社区中有源RFID人员定位系统设计与实现

张 琴

(上海立达职业技术学院 机电与信息工程系， 上海 201609)

社区中有源RFID人员定位系统设计与实现

张 琴

(上海立达职业技术学院 机电与信息工程系， 上海 201609)

针对传统的养老社区中老人在行动安全、紧急求救、主动预警、人性化进出等问题中存在的不便，设计了一套能够在老年人需要帮助时准确定位的人员追踪区域定位系统。该系统采用有源RFID技术搭建，能够分别在室外区域和室内区域实现室外区域、进出楼区分、楼内楼层区分以及楼内房间定位。实验结果表明使用该系统架构，能够对老年人主要活动区域实现精确识别，有助于构建安全、便捷、和谐的养老社区环境。

养老社区； 系统架构； 有源RFID； 区域定位

随着社会的进步和居民生活水平的提高,人们的预期寿命也逐年提高,同时带来的问题是全社会老龄化逐步突出。那么如何更好地照顾老年人的晚年生活,为老人提供一个安全便捷的生活氛围和高效的服务,是摆在我们面前的一个课题。

除了在管理层面、意识层面的加强外,还应该在技术防御层面深入挖掘。本文针对养老社区环境,从老年人进出安全、便捷的角度出发,通过技术手段,设计一套适用的有源RFID (radio frequency identification)人员定位系统。

1 传统养老社区问题

调研表明,当前养老社区大多存在如下问题。

(1) 行动安全问题:老年人腿脚不灵便,在日常行走时易发生跌倒,一旦发生这种意外,必须要第一时间定位到老人的地点,并及时予以处置。因此老人的位置信息对于管理方和服务方都非常重要。

(2) 紧急求救问题:当老人遇到困难或意外需要寻求帮助时,必须有快捷的手段帮助老人发出求救信息。

(3) 主动预警问题:当老人发生问题、安全受到威胁时,管理方需要提前收到预警信号,以便提前介入,从而防止事态恶化。比如老人突然跌倒并没有能力进行呼救,以及痴呆症老人走出安全区域等情况。

(4) 人性化进出问题:老年人行动不便,对于日常的基础设施也不一定操作熟练,比如门禁、电梯和通道等,往往会操作错误造成进出不便。

养老社区内的典型区域位置包括楼外步行及活动区域、楼内电梯口、楼内安全通道、房间、重点室内公共区域,对这些区域的管控是确定老人位置信息的关键。

2 有源RFID的系统的架构

2.1 有源RFID定位技术

无线射频识别(RFID)是一种非接触式的自动识别技术[1-4]。无论是在露天,还是在室内外相结合的综合场所内,有源RFID的人员定位非常精准有效。可根据实际的定位要求,在某些需要特别关注的地点安装有源RFID读写器,通过采集定位对象的传输信息,由读写器信号的覆盖范围来判定定位对象的所在位置,结合定位器和摄像系统还可实现精确定位、视频监控[5]。本文系统架构的工作原理,是在社区内安放多个已知位置的定位器和阅读器,将每一个阅读器通过以太网连接到后台服务器,构成无线定位网络；再将人员电子标签分配给老人和工作人员。电子标签发射的信号携带有与阅读器位置有关的特征信息,当阅读器接收到这些信号后,就会确定与其之间的几何位置关系,并根据相关算法对其位置进行定位估算,从而得到电子标签的位置信息,具有较高的定位精度。

2.2 系统架构

养老社区系统架构如图1所示。

图1 养老社区系统架构

系统架构中基础设施建设主要包括:

(1) 地标器,也称作定位器。实现低频触发通用标签的低频触发唤醒功能,实现其ID信息发送给阅读器[6]。

(2) RFID人员电子标签拥有唯一的ID号。在养老社区中给老人发放电子标签时,该ID通过电子标签数据库与老人身份证、姓名、年龄等信息绑定。用户使用时,电子标签佩戴在手腕处。

(3) 在室内外主要活动场所指定监控点安装RFID身份阅读器。当老人经过阅读器识读区域时,阅读器通过对电子标签定时发送的ID信息进行识别,实时采集身份数据,可以自动识别老人信息，并通过有线或无线数据通信方式上传数据至上层数据采集服务器。

(4) 通信转换箱。主要完成阅读器的RS485向TCP/IP的协议转换功能。

(5) 数据中心设备。包括上层数据采集服务器、监视器若干,其中数据采集服务器分别由动态数据库、阅读器数据库和电子标签数据库构成。

(6) 网络传输及接口设备。包括有路由器交换机若干、VPN网关、防火墙、网口和串口等接口转换设备。

2.3 数据安全

数据安全主要由空中链路安全、网络通信安全、数据库安全3个方面。

(1) 空中链路安全,指阅读器与电子标签之间的无线通信及电子标签本身安全[7]。因为采用通用的2.4 GHz频段,电子标签的处理能力有限,不易采用数据信息加密的方式，本方案采用私有协议避免信息非法截取、冒名顶替。

(2) 网络通信安全,指阅读器与数据采集服务器间的数据传输。一般采用数据加密技术,可对Internet公网中传输的实时人员信息进行有效的加密,保证信息安全。也可以借用虚拟专用网VPN，VPN是指通过一个公用网络建立一个临时的、安全的连接,是对企业内部网络的扩展。它通常是2个专用网络通过一个公用网络相互连接的一种方法[8]。VPN的构筑通常都要求采用具有加密功能的路由器或防火墙,以实现数据在公共信道上的可信传递。

(3) 数据库安全,在系统的中间件模块和应用管理模块的后台数据库中包含一定量的冗余源代码,存在入侵漏洞[9],需要保护。安全数据库可以确保数据库的完整性、可靠性、有效性、机密性、可审计性以及存取控制与用户身份识别等。本系统采用数据库口令保护。

2.4 系统接口

本项目中,系统功能模块主要由RFID人员电子标签、身份识别阅读器、数据服务器子系统、电子标签管理子系统以及阅读器管理子系统组成。系统软件集成接口是指以上各功能模块之间的数据链路接口及整个系统与上层业务软件之间的数据链路接口,即内部接口和外部接口，如图2所示。

图2 系统接口

(1) 内部接口。主要包括硬件系统和3个应用子系统相互之间的数据接口,即阅读器与电子标签间的空中通信协议接口、阅读器与数据采集系统间通信协议、数据库之间共享接口。其主要作用是通过移动、网通等无线网络运营商提供的数据链路,实现通过无线设备接入数据服务器,达到对数据的操作和共享。

(2) 外部接口。主要指本项目所建系统与上层业务软件之间的数据链路接口,包括与GPS/GIS系统接口和与人员动态监管平台的接口。其主要作用为本系统与各上层业务软件之间数据操作服务。

3 人员区域定位

区域定位技术,指在某个特定的区域内,例如办公楼、场地、城区实现精确定位的技术。区域定位技术可作为全球定位技术的有益补充,在实时定位系统中有着更广阔的应用空间[10]。

本文使用2.4 GHz和125 kHz两种频段相结合方法实现人员的区域定位。2.4 GHz无线识别技术主要完成数据的无线采集及传输,其信号可以全覆盖满足呼救报警的需要,是一种最常用的无线传输技术,其工作方式是全双工模式传输,具有非常好的抗干扰性,并且2.4 GHz无线传输技术拥有理论上2 Mbit/s的传输速率,比蓝牙的1 Mbit/s理论传输速率提高了一倍[11]，而且无线电和天线的体积相当小,产品体积也更小。125 kHz低频触发技术主要完成区域位置的精确识别,解决位置问题，其主要特点有工作频率不受无线电频率管制约束,可以穿透水、有机组织或木材等[12]。

3.1 室外区域定位

为确保RFID身份阅读器读取率以及可靠性,需要在室外区域的主要人行道路及活动场所布放固定式定位基站和地灯式地标器实现区域位置定位和数据采集。

地标器主要布放在道路交叉路口处及决定路径走向的地方,实现低频信号覆盖人行道路即可。固定式定位基站覆盖区域比较大,实现定位数据的无线采集上传,一般覆盖区域在50 m左右的半圆区域,布局如图3所示。地标器的布局原则:整条道路不需要全部布放,仅在路口处布放,即可知道人员的行进方向和位置信息。地灯式地标器主要参数见表1。

表1 地灯式地标器的主要参数

图3 室外区域定位布局图

固定式定位基站的主要参数见表2。

表2 固定式定位基站的主要参数

3.2 室内区域定位

3.2.1 楼宇进出定位

楼内采用吸顶型一体式定位基站,楼外采用地灯式地标器，实现AB方向判断。布放原则是采用AB两点布置法,室外布放一个地灯式地标器,覆盖楼门前区域,楼内采用吸顶型一体式定位基站,该基站将定位基站和地标器的功能结合在一起，布局如图4所示。

楼外设备是地灯式地标器，其技术参数同表1。楼内吸顶型一体式定位基站的主要参数见表3。

表3 吸顶型一体式定位基站的主要参数

3.2.2 楼层定位

在每个楼层的电梯口及安全通道处布放壁挂型一体式定位基站，布局见图5。人员通过电梯或楼梯上下楼一定会经过该定位基站,通过一体式定位基站不同的地标号码进行所处楼层逻辑判断。

图5 楼层定位布局图

壁挂型一体式定位基站主要参数见表4。

3.2.3 房间定位

在每个房间布放壁挂型一体式定位基站,人员进入房间即进行识别,通过地标号码进行所处房间的位置判定。壁挂型一体式定位基站的技术参数见表4。

表4 壁挂型一体式定位基站的主要参数

4 结语

本文针对养老社区中存在的问题设计出了一套适合老年人人员追踪区域定位系统,并对楼外区域主要道路及活动场所进行设备布置和搭建,实现了对人员进出楼的行进方向进行判断、楼层定位以及房间定位,实现了对老年人主要活动区域的精确识别。

References)

[1] 李相泽.基于有源RFID智能社区中人员定位系统的设计与实现[D].沈阳:东北大学,2014.

[2] 林东晓,林霖,李伟鹏，等.基于RFID技术的医院设备管理系统的设计与实现[J].中国医疗设备,2013,28(3):53-55.

[3] 杜云明,周杨.无线射频识别技术与应用研究[J].自动化技术与应用,2010,29(5):52-55.

[4] 刘庆.基于主动式RFID的监狱管理系统设计与研究[D].济南:山东大学,2009.

[5] 饶均志.安防新锐:有源RFID人员定位系统[J].安防工程商,2014 (11):102-103.

[6] 上海秀派电子科技有限公司.老年公寓人员定位系统[EB/OL].(2013-03)[2016-07-15].http://wenku.baidu.com/view/02e44534ad02de80d5d84017.html?from=search.

[7] 孙培彦,田卫萍,杨树青，等.影响RFID数据安全的因素分析[J].电脑开发与应用,2009,22(5):13-16.

[8] 尹淑玲,蔡杰涛,魏鉴,等.网络安全技术教程[M].武汉:武汉大学出版社,2014:186-223.

[9] 刘虹,汪俊.RFID集装箱信息系统的安全研究[J].中国电子科学研究院学报,2010,5(4):400-404.

[10] 董耀华,佟锐,孙伟.物联网技术与应用[M].上海:上海科学技术出版社,2011:165-169.

[11] 潘言全.基于2.4GHZ射频识别技术的物联网应用分析[J].黑龙江科技信息,2015 (36):128.

[12] 高向阳.射频识别系统及其产品[J].电世界,2015,56(2):1-3.

Design and realization of framework of active RFID personnel positioning system in community

Zhang Qin

(Department of Mechanical and Electrical Information Engineering, Shanghai Lida Polytechnic Institute, Shanghai 201609, China)

Aiming at the elderly people’s inconvenience in the traditional senior living communities about the personal safety, emergency call for help, active forewarning, humanized entry and exit, a framework of regional positioning system for personnel tracking is designed, which can help locate the position accurately when the elderly people need help．The framework is built by using the technology of active RFID (Radio Frequency Identification), which can realize the positioning in both outdoor and indoor areas, and distinguish the entry to or exit from a building, different floors and rooms of a building．The experimental results show that the system can achieve the accurate positioning of the elderly people in the main activity areas and build a real, safe，convenient and harmonious environment for a senior living community.

senior living community; system framework; active RFID; regional positioning

10.16791/j.cnki.sjg.2017.01.024

2016-07-21 修改日期：2016-08-31

2015年度北方国际大学联盟教育科学研究课题(201504100003)

张琴(1984—)，女，江西吉安，讲师，主要从事软件技术及计算机应用教学研究.

E-mail：zhangqin2004405@126.com

TP273

A

1002-4956(2017)1-0104-05