基于RFID的地震遺址導(dǎo)覽與安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(zāi)難，也警示人們?nèi)绾卧诖鬄?zāi)難面前更好地做好自我防護(hù)才能有效保護(hù)生命。由于地震遺址場所的特殊性，如何更好地實(shí)現(xiàn)該區(qū)域內(nèi)參觀人員的導(dǎo)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(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)控參觀人員的行跡，并結(jié)合PDA移動應(yīng)用終端，將人員實(shí)時監(jiān)控與精確定位技術(shù)相融合，實(shí)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(yīng)用中，常規(guī)的方法都是通過后臺應(yīng)用系統(tǒng)或者直接在終端設(shè)備上進(jìn)行操作，再將終端收集的數(shù)據(jù)上傳并進(jìn)行處理。但考慮到PC機(jī)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(wù)等功能完善。現(xiàn)將RFID和PDA結(jié)合應(yīng)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(shí)現(xiàn)同步，結(jié)合對射頻卡的讀、寫能力，能實(shí)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(shè)計(jì)的智能掌上數(shù)據(jù)處理終端設(shè)備，同時還能提供豐富的應(yīng)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(dǎo)覽服務(wù)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(jìn)行二次應(yīng)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(biāo)簽的電磁耦合或電感耦合來進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，實(shí)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(shí)現(xiàn)多標(biāo)簽同時識別的自動識別技術(shù)。此技術(shù)的實(shí)時數(shù)據(jù)獲取功能和對外界環(huán)境較強(qiáng)的適應(yīng)能力，是實(shí)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(zhǔn)確、實(shí)時獲取的基礎(chǔ)，是實(shí)現(xiàn)對廣范圍內(nèi)的參觀人員群體實(shí)行實(shí)時導(dǎo)覽、定位、安全監(jiān)控、危險區(qū)域預(yù)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(biāo)簽、中間件和應(yīng)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(dāng)電子標(biāo)簽進(jìn)入有效工作區(qū)域時產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而獲得能量，電子標(biāo)簽被激活，使得電子標(biāo)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(biāo)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(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)的處理；應(yīng)用系統(tǒng)根據(jù)邏輯運(yùn)算識別該標(biāo)簽的身份，針對不同的設(shè)定作出相應(yīng)的處理和控制，最終發(fā)出指令信號控制讀寫器完成相應(yīng)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(biāo)，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(biāo)準(zhǔn)。

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(dǎo)覽管理(下面簡稱“現(xiàn)場導(dǎo)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(dǎo)游由手持的PDA移動終端，現(xiàn)場實(shí)時采集參觀人員的RFID標(biāo)簽ID信息，并通過GPS確定導(dǎo)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(shí)現(xiàn)對導(dǎo)覽對象的全過程動態(tài)監(jiān)控。若有參觀人員闖入預(yù)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(biāo)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(dǎo)覽單元

現(xiàn)場導(dǎo)覽單元中，遺址區(qū)域內(nèi)導(dǎo)游由手持的PDA移動終端，現(xiàn)場實(shí)時采集參觀人員的RFID標(biāo)簽ID信息，并通過GPS確定導(dǎo)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(shè)備上，可實(shí)現(xiàn)對導(dǎo)覽對象的全過程動態(tài)監(jiān)控。此現(xiàn)場導(dǎo)覽單元的流程圖，如圖2所示。

本文設(shè)計(jì)的現(xiàn)場導(dǎo)覽單元中，PDA移動終端平臺集成了RFID，GPS，GIS，CDMA等技術(shù)，可實(shí)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(shí)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(yīng)導(dǎo)游帶領(lǐng)的參觀人員RFID標(biāo)簽ID號的顯示、保存，以及預(yù)先設(shè)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(shí)現(xiàn)參觀人員的在參觀過程中的數(shù)據(jù)信息管理，實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)控導(dǎo)覽，監(jiān)控等功能。在導(dǎo)覽過程中，導(dǎo)游可由嵌入PDA的RFID閱讀器實(shí)時采集參觀人員的RFID信息。若有人越出預(yù)先設(shè)定的距離，在PDA上將報警并顯示出對應(yīng)的身份信息，方便導(dǎo)游實(shí)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(jìn)行二次開發(fā)，在PDA上完成對地圖的基本操作，包括導(dǎo)游對各種尺度的地震遺址地圖進(jìn)行瀏覽，并可對地圖進(jìn)行平移、放大、縮小等各種操作。若后臺監(jiān)控中心指導(dǎo)區(qū)域內(nèi)導(dǎo)游變換導(dǎo)覽路線，導(dǎo)游借由PDA接收到導(dǎo)覽指示后，可由電子地圖模塊測得下一個參觀點(diǎn)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(jìn)行定位，以及與后臺服務(wù)器端的數(shù)據(jù)基于CDMA技術(shù)實(shí)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(shí)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(dǎo)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(jìn)入的。根據(jù)危險區(qū)域的范圍進(jìn)行RFID標(biāo)簽部署和實(shí)施，形成一定的RFID識讀區(qū)域，當(dāng)參觀人員進(jìn)入RFID識讀區(qū)域，RFID系統(tǒng)會識讀參觀人員的標(biāo)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(jìn)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(dǎo)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(dāng)參觀人員在參觀過程中遇到不可預(yù)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(dāng)在游覽過程中有參觀人員脫離了導(dǎo)游的視線或者控制范圍，導(dǎo)游無法對其安全進(jìn)行保證的時候，導(dǎo)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(jìn)入遇到危險的參觀人員位置或者報警的導(dǎo)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(jìn)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(shí)時展示游覽軌跡，實(shí)現(xiàn)圖形、屬性互相查詢，實(shí)現(xiàn)了對導(dǎo)覽對象的全過程動態(tài)監(jiān)控管理。根據(jù)應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)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(jì)、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(jìn)行增加、刪除和修改等操作。
數(shù)據(jù)管理：實(shí)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(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)地圖管理功能，為直觀的顯示和分析提供基礎(chǔ)地圖服務(wù)和管理。
危險區(qū)劃分：利用GIS空間分析功能，對危險源(點(diǎn)／面)進(jìn)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(diǎn)／面的位置和危險影響范圍。
人員統(tǒng)計(jì)：實(shí)現(xiàn)對人員歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行按記錄、時、天、周、月、季節(jié)、年等時段和周期進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，以報表的形式顯示統(tǒng)計(jì)結(jié)果并可以打印輸出。
軌跡追蹤：根據(jù)導(dǎo)游手持的PDA獲取參觀人員的定位數(shù)據(jù)等相關(guān)信息，由CDMA無線技術(shù)將此信息傳送至后臺管理中心服務(wù)器中，由電子地圖實(shí)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(dǎo)服務(wù)。
安全監(jiān)控：通過獲取PDA實(shí)時采集的各項(xiàng)信息，對參觀人員進(jìn)行安全監(jiān)控。

3結(jié)論

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

(1)參觀人員攜帶的RFID電子標(biāo)簽作為一種特殊的門票，解決了紙質(zhì)門票對資源的浪費(fèi)和環(huán)境的污染，同時在PDA中嵌入RFID讀寫模塊來進(jìn)行RFID手持閱讀器的開發(fā)，使RFID標(biāo)簽兼?zhèn)渖矸蓁b別、安全監(jiān)控、實(shí)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(shí)現(xiàn)移動式的RFID信息采集，為系統(tǒng)實(shí)時定位監(jiān)控、導(dǎo)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(jìn)行的地圖操作變得非常簡單，使導(dǎo)覽系統(tǒng)更加智能化，提高了系統(tǒng)運(yùn)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(kuò)充性的PDA應(yīng)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(xiàng)網(wǎng)絡(luò)定位、通信領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)，使RFID技術(shù)進(jìn)一步在地震遺址智能化管理系統(tǒng)中做出突出的貢獻(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了信息化、科學(xué)化、低碳的遺址參觀管理模式，更為今后的人文教育、地震災(zāi)害、地震次生災(zāi)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(shí)的現(xiàn)場實(shí)例。