基于物联网技术的非接触式警用便携金属探测装备的开发设计与应用探索*

郑婧伶，王建勋

（1.广西警察学院治安学院， 广西 南宁 530023； 2.广西壮族自治区资源县公安局， 广西 桂林 541499）

金属探测技术最早于20 世纪60 年代应用于工业领域。 经过多年的发展， 探测技术不断迭代升级， 与多种行业深度融合， 主要用于探测识别隐藏的金属物质。

目前， 金属探测技术还没有作为警用装备加以开发利用。 警务工作具有高危险性， 警务人员被金属利器伤害导致伤亡的事件时常发生， 警用装备作为保障警务人员安全的物质载体， 需要金属探测技术的融入来实现提前预警的功能。 因此， 金属探测技术在警用装备领域的开发和应用拥有较大的发展前景。

1 金属探测技术应用到警用装备领域的必要性

警察职业具有高风险性， 流血牺牲的情况时有发生， 因金属利器造成的伤害成为伤亡的主要原因之一。 为了有效减少此类伤亡事件的发生， 研发可探测金属的警用装备应用于实战中， 十分必要。

1） 警务人员的伤亡原因分析。 警务人员的伤亡， 除了交通事故、 积劳成疾等原因外， 暴力袭警成为伤亡的主要原因[1]， 比例达到25%左右。 警务人员在处警过程中会遇到很多不确定因素： 一是近距离接触， 容易受到暴力袭击。 例如， 在盘查可疑人员和抓捕犯罪嫌疑人时， 如果对方携带刀具、 枪支、 爆炸物等危险物品， 警务人员贸然近距离接触可能会遭受对方突袭。 二是接触特殊人群， 容易导致职业暴露。

2） 现有警用装备功能的局限性。 现有警用装备对于金属利器的预警还是空白。 警用装备是警务人员在执法、 执勤的过程中配备使用的物品， 包括警械、 武器和单警装备。 《 公安单警装备配备标准》 明确日常警务的警用装备配备项目包括警服、警棍、 手铐、 催泪喷射器、 强光手电、 警用制式刀具、 急救包、 多功能腰带、 防割手套等必配项目以及枪支、 对讲机、 警务通、 防刺服和警用装备包等选配项目。 由此可见， 在警械、 武器及公安单警装备中， 包含了救助、 防护、 约束、 制服、 杀伤和通信等基本功能[2]， 唯独缺少了对具备预警功能警用装备的开发和利用。

3） 金属探测警用装备开发的必要性。 非接触式警用便携金属探测装备， 针对金属利器对警务人员造成伤害的客观现实， 对金属实现远距离探测识别和预警， 提示警务人员做好事先防范及精准定位风险来源， 有效弥补了现有警用装备在预警功能上的不足， 也能最大程度减少警务人员伤亡的发生。

2 金属探测技术应用到警用装备领域的可能性

从探测原理及物联网信号识别原理分析， 将金属探测技术应用到警用装备领域， 发挥对金属物质的预警功能是有可能实现的。

2.1 现有金属探测技术的工作原理分析

现有金属探测技术主要有3 种： 甚低频（Very Low Frequency， VLF） 技术、 脉冲感应（Pulse Induction， PI） 技术和拍频（Beat Frequency Oscillator， BFO） 技术。 3 种技术的核心元件均包括： 电路、 电池、 搜索线圈、 信号处理器、 扬声器等。 它们的工作原理都是利用金属在限流电阻的作用下产生磁场， 通过高频振荡、 音频振荡等方式产生反馈， 不同技术之间工作原理相似但有细微的区别。依托3 种技术设计的金属探测设备在探测灵敏度、深度、 多模式或抗干扰性等方面有不同的特点。

3 种探测技术目前在安防领域均有应用， 产品包括手持式金属探测仪和安检门、 安检机等， 主要应用于大型活动及重要场所的安全检查。 目前， 金属探测产品性能存在一定的局限性： 一是探测距离短。 最大探测深度是20～30 cm， 必须近距离才能检测报警。 二是设备体积大。 如安检门的规格是固定的， 长宽高分别是2.2 m、 0.8 m、 0.5 m， 质量达95 kg；手持式安检仪的虽然体积稍小， 但是它的长宽高也分别有0.4 m、 0.08 m、 0.04 m， 质量为0.4 kg， 均无法满足日常警务工作随身携带的需要。

2.2 非接触式警用便携金属探测装备的设计理念

现有金属探测技术有局限， 为了适应警务实战的需求， 在设计思路上需要从非接触探测、 预警功能和轻巧便携3 个方面改进。

2.2.1 设计思路

非接触式警用便携金属探测装备的设计理念是： 装备分为前端探测识别部分和后台数据库两个部分， 前端利用射频识别（Radio Frequency Identification， RFID） 技术远距离、 非接触的特点， 对执法现场的环境进行金属信号读取； 经由网络将信号传输至后台数据库进行计算和比对， 识别目标方向是否存在金属物质并分析其位置、 大小、 性质等信息， 最后将分析结果传输给民警， 实现对金属物质的提前预警。 根据这一设计思路， 将装备分为两个部分， 处警只需要携带前端探测部分， 保证了便携实用特性。

要突破距离局限， 实现非接触探测， 以RFID技术为代表的物联网技术可以解决这一问题。 RFID技术也叫做电子标签， 无需机械或者光学的接触，只是通过无线信号或者微波， 就可以自动识别目标物体并且进行读写， 是目前应用比较广泛的非接触式自动识别技术。 它的3 个特性成为非接触的重要指标： 一是穿透性和无屏障阅读； 二是快速扫描；三是不受目标物体的形态限制。 此外， 还需要依托物联网平台实现从射频识别到金属探测及自动预警的整合。

“ 物联网” 是将RFID 的传感数据与互联网连接起来， 实现智能化识别和管理的系统。 物联网将RFID 技术读取到的信号通过网络连接， 快速进行计算与信息传递， 实现万物互联。 例如， 机动车无人驾驶技术正是通过多种传感技术不断交换物与物之间的信息， 判断物与物之间的距离， 从而实现无人驾驶也可以安全行驶。

2.2.2 技术路线

非接触式警用便携金属探测装备主要元件包括电源、 控流模块及主控芯片、 发射接收器、 报警器、 5G 互联网络、 公安云端数据分析处理器。 装备分为两个部分： 警务人员随身携带的探测端和负责数据分析的后台。 具体工作原理见图1。

图1 非接触式警用便携金属探测仪的工作原理设计图

设计路线中对非接触探测、 预警和便携三大功能的实现方式如下。

1） 非接触探测功能。 警务人员随身携带的探测端是实现非接触探测功能的部分， 主要元件有电源、 控流模块、 主控芯片、 发射接收器。 电源负责为工作提供有效的能量保障， 为发射无线信号提供有源支撑。 相较于无源技术， 有源技术更为稳定，为了保障更远的有效探测距离， 电源设计必不可少。 控流模块负责将电流输送到主控芯片及发射器上， 主控芯片负责统计和提取发射器发出的无线信号及反馈的信号频率。 装备的核心部分为主控芯片。 在芯片中嵌入RFID 读写器， 通过发射线圈发出和回收一定频率的无线信号。 当电流途经线路时定向发射无线信号， 信号对外产生一定磁场， 如果信号返回的时间、 强弱、 频率高低没有变化， 说明目标方向没有金属物质； 反之就说明目标方向可能有金属物质存在。 RFID 读写器将信号发出后， 信号作用在多个物体之间， 不断接收各物体的反馈信号， 由此就完成了对金属物质的非接触式识别过程。

2） 预警功能。 主控芯片的接收器将信号回收并通过5G 网络将信息传递给公安云端数据分析服务器。 公安云端数据分析服务器是大数据中心的数据库， 储存着各种数据资料， 建有各种金属物质数据模型。 把金属探测装备发回的信号数据与数据库中的模型进行快速对比、 分析、 记录， 就可以判断是否存在金属物质； 同时根据物物关联发回的多种信号还可以计算出金属物质的大小、 位置和距离等信息。 分析结果通过5G 通信传输作出统计和提取，当云端分析服务器发出疑似存在金属物质的预警指令时， 报警器可通过声音或者震动等方式， 提示警务人员注意。

3） 便携功能。 主要取决于警务人员在携带时的体感和使用感受。 非接触式警用便携金属探测装备的中控芯片采用RFID 技术， 发挥其体积小、 形态可塑性高和穿透性强的优势； 其他元件如电池、线圈的选择也充分考虑到了便携的物理属性， 尽量在体积、 质量、 功能、 耐用性上予以综合考量。

基本参数如下。

电池可连续使用寿命： 镍氢电池为50 h 左右；碱性电池为170 h 左右。

操作温度： -15 ℃～70 ℃。

相关湿度： 0～95%。

外壳： 黑色防震设计丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（Acrylonitrile Butadiene Styrene， ABS）。

质量： 0.283 kg (含电池)。

工作频率： 20 kHz。

尺寸大小： 长度270 mm。

考虑到电池的持久耐用以及环境变化因素， 选用了最轻的材料， 最小的体积， 真正能让警务人员做到随身携带， 以备不时之需。

2.2.3 技术难点与突破

非接触式警用便携金属探测装备的技术难点：一是无标签情况下RFID 技术应用问题； 二是金属探测识别的极限距离问题； 三是提高识别精准度，排除干扰问题。

1） 无标签情况下RFID 技术应用问题。 RFID技术一般采用配套的标签数据读取， 警务工作无法提前在可疑对象身上放置电子标签， 只能读取金属磁场的变化信息， 因此在RFID 技术的主控芯片要将非接触传感技术和金属磁场关联起来， 需要发射器和接收器， 实现对金属信号流的初步判断。

2） 金属探测识别的极限距离问题。 对嫌疑人进行盘查等警务活动时， 距离的远近和安全程度成正比。 非接触式警用便携金属探测仪的探测距离改进使用了RFID 技术， 探测距离提升了30～40 cm，识别的灵敏度和距离成反比。 因此， 最大有效距离的多少是RFID 技术的难点。

3） 提高识别精准度， 排除干扰问题。 其也是技术难点之一。 金属物质的种类很多， 有些是刀具、 棍棒、 针头之类可能给执法工作带来危险的物品， 也有的可能是日常使用的， 比如钥匙、 拉链等生活用品。 如何提高识别精准度， 减少误报， 需要尽可能多地丰富数据库和完善模型， 才能提高工作效率和准确性。

3 应用前景和社会意义

从应用前景来看， 非接触式警用便携金属探测装备将物联网传感技术与金属探测技术融合， 是金属探测技术的革新， 不仅可以开发出新产品， 还可以提高现有安检设备的工作效率。

从社会意义来看， 非接触式警用便携金属探测装备不仅仅是技术的革新， 更重要的是它回应了提升警务工作者安全防护的期待， 具有重要的社会意义。 非接触式警用便携金属探测装备作为具有预警功能的警用装备， 对一线警务人员的人身安全和健康起到一定的保护作用， 对于减少伤亡意义重大。