基于RFID無線傳感網(wǎng)智能安防系統(tǒng)的設(shè)計

引言

RFID技術(shù)作為二十一世紀最具發(fā)展?jié)摿Φ氖蠹夹g(shù)之一，是物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)。近年來，它的發(fā)展帶來了巨大的市場機遇。RFID技術(shù)與應(yīng)用已經(jīng)形成一個具有強大生命力的新興產(chǎn)業(yè)，它涉及信息、先進制造、材料、裝備及工藝等諸多前沿和高技術(shù)領(lǐng)域的交叉融合技術(shù)群，涵蓋面廣、滲透力強，對諸多產(chǎn)業(yè)都帶來重大影響。特別是在企業(yè)軟件領(lǐng)域，RFID將是繼ERP、CRM、J2EE之后的又一新的增長點。

微機電系統(tǒng)(Micro-Electro-MechanismSystem,MEMS)、片上系統(tǒng)(SystemonChip，SOC)、無線通信和低功耗嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展，孕育出無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WirelessSensorNetworks，WSN)，并以其低功耗、低成本、分布式和自組織的特點帶來了信息感知的一場變革。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)就是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳自組織的網(wǎng)絡(luò)，是一種全新的信息獲取平臺，能夠?qū)崟r監(jiān)測和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種檢測對象的信息，并將這些信息發(fā)送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點，以實現(xiàn)復(fù)雜的指定范圍內(nèi)目標檢測與跟蹤，具有快速展開、抗毀性強等特點，有著廣闊的應(yīng)用前景。

研究利用各種安全手段保證信息的安全：利用RFID技術(shù)實現(xiàn)門禁管理的智能化和數(shù)字化；將職工信息寫入電子標簽實現(xiàn)人-電子標簽-人員信息的匹配，從而實現(xiàn)對人員信息的動態(tài)管理;使巡檢員方便快捷地對信息進行采集、管理和查詢，從而實現(xiàn)智能巡檢；將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)引入到安全管理中，實現(xiàn)對環(huán)境信息的監(jiān)測，設(shè)計使用活動消息模塊實現(xiàn)信息的發(fā)送與接收，使用信息采集接口讀取廠區(qū)環(huán)境的溫度與濕度、煙霧等各種信息，使用低功耗監(jiān)聽模塊實現(xiàn)節(jié)點節(jié)能，通過計算機USB接口完成對數(shù)據(jù)信息的采集和處理，實現(xiàn)人機對話,從而實現(xiàn)安全防護的智能化管理。

1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

本報警系統(tǒng)設(shè)計時，把企業(yè)分為辦公區(qū)、生產(chǎn)制造區(qū)、倉儲區(qū)3個部分，每個區(qū)域再設(shè)置入門區(qū)和工作區(qū)。圖1所示是本系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖。

系統(tǒng)在每個入門區(qū)放置RFID讀卡器，工作人員攜帶含有RFID電子標簽的卡采用射頻方式刷卡進出入工作區(qū)，讀卡器通過光纖交換機將數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器的監(jiān)控平臺，把工作人員信息利用智能管理模塊錄入至服務(wù)器，對異常情況啟動應(yīng)急平臺進行處理。在每個工作區(qū)的一些固定物體及某些重要位置貼上無源RFID標簽，巡檢人員利用PDA讀卡器進行巡邏，監(jiān)測到周圍有RFID標簽時，讀取RFID標簽，利用通信模塊將值發(fā)至服務(wù)器的監(jiān)控平臺。

在企業(yè)所有可能出現(xiàn)安全隱患的區(qū)域部署無線傳感器節(jié)

點，用于監(jiān)測所需的參數(shù)(溫度、濕度、火警等)，一旦監(jiān)測到異常情況(如火災(zāi)、漏水等)，立即通過通信模塊發(fā)送到服務(wù)器的監(jiān)控平臺等待處理，如遇特殊情況啟動應(yīng)急平臺直接利用提前設(shè)置的電話號碼通知相關(guān)人員或報警。同時，在特定區(qū)域還要部署高清攝像頭，實現(xiàn)全天可視化的監(jiān)測。

2可視化門禁系統(tǒng)模塊的硬件設(shè)計

門禁系統(tǒng)主要包括射頻卡、讀卡器、電機、攝像頭、報警器、門禁控制機、數(shù)據(jù)采集器、通訊接口、后臺數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等。門禁控制機主要由讀卡器、MCU及電控鎖(繼電器)組成。門禁系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。

工作人員出入時，門禁機的前端讀卡器讀入員工卡(RFID卡片)的數(shù)據(jù)，由通訊串口經(jīng)由網(wǎng)線將數(shù)據(jù)發(fā)至服務(wù)器，服務(wù)器訪問數(shù)據(jù)庫記錄刷卡信息，并且與已錄信息進行比對核對開門權(quán)限，再返回指令給門禁機MCU，進而控制電機做出反應(yīng),當合法訪問時MCU將啟動電控鎖開門，非法訪問MCU將啟動報警器報警。非員工訪問時，由保安進行手動開門，門禁機將返回給服務(wù)器，服務(wù)器記錄手動開門的歷史。

為防止相鄰設(shè)備相互干擾并降低成本，RFID讀寫器可以選擇HF頻段。考慮到門禁系統(tǒng)中進出持卡人員對系統(tǒng)識別距離的要求(1m以內(nèi))，結(jié)合系統(tǒng)的讀取速度、成本、防沖撞功能以及對環(huán)境、水、金屬的敏感度等，本系統(tǒng)采用13.56MHz的頻段。該頻段在其他領(lǐng)域(如二代身份證、學生鐵路優(yōu)惠票證等)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，技術(shù)成熟性高［%系統(tǒng)所使用的主要單元及作用如下：

IC射頻卡：存儲個人信息，相當于個人身份證，當刷卡顯示信息正確時才允許持卡人通過；

讀卡器：通過電腦將多媒體卡作為移動存儲設(shè)備進行讀寫的接口設(shè)備；

步進電機：將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進電機件?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的；

攝像頭：又稱為電腦相機、電腦眼等，是一種視頻輸入設(shè)備，用于實時監(jiān)控；

報警器：當有人員非法進入時，用來報警，提示管理人員注意；

MCU:微控制單元(MicroControlUnit)，是將計算機的CPU、RAM、ROM、定時計數(shù)器和多種I/O接口集成在一片芯片上，形成芯片級的計算機，為不同的應(yīng)用場合做不同組合控制；

電控鎖：一個由繼電器控制的機械鎖裝置，當刷卡顯示信息正確時，電控鎖打開，允許持卡人進入；

數(shù)據(jù)采集器:它是將條碼掃描裝置與數(shù)據(jù)終端一體化,帶有電池可離線操作的終端電腦設(shè)備。具備實時采集、自動存儲、即時顯示、即時反饋、自動處理、自動傳輸功能。為現(xiàn)場數(shù)據(jù)的真實性、有效性、實時性、可用性提供了保證；

通訊接口：使用USB轉(zhuǎn)TTL將門禁系統(tǒng)與電腦連接起來；

后臺數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)：當持卡人刷卡時，用來檢測卡中信息是否正確，并將數(shù)據(jù)進行處理。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1智能人員管理模塊

本系統(tǒng)中的Access數(shù)據(jù)庫主要用于建立人員信息數(shù)據(jù)庫?？刂坪蜋z測程序等則用于管理數(shù)據(jù)庫，執(zhí)行添加、刪除、保存、取消功能的為數(shù)據(jù)庫管理模塊，擁有方便的讀卡、發(fā)卡、補卡以及回收的功能和操作方式。圖3所示是智能人員管理模塊的結(jié)構(gòu)圖。

人員信息管理難點在于人員的信息量大、出入頻繁，光靠人工進行記錄工作量很大,且容易出錯。研究利用RFID技術(shù)，將人員的相關(guān)信息寫入電子標簽中，可以實現(xiàn)“人-電子標簽-人員信息”完全匹配，從而實現(xiàn)對人員信息的動態(tài)管理。該模塊的軟件設(shè)計具體分為兩個方面：其一是人員、人事信息的維護，與公司、工廠的人員、人事相一致，主要是保存整個公司的人員信息。人事人員信息的組織模式可以按照公司的組織結(jié)構(gòu)來安排，與工廠的人事信息相對應(yīng)，以各級部門為組織，記錄人員的各項屬性，包括姓名、工號、職位、各類權(quán)限、工作時間、休息時間、所持RFID卡的編號等等。對人員進行廠區(qū)以及設(shè)備的訪問授權(quán)的記錄備案。為檔案管理，實現(xiàn)對人員信息的增、刪、改、查等一系列的信息維護；其二則是考勤管理，就是利用門禁機的記錄數(shù)據(jù)，為人事部門提供考勤記錄,系統(tǒng)可以給出考勤報表。

3.2模塊的系統(tǒng)設(shè)計

采用基于RFID射頻識別技術(shù)構(gòu)建人員管理系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，整個軟件系統(tǒng)采用三層體系結(jié)構(gòu)，最底層是數(shù)據(jù)服務(wù)層,負責數(shù)據(jù)的物理存儲；中間層是應(yīng)用邏輯服務(wù)層，負責實現(xiàn)底層數(shù)據(jù)與面向?qū)ο笾g的邏輯轉(zhuǎn)換、交互；最上層為系統(tǒng)應(yīng)用層，是用戶進行信息管理等日常操作的應(yīng)用平臺。

系統(tǒng)構(gòu)建時引入驗證碼技術(shù)、密碼加密技術(shù)及數(shù)據(jù)備份技術(shù)，從而防止不法用戶軟件頻繁注冊、惡意攻擊，同時，當系統(tǒng)受到攻擊或其他原因丟失數(shù)據(jù)時，可以恢復(fù)原始數(shù)據(jù),保證網(wǎng)站在一些人為攻擊或意外情況下的相對安全。系統(tǒng)采取RBAC(基于角色的訪問控制)，以確保數(shù)據(jù)庫和系統(tǒng)的安全性叫

3.3模塊的系統(tǒng)配置

整個系統(tǒng)服務(wù)器端采用32位WindowsXPServer操作系統(tǒng)或64位WindowsServer2003，支持虛擬內(nèi)存管理，支持多任務(wù)、多進程和多線程，支持多種類型服務(wù)器配置。

客戶機采用Windows2000/XP/Vista/Windows7。

以JSP為前端，Oracle數(shù)據(jù)庫為后臺，支持ANSI/ISOSQL-89、ANSI/ISOSQL-92標準，支持中文漢字內(nèi)碼，符合雙字節(jié)編碼；支持主流廠商的硬件平臺及操作系統(tǒng)平臺；具有良好的伸縮性；具有良好的系統(tǒng)故障的容錯能力；支持主流的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議(TCP/IP、IPX/SPX)［4］；具有良好的開放性，支持異種數(shù)據(jù)庫的互訪；支持多服務(wù)器協(xié)同技術(shù)、事務(wù)處理完整性控制技術(shù)等；支持聯(lián)機事務(wù)處理(OnlineTransactionProcessing，OLTP)；開發(fā)工具容易使用、開發(fā)效率高、維護方便。

采取Browser/Server的訪問模式，系統(tǒng)架設(shè)于服務(wù)器上，客戶端通過瀏覽器接入Internet網(wǎng)絡(luò)連接至服務(wù)器，通過用戶名密碼驗證進行使用。

4智能巡檢模塊

智能巡檢模塊的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

4.1系統(tǒng)功能

4.1.1數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)安裝于PDA移動設(shè)備采集器中，用于進行現(xiàn)場設(shè)備射頻標簽識讀及設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)采集。巡檢人員可依據(jù)操作提示進行巡檢操作，或者根據(jù)設(shè)備狀態(tài)問題進行回答,或者直接輸人設(shè)備參數(shù)數(shù)據(jù)進行抄表記錄。

4.1.2數(shù)據(jù)管理

數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)安裝于數(shù)據(jù)管理工作站中，可對采集器采集回來的巡檢數(shù)據(jù)進行接收、分類存儲、查詢，并可生成相關(guān)報表，對其中的設(shè)備異?？蛇M行統(tǒng)計或轉(zhuǎn)人檢修管理系統(tǒng)中生成設(shè)備缺陷卡。該模塊還具有數(shù)據(jù)庫維護功能，可進行巡檢地點、巡檢項目、巡檢周期、巡檢線路自定義等。

4.1.3網(wǎng)絡(luò)查詢

網(wǎng)絡(luò)查詢系統(tǒng)安裝于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器中，網(wǎng)絡(luò)上的任一工作站均可對運行巡檢數(shù)據(jù)進行查詢，并根據(jù)需要進行統(tǒng)計，生成相關(guān)報表。

4.2系統(tǒng)設(shè)計

智能巡檢系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸層和上層應(yīng)用系統(tǒng)三大部分組成，帶有RFID讀寫器及GPRS模塊的手持機作為巡檢器，上層應(yīng)用系統(tǒng)利用企業(yè)局域網(wǎng)，采用B/S(Browser/Server)的架構(gòu)。數(shù)據(jù)傳輸層是聯(lián)系手持機嵌入式數(shù)據(jù)庫與中心數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的紐帶。

PDA等設(shè)備通過讀取射頻標簽的數(shù)據(jù)完成人員到位信息及設(shè)備缺陷信息的采集，這些信息暫時存儲在設(shè)備上的嵌入式數(shù)據(jù)中。數(shù)據(jù)采集終端采集PDA中的數(shù)據(jù)，然后與數(shù)據(jù)服務(wù)器進行數(shù)據(jù)通訊，包括巡檢任務(wù)內(nèi)容的下達和巡檢數(shù)據(jù)的實時回傳等功能。數(shù)據(jù)傳輸通過USB接口有線通信方式。系統(tǒng)數(shù)據(jù)的瀏覽和查詢采用B/S模式，局域網(wǎng)內(nèi)部裝有瀏覽器的設(shè)備都能使用巡檢系統(tǒng)，包括巡檢任務(wù)制作、缺陷信息查詢、缺陷統(tǒng)計及報表和到位信息查詢及報表等功能。

4.3設(shè)備信息

本系統(tǒng)擬采用低頻讀寫終端。它是一款讀取125kHz(EM4100ID，T5556/T5557)電子標簽/卡的工業(yè)級專業(yè)RFID數(shù)據(jù)終端［5］，具體參數(shù)如下：

讀取方式：讀取125kHz(EM4100ID，T5556/T5557)電子標簽/卡，讀取范圍：6~10cm；

采用ARM9處理器：更快捷的處理速度；

觸屏和可選的鍵盤功能：采用鍵盤輸入和手寫觸摸屏多輸入數(shù)據(jù)，充分發(fā)揮應(yīng)用程序功能，滿足用戶的偏好。

5基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安防系統(tǒng)模塊

5.1系統(tǒng)功能

高效的安全防范及報警系統(tǒng)是確保企業(yè)設(shè)備、生產(chǎn)資料安全的重要途徑之一，同時也是智能化的重要組成部分。遇到火警、水災(zāi)、恐怖襲擊等緊急情況時，及時進行報警，通知相關(guān)人員并流程化應(yīng)急方案是十分重要的。

本研究采用由監(jiān)控主機、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點、網(wǎng)關(guān)構(gòu)成的智能安防報警系統(tǒng)。采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通過傳感器節(jié)點對火災(zāi)、水災(zāi)等隱患進行監(jiān)控，將警情信息傳至控制中心進行語音報警，并進行事故地點提示；構(gòu)建了一個配置容易、功能強大、覆蓋范圍大的新型報警系統(tǒng)。基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的安防系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的安防系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)底層是各監(jiān)測節(jié)點組成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，通過無線數(shù)據(jù)傳輸與系統(tǒng)服務(wù)器保持聯(lián)通，控制中心對采集的數(shù)據(jù)進行監(jiān)測，實行對火災(zāi)、水災(zāi)的語音報警、警情顯示，并可通過客戶機進行遠程布防、撤防。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)按照功能共分為3層：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和無線傳輸模塊。首先各傳感器節(jié)點進行數(shù)據(jù)采集，再經(jīng)過數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換，最后通過無線傳輸模塊傳送數(shù)據(jù)。

5.2系統(tǒng)設(shè)計

該系統(tǒng)由一個監(jiān)控主機和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點組成。圖6所示是系統(tǒng)的總體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。其中監(jiān)控主機與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點構(gòu)成星型拓撲無線網(wǎng)絡(luò)。

圖6中，在廠區(qū)布置火災(zāi)和水災(zāi)、有毒氣體的無線傳感器節(jié)點…形成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，一旦有火災(zāi)或水災(zāi)出現(xiàn)，監(jiān)控節(jié)點便將警報數(shù)據(jù)通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳送至計算機監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)接收并進行分析，控制報警裝置進行語音報警，并對警情地點等信息進行提示；危險消除后停止報警并進行重新布防。要求生產(chǎn)安全，應(yīng)確保被監(jiān)視的區(qū)域置于傳感器的敏感區(qū)域內(nèi)。

現(xiàn)有的傳感器產(chǎn)品很多間，如紅外熱釋電探頭、微波多普勒效應(yīng)探頭、微波紅外復(fù)用探頭等，用于檢測盜賊侵入很靈敏。離子煙感器和半導(dǎo)體氣敏傳感器用于監(jiān)視火警及煤氣泄漏。當發(fā)生水災(zāi)、火災(zāi)等安全隱患時，傳感器通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)向監(jiān)控主機發(fā)射經(jīng)數(shù)字編碼的報警信號。監(jiān)控主機立即控制報警裝置發(fā)出警笛聲，進行語音報警，同時對警情地點等信息進行提示。系統(tǒng)還具有遠程布撒布防功能，即在身份驗證后，能通過瀏覽器遠程對系統(tǒng)進行布撤布防控制。安防監(jiān)控系統(tǒng)的工作流程如圖7所示。

安防監(jiān)控系統(tǒng)的工作流程主要包括對火災(zāi)、水災(zāi)的報警流程以及無線傳感器的布防、撤防。首先系統(tǒng)取得與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點的連接并對其進行初始化，在整個監(jiān)控流程中，系統(tǒng)周期探尋與無線傳感器節(jié)點的連通性以防安防系統(tǒng)失去效應(yīng)，同時接受傳感器發(fā)來的報警信息以激活報警裝置進行語音報警和警情提示。在排除隱患后可以消除警報重新進行監(jiān)控。另外，系統(tǒng)還可以進行遠程布防、撤防。

6結(jié)語

本系統(tǒng)對門禁系統(tǒng)和智能人員管理系統(tǒng)實行二者相結(jié)合的設(shè)計，以實現(xiàn)卡與人員信息系統(tǒng)相匹配，采用13.56MHz頻段的射頻卡，容量8Kb，讀寫距離10cm，延遲時間1~2ms，刷卡顯示相關(guān)人員信息;

智能巡檢系統(tǒng)使用RS232感應(yīng)式巡檢器，其波特率為19200B/s，可以存貯2000條巡檢記錄。感應(yīng)器選用4mmX32mm大小的片狀且編號不重碼、無需供電，根據(jù)要求的時間段、巡檢地點，工作人員沿指定的線路進行巡檢，每到一處，用巡檢器識讀安裝在該地的感應(yīng)器。刷卡延遲時間1~2ms，識讀時，巡檢器會自動記錄當前的地點(卡號)、日期和時間，如有停留時間要求，則應(yīng)按規(guī)定停留時間再次讀取。巡查完畢后，把存有采集數(shù)據(jù)的巡檢器送交管理人員，通過通訊座與計算機連接并將巡檢器中的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C中保存，根據(jù)工作需要進行查詢和生成各種統(tǒng)計管理報表。同時可清除識讀器中的數(shù)據(jù)，以備再次使用；

對傳感器網(wǎng)絡(luò)的安防系統(tǒng)，溫度、濕度的信息采集和發(fā)送接收實驗，通過終端監(jiān)聽串口得到節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)，節(jié)點采集到的溫度信息受到節(jié)點芯片溫度的影響，會產(chǎn)生小范圍的偏差，節(jié)點采集到的濕度信息也會受到傳感器小范圍內(nèi)濕度水分的影響，通過一定的數(shù)據(jù)處理，將收到的數(shù)據(jù)信息進行偏差剔除加工處理，可以提高數(shù)據(jù)精度。

該系統(tǒng)能夠較為有效地采集、傳送和提供環(huán)境信息數(shù)據(jù)，具有較強的應(yīng)用性。

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