基于RFID的地震遺址導覽與安全監(jiān)控系統(tǒng)設計

引言

北川廢墟作為汶川大地震的產(chǎn)物，告訴了人們過去發(fā)生的重大災難，也警示人們?nèi)绾卧诖鬄碾y面前更好地做好自我防護才能有效保護生命。由于地震遺址場所的特殊性，如何更好地實現(xiàn)該區(qū)域內(nèi)參觀人員的導覽管理、安全監(jiān)控等，都是該智能化管理系統(tǒng)的重中之重。

鑒于此，本文提出基于RFID(RadioFrequencyIdentification，無線射頻識別)技術(shù)實現(xiàn)實時監(jiān)控參觀人員的行跡，并結(jié)合PDA移動應用終端，將人員實時監(jiān)控與精確定位技術(shù)相融合，實現(xiàn)基于RFID技術(shù)的地震遺址參觀管理系統(tǒng)的創(chuàng)新。在RFID技術(shù)的應用中，常規(guī)的方法都是通過后臺應用系統(tǒng)或者直接在終端設備上進行操作，再將終端收集的數(shù)據(jù)上傳并進行處理。但考慮到PC機和筆記本電腦均存在著體積過大，攜帶、供電不便等諸多問題，而PDA是一種比筆記本電腦要小巧輕便的數(shù)據(jù)終端，其數(shù)據(jù)處理、信息管理和電子商務等功能完善?，F(xiàn)將RFID和PDA結(jié)合應用，不僅保持了PDA的原有功能，而且還具有了對射頻卡的讀、寫能力，可充分利用PDA具有多種高級數(shù)據(jù)采集功能以及靈活的語音和數(shù)據(jù)通訊功能，并且與無線局域網(wǎng)實現(xiàn)同步，結(jié)合對射頻卡的讀、寫能力，能實時訪問數(shù)據(jù)信息，形成具有高可靠性、低功耗、操作簡單、模塊化設計的智能掌上數(shù)據(jù)處理終端設備，同時還能提供豐富的應用軟件資源和硬件接口等。

基于PDA的RFID人員信息采集裝置可大大提高地震遺址參觀管理系統(tǒng)的工作效率，為參觀人員提供方便高效的導覽服務模式，是現(xiàn)代數(shù)據(jù)采集、電子管理的發(fā)展方向，同時在PDA移動終端上亦能方便、快捷地進行二次應用開發(fā)。

1RFID系統(tǒng)工作原理

RFID是通過讀寫器與安裝在物品上的電子標簽的電磁耦合或電感耦合來進行數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)對物品自動識別，是連接物理空間中的物體和信息空間中的ID的紐帶。RFID還是惟一可以實現(xiàn)多標簽同時識別的自動識別技術(shù)。此技術(shù)的實時數(shù)據(jù)獲取功能和對外界環(huán)境較強的適應能力，是實現(xiàn)地震遺址此類大型參觀區(qū)域中數(shù)目眾多的人員信息快速、準確、實時獲取的基礎，是實現(xiàn)對廣范圍內(nèi)的參觀人員群體實行實時導覽、定位、安全監(jiān)控、危險區(qū)域預警等智能化管理的有力保障。

典型的RFID系統(tǒng)主要由讀寫器、電子標簽、中間件和應用系統(tǒng)軟件組成。RFID系統(tǒng)基本工作原理如下：由讀寫器通過發(fā)射天線發(fā)送特定頻率的射頻信號，當電子標簽進入有效工作區(qū)域時產(chǎn)生感應電流，從而獲得能量，電子標簽被激活，使得電子標簽將自身編碼信息通過內(nèi)置射頻天線發(fā)送出去；讀寫器的接收天線接收到從標簽發(fā)送來的調(diào)制信號，經(jīng)天線調(diào)節(jié)器傳送到讀寫器信號處理模塊，經(jīng)解調(diào)和解碼后將有效信息送至后臺應用系統(tǒng)進行相關的處理；應用系統(tǒng)根據(jù)邏輯運算識別該標簽的身份，針對不同的設定作出相應的處理和控制，最終發(fā)出指令信號控制讀寫器完成相應的讀寫操作。

本文采用的是北京洪德智源信息技術(shù)有限公司的JX3000R手持RFID智能移動信息終端。該終端充分結(jié)合RFID，PDA，GPS，GIS等技術(shù)，為系統(tǒng)提供了現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與管理功能。系統(tǒng)RFID識讀采用2．4～2．483GHz頻段，能可靠識讀靜止或快速移動的目標，識讀距離為50～150m，識讀無盲區(qū)，發(fā)射功率為-16～4dBm范圍內(nèi)可調(diào)。天線采用內(nèi)置全向天線，振動沖擊符合《GJB-150-86》標準。

2系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)主要由3個主要單元組成：智能化現(xiàn)場導覽管理(下面簡稱“現(xiàn)場導覽單元”)，地震危險區(qū)域參觀人員的安全監(jiān)控(下面簡稱“安全監(jiān)控單元”)，以及后臺軟件平臺管理(下面簡稱“后臺管理單元”)，如圖1所示，系統(tǒng)的主要功能模塊說明如下：

地震遺址區(qū)域內(nèi)導游由手持的PDA移動終端，現(xiàn)場實時采集參觀人員的RFID標簽ID信息，并通過GPS確定導游自身的位置，由CDMA無線通信技術(shù)將ID信息、位置信息等傳送至后臺管理單元的數(shù)據(jù)庫中，并由GIS地理信息系統(tǒng)直觀地將位置信息顯示在后臺監(jiān)控終端上，可實現(xiàn)對導覽對象的全過程動態(tài)監(jiān)控。若有參觀人員闖入預先定義的危險區(qū)域時，現(xiàn)場的RFID閱讀器將該人員的RFID標簽ID信息，由CDMA技術(shù)傳送至后臺管理單元的監(jiān)控終端，并立即觸發(fā)現(xiàn)場的報警器。

2．1現(xiàn)場導覽單元

現(xiàn)場導覽單元中，遺址區(qū)域內(nèi)導游由手持的PDA移動終端，現(xiàn)場實時采集參觀人員的RFID標簽ID信息，并通過GPS確定導游的具體位置，由CDMA無線通信技術(shù)將ID信息、位置信息等傳送至后臺管理單元的數(shù)據(jù)庫中，并由GIS地理信息系統(tǒng)直觀地將位置信息顯示在后臺監(jiān)控設備上，可實現(xiàn)對導覽對象的全過程動態(tài)監(jiān)控。此現(xiàn)場導覽單元的流程圖，如圖2所示。

本文設計的現(xiàn)場導覽單元中，PDA移動終端平臺集成了RFID，GPS，GIS，CDMA等技術(shù)，可實現(xiàn)文件管理、RFID數(shù)據(jù)采集、GIS地圖管理、GPS定位與CDMA無線通信等功能。如圖3所示。

文件管理其主要功能是實現(xiàn)文件的接收、發(fā)送、打開、以及保存等管理操作。其中文件中的信息主要包括，對應導游帶領的參觀人員RFID標簽ID號的顯示、保存，以及預先設定好的遺址區(qū)域危險區(qū)信息的顯示、保存等。

RFID數(shù)據(jù)采集其主要功能是實現(xiàn)參觀人員的在參觀過程中的數(shù)據(jù)信息管理，實現(xiàn)實時監(jiān)控導覽，監(jiān)控等功能。在導覽過程中，導游可由嵌入PDA的RFID閱讀器實時采集參觀人員的RFID信息。若有人越出預先設定的距離，在PDA上將報警并顯示出對應的身份信息，方便導游實現(xiàn)人員管理。

GIS地圖管理其主要功能是結(jié)合嵌入式GIS組件來進行二次開發(fā)，在PDA上完成對地圖的基本操作，包括導游對各種尺度的地震遺址地圖進行瀏覽，并可對地圖進行平移、放大、縮小等各種操作。若后臺監(jiān)控中心指導區(qū)域內(nèi)導游變換導覽路線，導游借由PDA接收到導覽指示后，可由電子地圖模塊測得下一個參觀點距離本地的直線或?qū)в[路徑的距離。

GPS定位與CDMA通信其主要功能是利用GPS進行定位，以及與后臺服務器端的數(shù)據(jù)基于CDMA技術(shù)實時通訊，完成PDA與數(shù)據(jù)處理中心的數(shù)據(jù)交換，為后臺監(jiān)控中心實現(xiàn)遺址區(qū)域?qū)崟r監(jiān)控提供數(shù)據(jù)信息保障。

2．2安全監(jiān)控單元

本安全監(jiān)控單元的監(jiān)控形式包括兩種，主動監(jiān)控和被動監(jiān)控。主動監(jiān)控是系統(tǒng)自動識別參觀人員的安全隱患，自動報警；被動監(jiān)控是在接收到參觀人員或者導游的報警信息后發(fā)出報警。此安全監(jiān)控單元的工作流程圖，如圖4所示。

主動安全監(jiān)控北川地震遺址遺跡博物館中有一些危險區(qū)域是禁止參觀人員進入的。根據(jù)危險區(qū)域的范圍進行RFID標簽部署和實施，形成一定的RFID識讀區(qū)域，當參觀人員進入RFID識讀區(qū)域，RFID系統(tǒng)會識讀參觀人員的標簽數(shù)據(jù)，立即發(fā)出報警，提醒參觀人員離開該危險區(qū)域，同時在后臺管理單元的電子地圖上高亮閃爍進入危險區(qū)的參觀人員位置，并顯示該人員的ID信息等，提示并輔助管理人員安排危險狀況的排除工作。

被動安全監(jiān)控被動安全監(jiān)控由參觀人員或者導游通過PDA向后臺管理單元發(fā)送報警信息，后臺在收到報警信息后啟動報警。當參觀人員在參觀過程中遇到不可預料的危險狀況時，參觀人員可通過PDA向后臺管理單元發(fā)送報警信息；當在游覽過程中有參觀人員脫離了導游的視線或者控制范圍，導游無法對其安全進行保證的時候，導游可以用PDA向后臺管理中心發(fā)送報警信息。后臺接到報警信息后自動觸發(fā)報警器，發(fā)出報警聲，并在電子地圖上高亮閃爍進入遇到危險的參觀人員位置或者報警的導游的位置，顯示參觀人員的ID信息等，提示并輔助管理人員安排危險狀況排除工作。

2．3后臺管理單元

后臺管理單元，主要通過RFID等先進技術(shù)采集的參觀人員的信息，結(jié)合GIS技術(shù)、GPS技術(shù)、CDMA技術(shù)等，實時展示游覽軌跡，實現(xiàn)圖形、屬性互相查詢，實現(xiàn)了對導覽對象的全過程動態(tài)監(jiān)控管理。根據(jù)應用需求，設計的后臺管理單元主要包括：系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)管理、地圖管理、參觀人員統(tǒng)計、危險區(qū)劃分、軌跡追蹤和安全監(jiān)控，如圖5所示。

系統(tǒng)管理：主要有系統(tǒng)登錄、用戶管理、系統(tǒng)幫助三個功能模塊，系統(tǒng)管理員可對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行增加、刪除和修改等操作。
數(shù)據(jù)管理：實現(xiàn)數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)入庫和管理、數(shù)據(jù)更新、數(shù)據(jù)檢索和查詢等功能。
地圖管理：實現(xiàn)基礎地圖管理功能，為直觀的顯示和分析提供基礎地圖服務和管理。
危險區(qū)劃分：利用GIS空間分析功能，對危險源(點／面)進行緩沖區(qū)分析，得出北川地震遺址的危險區(qū)劃分，直觀地顯示出危險點／面的位置和危險影響范圍。
人員統(tǒng)計：實現(xiàn)對人員歷史數(shù)據(jù)進行按記錄、時、天、周、月、季節(jié)、年等時段和周期進行統(tǒng)計，以報表的形式顯示統(tǒng)計結(jié)果并可以打印輸出。
軌跡追蹤：根據(jù)導游手持的PDA獲取參觀人員的定位數(shù)據(jù)等相關信息，由CDMA無線技術(shù)將此信息傳送至后臺管理中心服務器中，由電子地圖實時在后臺管理中心展示出軌跡和人員分布情況，為參觀人員提供引導服務。
安全監(jiān)控：通過獲取PDA實時采集的各項信息，對參觀人員進行安全監(jiān)控。

3結(jié)論

本地震遺址導覽與安全監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)了人員實時定位，導航等功能，并能實現(xiàn)危險區(qū)域的人員監(jiān)控等，相比于一般的景點管理系統(tǒng)，有以下一些特點：

(1)參觀人員攜帶的RFID電子標簽作為一種特殊的門票，解決了紙質(zhì)門票對資源的浪費和環(huán)境的污染，同時在PDA中嵌入RFID讀寫模塊來進行RFID手持閱讀器的開發(fā)，使RFID標簽兼?zhèn)渖矸蓁b別、安全監(jiān)控、實時定位等功能，更有效地保證了參觀人員的生命安全，一舉多得。

(2)系統(tǒng)將RFID識讀模塊移植到PDA中，實現(xiàn)移動式的RFID信息采集，為系統(tǒng)實時定位監(jiān)控、導覽提供了數(shù)據(jù)保證。

(3)系統(tǒng)將PDA與高精度GPS定位技術(shù)相結(jié)合用于GIS地理信息管理模塊中，使在PDA上進行的地圖操作變得非常簡單，使導覽系統(tǒng)更加智能化，提高了系統(tǒng)運作的性能。

本地震遺址管理系統(tǒng)，以RFID技術(shù)為核心，基于具備良好的可移動性和軟硬件可擴充性的PDA應用平臺，并充分融合GPS(全球定位系統(tǒng))、GIS(地理信息系統(tǒng))、CDMA(碼分多址無線通信技術(shù))等多項網(wǎng)絡定位、通信領域的先進技術(shù)，使RFID技術(shù)進一步在地震遺址智能化管理系統(tǒng)中做出突出的貢獻，實現(xiàn)了信息化、科學化、低碳的遺址參觀管理模式，更為今后的人文教育、地震災害、地震次生災害、建筑結(jié)構(gòu)抗震的研究以及地震知識的科普教育提供了豐富、翔實的現(xiàn)場實例。