基于无线通信技术智能工卡系统的开发

张馨予 ，李季 ，王晓楠 ，张大奎 ，邹旭

（1.鞍钢化学科技有限公司，辽宁 鞍山 114021；2.鞍钢建设集团有限公司设计研究院，辽宁 鞍山 114033）

在施工生产过程中，减少安全事故会提高企业的经济效益，是企业良性发展的保障。智能科技的发展为施工生产安全管理提供了技术保障。近几年，国内施工中的深圳地铁、舟山金塘铁塔、上海体育馆等多个大型项目以及生产中的中国化工集团公司、中国蓝星集团等多家企业都采用了最基础的人员定位系统来保证安全，并取得了初步成效，不少高危矿下工作也早就使用了无线通信定位技术。

智能工卡系统以人员定位系统为核心，将施工生产现场所有管控技术整合，通过实时定位、监控、监测，可随时在系统上报警，使用科技的手段，简单、稳定、可靠地防范风险，实时、智能、主动地化解风险。为了全面优化鞍钢施工生产安全，达到降低安全事故发生概率的目的，开展了智能工卡系统技术可行性研究，分析了不同种类定位系统的特点，开发了适用于鞍钢的智能工卡系统，并对未来发展提出展望，本文对此做一介绍。

1 智能工卡系统技术可行性研究

1.1 通信系统模型简述

图1为一种通信系统简化模型［1］。

图1 一种通信系统简化模型Fig.1 One Simplified Model for Communication System

在发送端，信息源的作用是把各种可能的消息转换成原始的电信号。为了使原始的信号适合在信道中传输，由发送设备对原始信号完成某种变换，然后再送入信道。信道指信号的传输通道。在接收端，接受设备的功能与发送设备相反，它能从接收信号中恢复出相应的原始信号，而受信者是将复原的原始信号转换成相应的消息。噪声源是信道中的噪声及分散在通信系统其他各处噪声的集中表示。

1.2 无线定位通信技术对比和选择

目前，主流无线定位通信技术有GPS（全球定位系统）、基站定位、Wi-Fi（无线保真）、蓝牙、RFID（射频识别）、地磁、NFC（近场通信）、陀螺仪等。 主流无线定位通信技术对比如表1所示。

表1 主流无线定位通信技术对比Table 1 Comparison of Mainstream Wireless Positioning Communication Technologies

施工生产定位技术中，GPS虽然已经非常成熟，但卫星定位信号无法穿透建筑物实现室内定位，是其关键弊端。进行室内施工生产时，需要室内定位的无线通信技术、传感器识别技术、大数据互联技术及物联网等技术的支撑。综合上述对比研究，选择中低成本的Wi-Fi、蓝牙和RFID作为定位技术依托的定位系统。

2 无线通信定位系统特点

2.1 Wi-Fi定位系统

Wi-Fi是一种可以将个人计算机、手持设备等终端，以无线方式连接的技术，目前已经更新到第6代［2］。每个无线AP（无线访问接入点）都有一个全球唯一的MAC（媒体访问控制）地址，且通常无线AP在一段时间内不会移动。设备在开启Wi-Fi的情况下,当终端设备用户进入具有Wi-Fi信号的区域 （如图2所示，A/B和C三个信号源与用户进行信息交互），即可扫描并收集周围的AP信号,无论周围的AP信号是否加密、是否已连接，甚至周围的AP信号强度不足以显示在无线信号列表中,都可以获取到AP广播出来的MAC地址。设备将这些能够标示AP的数据发送到位置服务器,服务器检索出每一个AP的地理位置,并结合每个信号的强弱程度,计算出设备的地理位置并返回到用户设备 （如图3所示）。由于无线AP不像基站塔那样100%不会移动，位置服务商需不断更新、补充自己的数据库,以保证数据的准确性。

图2 Wi-Fi定位系统1Fig.2 Positioning System 1 for Wi-Fi

图3 Wi-Fi定位系统2Fig.3 Positioning System 2 for Wi-Fi

Wi-Fi定位系统的优势在于总精度较高、硬件成本低、传输速率高，可应用于复杂的大范围定位、监测和追踪任务；但是由于Wi-Fi定位系统一般采用星型拓扑结构，所以存在传输距离较短、功耗较高的缺点。根据这项技术的优缺点，Wi-Fi定位适用于对人或者车的定位导航，可用于医疗机构、主题公园、工厂、商场等需要定位导航的场合。

2.2 蓝牙定位系统

蓝牙定位基于RSSI(信号场强指示)定位原理。蓝牙技术联盟在制定蓝牙4.0规范时对数据传输过程中的链路管理协议、射频、基带协议采用了可靠性措施，连接速度大幅度提高，仅3 ms，传输距离可达 60～100 m［3］。

蓝牙定位系统由终端（蓝牙定位引擎）、蓝牙beacon节点、beacon管理设备、beacon管理后台服务器、地图引擎服务器构成，如图4所示。

图4 蓝牙定位系统Fig.4 Positioning System for Bluetooth

在区域内铺设beacon和蓝牙网关后，当终端进入beacon信号覆盖范围，终端就能感应到beacon的广播信号，然后测算出在某beacon下的RSSI值，通过蓝牙网关，经过管理设备接入管理后台服务器，由地图引擎服务器通过服务器内置的定位算法测算出终端的具体位置。

蓝牙定位系统的优势在于设备体积小、距离短、功耗低，容易集成在手机等移动设备中，蓝牙传输不受视距的影响，但是对于复杂的空间环境，蓝牙系统的稳定性稍差，受噪声信号干扰大，且蓝牙器件和设备的价格比较贵。因此，蓝牙室内定位主要应用于对人的小范围定位。

2.3 RFID定位系统

传统的RFID室内定位跟踪系统是一种以计算机为基础，集合了RFID数据采集、RFID数据处理与传输、GIS（地理信息系统）空间分析和查询等技术形成的智能技术系统。其定位依据是结合RFID信号的接收信号强度、相位等参数，利用定位算法完成距离和方位的计算。RFID系统工作原理见图5。

图5 RFID系统工作原理Fig.5 Working Principle for RFID System

RFID采用LC振荡电路工作。工作中，阅读器会生成一种在射频范围内的交变磁场，当LC振荡电路靠近交变磁场时，就会将交变磁场的能量通过线圈耦合到振荡电路中［4］，当交变磁场的频率与振荡电路的谐振频率一致时，振荡电路即产生谐振。振荡电路中的电流就是对外部交变磁场反作用的结果，此种作用是显而易见的，因为它会使发射器激励线圈上的电压降产生小的变化，并最终导致磁场强度减弱。只要把谐振电路放置到激励线圈生成的交变磁场中，就能够在传感器线圈中感到感应电压的变化，从而得到不同的反馈。

RFID定位系统的优势在于虽然射频识别室内定位技术作用距离很近，但它可以在几毫秒内得到厘米级定位精度的信息，标签的体积比较小，造价比较低。其劣势是不具有通信能力，抗干扰能力较差，不便于整合到其他系统之中，且用户的安全隐私保障和国际标准化都不够完善。目前，RFID定位已经被仓库、工厂、商场、监狱广泛使用在货物、商品流转定位上。

综合上述分析，Wi-Fi、蓝牙和RFID定位系统都便于集成，可以优劣互补，通过进行系统软件的编程开发便可实现智能工卡功能。

3 智能工卡系统开发

3.1 智能工卡系统外观设计

升级鞍钢钢通卡为智能工卡一卡通，采用移动、联通、电信三网通的网络制式，内置SIM卡芯片，集成Wi-Fi、蓝牙和RFID芯片，内置锂聚合物电池，实时监控施工生产人员的状态。智能工卡一卡通外观设计如图6所示。

图6 智能工卡一卡通外观设计Fig.6 Exterior Design of All-in-one Intelligent Operation Condition Card

3.2 智能工卡系统功能设计

智能工卡系统是一项兼顾工作管理和人性关怀的科技智慧管理系统，由智能工卡、服务器、web前端、手机APP及PC端应用组成，可在实现智能定位、考勤管理、状态监测、语音对讲、通知公告、应急呼救的基础上，最大限度保证施工生产人员安全。智能工卡模块内部构造如图7所示。

图7 智能工卡模块内部构造Fig.7 Internal Structure of Module for Intelligent Operation Condition Card

（1）智能工卡内置G-sensor（运动传感器），结合内部算法，可统计进入过施工生产现场的所有佩戴智能工卡的人员，持续跟踪施工生产人员的运动轨迹，记录人员在某区域的停留时间，对整体人员进行施工监控与施工调度，并通过网络远程传输数据，提供实时监测信息，为管理者的监督、指挥和决策提供重要依据。

（2）智能工卡内置的G-sensor还能够监测员工的身体状态，MCU（微控制单元）一旦有异常数据需要处理，例如撞击、跌落、长时间停留不动等，即向管理员报警，精准定位发生安全事故的区域、人员，通过软件中的历史轨迹，判断发生事故人员的位置，配合厂区内监控系统，在员工遭遇意外时及时救援。

（3）在施工生产中，管理者可通过智能工卡下发指令，相比传统的电话通知、腾讯通、微信等方式，管理效率大幅度提高。

（4）提前将施工安全生产技术措施中全部危险源辨识、危险区域等输入到系统中，对员工实施有效的安全保护，防止员工进入危险区域。通过监控，监督特殊作业是否持证上岗、是否办理了动火审批手续，统计领导干班带班工作情况。

（5）智能工卡具有SOS紧急一键报警功能，当员工遇到紧急情况时，如物体打击、摔伤、机械伤害等，按下SOS键，智能工卡就会把员工位置、运动数据上报给管理员，必要时还可以自动接通电话。且由于工卡采用了4G/5G网络，可以实现一边通话一边传输数据，能够提供更快速的救援行动，最大化保证人员的安全。

4 智能工卡系统未来展望

目前，国内智能工卡市场规模容量保守估计可达上千亿元人民币，未来前景可期。不久的将来，在施工生产作业中使用主动智能安全技术必然会成为未来科技发展的趋势，且它的优势不仅在于预防安全事故的发生，也在发生事故后，通过无线通讯技术，实现有效定位，及时抢救。

在施工生产中，安全事故往往发生在十几秒左右。应用智能工卡系统，可实现有效的安全预警，通过智能工卡报警系统，现场人员能够及时撤离，在很大程度上避免人员伤亡。比如发生火灾事故，智能工卡可以迅速报警，其响应速度是毫秒级的，是传统的感知告知报警方式所不能比拟的，据消防部门大数据统计，火灾的黄金逃生时间为1 min，智能工卡将逃生的速度做到 1 ms［5］。

未来，无线通信技术在传统工业领域的价值不可估量，其价值会率先在智慧城市领域、自动驾驶领域、环保领域，包括垃圾管理领域落地，并逐步深入至施工生产领域，尤其应用于危险施工生产领域，比如石化、矿井等施工生产领域。这些领域用智能工卡系统进行全方位实时安全监控、预警，将为保障员工生命安全作出巨大的贡献。

5 结语

通过研究无线定位通讯技术的原理以及可实现功能，得出具有保障施工生产人员安全的智能工卡系统具有可行性。选择Wi-Fi、蓝牙和RFID三种定位系统，开发了适用于鞍钢的智能工卡系统，升级现有钢都卡为智能工卡一卡通，在实现智能定位、考勤管理、状态监测、语音对讲、通知公告、应急呼救的基础上，最大限度保证施工生产人员的安全，并对未来发展提出展望，认为无线通信技术在传统工业领域的价值不可估量。