干警了解外来人员的活动位置，是否与服刑人员交谈等情况；规范监狱监管工作，增强应对突发事件的处置能力。由于ZigBee是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术，具有以下特点：低功耗、低成本、低速率、时延短、网络容量大、可靠性高、安全性高等[1]，因此，我们选择ZigBee技术来设计监狱人员定位管理系统，组成一个短距离、多跳的、自组织无线定位网络。无线定位网络主要由参考节点、定位节点、网关（协调器）节点、主机、数据库和应用软件组成，如图1所示。其中，参考节点和网关节点为全功能设备（FFD），定位节点为精简功能设备（RFD），RFD只能充当终端设备，且内置定位引擎；FFD可以与RFD或其他FFD通信，但RFD却只能与FFD通信，由这三类节点组成以数据为中心的无线定位网络[2]。定位节点与参考节点通信距离可达60m，参考节点与网关节点通信距离可达200m[3]，可以实现一点对多图1监狱人员定位系统示意图点的快速组网；所有定位信息通过网关传输至以IP地址为中心的有线以太网络，完成了两种网络模式的信息融合，体现了有线以太网络的“无线延伸”。系统实现过程：一是在监狱或监区内人员活动空间场所的合适位置，布置若干无线定位基金项目：浙江省教育厅科研项目（Y200803086）2网络的参考节点，采用CC2430模块，作用是提供数据转发和路由功能，是网络的路由节点。另外，通过选择少量建筑物内设置协调器节点，用于收集ZigBee无线信号，并将收集到的信号通过以太网传输到监控终端PC上，起到网关节点的作用，网关与参考节点的区别是增加了网络扩展模块。二是让服刑人员配带腕带标签，值班干警和外来人员配带胸卡标签，作为身份识别的定位节点，采用CC2431模块内置定位引擎，并具有唯一ID地址用来识别身份和位置信息；在终端数据库中，记录服刑人员（或干警）的相关信息。三是监狱内服刑人员活动至若干参考节点附近时，定位节点将启动内置定位引擎进行识别；然后，定位信息和ID号等经若干路由节点多跳传至网关节点，并通过以太网传至终端数据库。通过系统不间断、定时的获取服刑人员的位置信息，用电子地图描绘其活动轨迹，定时清点特定区域人数，实现监狱人员跟踪功能；通过设置区域、时间权限，限定区域人数，实现违规报警功能；一旦出现突发事件，立即启动应急预案，实现紧急处置的功能。1.2系统功能设置监狱人员定位跟踪系统设置功能：1、服刑人员出入管理。在监狱大门、AB门、监舍大门、监区门、医院、会见室、车间等进出区域或通道上安装定位读写器（参考节点）。当被监控人员通过时，系统立刻记录下通过人员相关信息。2、实时监控管理。在室内外劳动场所、重点监舍、医院病房、卫生间、广场等区域，通过布置参考节点，进行无线信号覆盖。系统每隔2∽60秒（可设定）对区域内服刑人员进行点名，当有人脱离指定区域时，系统立即告警，并显示告警位置及违规人员信息。3、岗哨定位。当允许进入的值班干警在离开岗位一定距离时，系统提出警告，并在后台进行信息记录；当非允许人员进入岗哨位置一定距离时，系统提出警告并在后台进行记录。4、外出劳动管理。服刑人员在农田、矿场等开阔区域进行劳动改造，通过快速搭建无线定位系统，可对服刑人员进行全程监控，防止发生脱逃事件。5、外来人员管理。对于外来人员参观、技术指导等，可配带胸卡标签，以便监控中心能够实时了解他们的活动轨迹和区域，防止他们与服刑人员进行不法活动。其它附设功能：在定位节点上设置紧急呼叫按钮，以便相关人员遭遇突发事件时，可以紧急呼叫，以获得监控中心支援。将服刑人员定位标签与值班干警定位标签绑定，一对一或多对多进行绑定，当两者距离超过限定值时，系统发出报警。1.3系统结构设计根据监狱狱政业务的实际需求，结合ZigBee无线定位网络的技术特点，我们将监狱人员定位系统划分为以下四个结构层次。数据采集层：通过ZigBee无线定位网络实现对监狱相关人员位置信息和人员状态信息的采集，以数据为中心组建无线网络，并通过网关节点将所有信息传到监控主机加以处理，这是系统的关键环节。数据存储层：通过对来自数据采集层的所有数据进行存储和更新，并预先存储相关的人员、地理、指标参数、报警等信息，为分析决策层提供数据支撑。分析决策层：通过对数据存储层各种信息进行综合处理，分析监狱内人员的活动情况，判断活动是否正常，对各种突发事件进行报警。信息表示层：通过Web服务器将分析决策层的处理结果实时发布到狱政管理网上，方便监管局领导查看监狱实际情况，同时实现远程监控的功能。2系统硬件节点设计监狱人员定位跟踪系统由三类节点组成：一是定位节点，即为移动节点或称终端节点，其位置是随时变化的，可做成两种类型：腕带标签和胸卡标签，具体位置由CC2431内置的基金项目：浙江省教育厅科研项目（Y200803086）3定位引擎，通过接收参考节点的接收信号强度显示（RSSI）值，经过定位算法计算而得到，一般而言，参考节点越多，定位精度越高。二是参考节点，即为已知位置的节点，其物理位置是固定的。采用CC2430设计，或称路由节点；它为定位节点提供其坐标和RSSI平均值。三是网关节点，采用CC2430与网络扩展器进行设计，或称协调器节点；它作为数据收发基站能组建一个ZigBee网络，将定位节点坐标及外部环境参数传给地面计算机。2.1定位节点与参考节点设计2.2.1定位节点设计1、服刑人员腕带标签腕带标签（RFD设备）是有源电子标签，由服刑人员手腕佩戴，用于人员定时定位。采用CC2431芯片制成，工作在2.4GHzISM频段，可实现多跳自组无线网络，定位节点方框如图2所示。采用高强度防水耐磨ABS塑料封装，外形如手表状，防止暴力拆卸；并内置防拆解回路设计，若发生剪断或暴力破坏的情况，标签会发出报警信号。通过安装腕带图2定位节点/参考节点方框图内置的防拆解回路，用特定钥匙锁住封条。设置运动检测功能，若腕带长时间没有移动处于静止状态，标签会发送报警信号，提醒管理人员注意，防止蓄意的人卡分离事件的发生。采用一块CR2450钮扣电池供电[3]，正常情况可以工作半年时间。若电池电压低时，标签会自动发出低压信息，以便管理人员及时更换电池。2、干警与外来人员胸卡标签胸卡标签（RFD设备）也是有源电子标签，由干警或外来人员胸口佩挂。采用CC2431芯片制成，工作原理与腕带标签基本类似，方框如图2所示。采用高强度防水耐磨ABS塑料封装，外形如卡片状，设置紧急求助按钮，可随时向监控中心报告突发事件。可添加声光报警功能，在发生告警后，系统可向指定标签发送信息，进行声光提示；并设有电池低压告警功能。2.2.2参考节点设计参考节点（FFD设备）固定安装在需要无线信号覆盖的区域，采集定位节点的信号，集中上传给网关节点。采用铸铝外壳起到防雨、防静电作用，芯片为CC2430模块，方框如图2所示。通过多个参考节点之间的多跳级联成无线自组网，与网并节点通信距离可达1000m。根据监狱或监区实际现场情况，划定和调节信号覆盖区域，自动定时回报状态信息，实时传送区域内人员定位信息。采用外接12V电源与内置3Ah锂电池相结合的供电方式，无外接电源可工作12h以上，同时设置防拆卸报警功能。一个定位区域通常由8个参考节点组成，系统至少有3∽4个参考节点才能进行定位[6]。2.2网关节点设计图3网关（协调器）节点方框图在监狱的监控中心内，安装网关节点（FFD设备），采用高强度防水铸铝材料作为外壳，核心模块为CC2430芯片负责进行数据处理，SIP3223芯片负责采集参考节点的上传数据，CAN控制器与收发器负责与主机通信，键盘能上、下、左、右进行操作，方框如图3所示。网关是组建监狱无线定位网络的基站，实现两种通信网络之间数据的交换与协议的转换，发布管理节点的监测任务，并将收集到的数据转发到外部网络上。3人员定位软件设计基金项目：浙江省教育厅科研项目（Y200803086）43.1混合定位算法定位算法基本思路：若已知发射节点的信号强度，接收节点根据接收到信号强度推算出信号衰减量，由经验模型计算出信号相应传输距离，最终确定节点的具体位置。定位算法根据定位机制不同，分为两种类型：一是基于测距（range-based）的定位算法，二是无需测距（range-free）的定位算法[7]。因此，根据无线信号的衰减与距离成对数衰减的关系，我们可以进行节点定位计算，即定位算法。混合定位算法如下：由于定位节点到参考节点的距离d越小，由RSSI值的偏差产生的距离误差越小；当距离大于某一值时，由RSSI值波动造成的距离误差将会很大。因此，我们设计定位算法时，设置一个距离门限D值，当距离d大于D时，采用一种定位算法；当距离d小于D时，采用另一种定位算法，这样可以减小距离误差，提高定位精度。这就是我们提出的基于RSSI的混合定位算法，其流程图如图4所示。其中MN为定位节点，BN参考节点，d为定位节点与参考节点间距离，D为距离门限，通过现场测量确定此值。当定位节点与参考节点通信距离d小于D时，系统识别后，自动启动曲线拟合定位算法，及时修正通信距离d值；当d大于D时，系统识别后，自动启动信号强度分布（采样值数据库）定位算法[4]，图4人员定位算法流程图也对d值作出修正。由于混合定位算法是根据RSSI波动规律进行优化的算法，其优点；运算量小、定位精度高、价格低等，但建立采样值数据库工作量较大，所以，我们将CC2431原有定位引擎升级为混合定位算法，有效地提高定位精度，并应用于监狱人员定位系统。3.2定位过程定位软件基本工作过程：主机通过串行电缆从网关节点上接收到相关数据后，通过通信协议对数据进行分解分析，例如：收到8位二进制数不清00111001，则前四位0011代表定位节点的ID号，表示0011号定位节点发出的数据。后四位1001为状态号，第一位表示定位节点是否正常，1为正常，0为非正常。后三位001表示该定位节点在什么区域活动，由此通过电子地图显示。若发现各种非正常情况，系统会及时报警。4结束语监狱人员定位跟踪系统是将无线传输与有线传输网络相结合的组网模式，采用CC2430/CC2431射频芯片，实现服刑人员定位检测、运动轨迹显示等功能，有效地提升现代监管水平，有一定实用价值。但是，因室内无线信号传播的复杂性、多变性，还存在墙体阻隔[5]、多径衰落、人的三维活动空间等因素；某种程度上阻碍了无线定位技术的应用，这有待于今后通信技术的不断发展，以及对狱政业务深化理解，必将会提