基于物联网技术的监狱人员定位可视化管理系统

根据RSSI和TDOA定位原理，每个区域至少应安装3个AP，3个AP的几何位置呈锐角三角形。当该区域安装AP数量多于3个时，则要求相邻的3个AP安装的几何位置呈锐角三角形。Exciter用于区域管理。每当标签靠近Exciter时，将触发一条消息，通知标签的位置。Exciter应安装在监舍1层进出口、各楼层进出口、围墙、操场、AB门等警戒区。
定位管理服务器通过测量标签到3个AP的信号场强值(RSSI)来计算标签的位置坐标。理论上，区域中AP部署越密集，标签定位精度越高，但实际上，考虑到干扰因素，一个定位区域不宜部署过多的AP。经验值是：标签在某一位置可与3～4颗AP通讯为宜，且与这3颗AP的信号强度不低于-75 dBm，最好在-70 dBm以上。考虑到2.4 GHz WLAN信号的衰减速度，室外环境下，相邻两个AP的距离应控制在100～200 m；室内环境下，两个AP的距离应控制在30～50 m。由于2.4 GHz和5．8 GHz两个频段信号的衰减速度不同，因此，本系统将AP的射频工作频段设定为2．4 GHz。
网络安全包括用户认证、权限控制管理、数据加密、物理隔离等几个方面。为了保障监狱WLAN网络的安全性，以下几个安全措施需要同时设置：
关闭AP的数据传输功能，隐藏SSlD；
绑定MAC地址，启动802．1x认证和EAP、WAP、WPA2访问控制；
标签-AP-AC之间的数据加密传输应采用WAPI认证机制；
WLAN网络与监狱内网之间应当设置防火墙。
另外，进一步集成H3C的EAD(End user Admission Domination)终端准入控制系统，可实现标签用户的身份认证、网络安全认证和终端高效管理。

3 标签
3．1 硬件设计
标签工作在Wi-Fi和RFID两种无线制式下。图3给出了标签硬件实现框图。为了省电，标签可采用集成芯片方式实现。标签RFID模块被Exciter激活后与其通信，并将通信内容转发给CPU系统。WLAN模块完成Wi-Fi信号的发送。Wi-Fi信号的消息内容由CPU系统提供。CPU系统指挥标签工作，完成状态切换和任务调度。

经过芯片选型对比，WLAN模块芯片选择Atheros的AR5006X，这是一款单芯片WLAN方案，集成有RF、BP和MAC。RFID模块选择PKE芯片AS39 31，这是一款低功耗唤醒接收机，利用两个正交放置的线圈作为低频接收天线，由低功耗低频唤醒芯片AS3931接收RFID信号，同时与CPU通信。CPU则选用AVR单片机ATMEGA8，这是一款高档单片机。
标签外壳设计需要考虑防水防尘和安全问题。防水防尘做到IP67；锁扣螺钉不外露，材质柔软舒适，不伤皮肤，对WLAN信号的穿透性影响不大。按键I／O外接按键，用以紧急报警使用(目前已经预留2个)。当标签向AP发送信号时，LED指示灯点亮。拆卸I／O主要用于腕带类标签的防拆卸功能。
一般标签在使用之前都需要激活。标签激活后，即工作在Wi-Fi模式下，CPU系统控制WLAN模块定期发送Wi-Fi定位信号。定位信号包含标签基本信息、发送时间、Exciter ID等参数信息。当标签靠近Exciter时，标签RFID模块再次被激活，之后，触发CPU系统控制WLAN模块立即发送一个Wi-Fi信号。
3．2 软件设计
根据标签的工作状态，CPU软件系统包含INITIAL、CONFIG、IDLE、TRAFFIC等4种状态。图4给出了标签软件系统状态切换图。

从图4可见，标签上电后，直接由INTIAL状态进入IDLE状态。如果标签不被激活，则标签一直处于节电模式的IDLE状态。当标签被激活后，标签进入CONFIG状态，用户可对标签参数进行修改配置。标签参数配置修改后，若标签运行模式为Enable，则标签进入TRAFFIC状态，周期性发送Wi-Fi信号，并检测I／O电平。当标签处于TRAFFIC状态时，用户也可以利用RFID设备再次激活标签，进行CONFIG状态并修改参数。根据图4所示的软件状态切换过程，图5给出了CPU系统的主程序流程框图。

由图5可见，标签激活后，标签—直处于TRAFFIC状态，定时器每中断1次，CPU系统就向Wi-Fi转发1个消息包发送。消息包含有标签MAC地址、按键I／O状态、拆卸I／O状态、触发器ID等字段。

4 定位管理系统
定位管理系统运行在Windows Server服务器上。为了便于集中管理和远程控制，本系统基于浏览器方式开发，并支持远程web访问。图6给出了该定位管理系统的实现框图，整个系统分为数据库、定位网关、网关服务、数据管理、数据应用统、集成接口等6个模块。

考虑到将来大容量运行和分布式部署。可将图6所示的系统分成3个子系统。这3个子系统可以独立设计开发，各子系统间利用标准接口进行通信。数据库选择Windows SQL2005标准版，无需开发，直接安装即可；定位网关按子系统模式设计开发；网关服务模块、数据管理模块、数据应用模块和集成接口模块可按1个子系统模式设计开发。这种架构的最大优势是便于系统将来灵活部署。可以将3个子系统安装到3台服务器上运行，也可以将3个子系统安装到1台服务器上运行。具体安装主要取决于系统需要管辖的标签数量和规模。
定位网关实时接收由AP转发来的标签定位信号，调用RSSI／TDOA定位算法计算出标签位置，将标签信息、位置信息、地图信息等存入数据库。数据管理模块提供管理界面，与用户接口，实现对系统地图、部门、人员、事件等内容的设置。数据应用模块提供应用界面，与用户交互，完成人员定位检索、历史轨迹追溯、报警、统计等操作。
从使用角度看，定位管理系统提供管理和应用功能，具体包含定位、报警、统计、管理和集成接口等功能。
(1)定位与跟踪
定位与跟踪包含人员定位检索和历史位置追溯。系统接收AP转发的标签定位信号，即可完成定位解算，以可视化方式向用户展示每个资产在地图上的位置。借助于数据库，系统可以记录每个标签的基本信息、位置信息、地图信息等，以便于将来查询使用。
根据人员名字、时间范围查询数据库，可以获得标签在指定时间范围内的行径路线，以可视化方式向用户展示，并在地图上绘制行径路线。
(2)实时报警
实时报警能以列表方式记录标签报警事件。一个报警事件要求包含人员信息、标签信息、触发时间、触发地点等。支持用户按时间、按人员、按地点等字段进行查询。
(3)统计报表
本系统可以支持根据标签名称、人员名称、部门名称、时间范围、报警事件类别等字段，对数据进行统计分析，并输出excel、word、pdf等格式报表。
(4)管理
本系统包含标签管理、人员管理、事件管理、地图管理、权限管理、统计报表管理等模块功能。其中标签管理主要是标签的录入和删除，系统只监控数据库中处于使能状态的标签；人员管理主要完成人员名单的录入和删除，将人员与标签关联，同时对人员活动分区、活动时间范围进行约束；事件管理用于设置报警事件，每个报警事件的设置要求具体到人员名称、区域名称、时间范围和优先级；地图管理主要是导入地图和删除地图，并对地图进行分区和标注；权限管理主要是设置系统管理员登录账号。
(5)集成接口
本系统设计了API和EVENT两种接口模式。其中API以Lib库的方式提供，可集成到第3方软件中，调用API即可访问人员定位管理系统中的资源，Lib库包含针对资产管理、标签管理、事件管理、区域管理、权限管理等类别的API函数；EVENT则主动向第3方软件平台发送消息包以实现联动，可支持基于标准的HTTP Post、Web Service和Mail三种模式。

5 测试验证
5．1 测试环境
为了验证设计，可以搭建测试环境用以模拟监狱环境对系统进行测试。图7给出了测试环境中AP的安装位置。AP的安装原则和WLAN的网络设置上面已经论述，这里不再赘述。测试环境使用WLAN，设备选用H3C的AP和AC。AP型号为WA2220-AG，AC的型号为WX3024。