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基于ZigBee技術(shù)的監(jiān)獄人員定位系統(tǒng)的應(yīng)用
目前的監(jiān)獄人員定位管理，基本還停留在人工管理階段，以監(jiān)獄獄警巡查記錄加攝像機監(jiān)視報警方式進行管理，對于移動中的人員，信息更新慢，準確度不高。監(jiān)獄人員位置信息采集主要靠獄警巡查然后手工記錄完成，無法將實時位置和在押人員真正關(guān)聯(lián)起來。
由于監(jiān)獄人員定位管理水平不高，導(dǎo)致一系列惡性越獄事件未能及時被發(fā)現(xiàn)并制止，如呼和浩特的越獄事件，給社會造成極大危害。為防止越獄事件的再次發(fā)生，防止犯罪分子再次危害社會，建設(shè)監(jiān)獄人員定位管理系統(tǒng)迫在眉睫。
ZigBee技術(shù)是一種新興的短距離、低速率無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，ZigBee技術(shù)具備功耗小、時延短、網(wǎng)絡(luò)容量大和安全等優(yōu)點，在短距離、低功耗、無線通信中具備特有的技術(shù)優(yōu)勢，ZigBee技術(shù)應(yīng)用于小范圍的基于無線通信的控制和自動化等領(lǐng)域.我們針對監(jiān)獄設(shè)計了基于ZigBee技術(shù)的監(jiān)獄人員定位系統(tǒng)。
2.ZigBee技術(shù)
2.1ZigBee技術(shù)簡介
ZigBee技術(shù)是一種新興的短距離、低速率(250kB/s)、低功耗、低成本、自組網(wǎng)、低復(fù)雜度、安全可靠、高擴展性的雙向無線通信技術(shù)，它是一種介于無線標記技術(shù)和藍牙之間的技術(shù)提案。ZigBee的基礎(chǔ)是IEEE802.15.4，這是IEEE無線個人區(qū)域網(wǎng)（PersonalAreaNetwork，PAN）工作組的一項標準，被稱作IEEE802.15.4ZigBee）技術(shù)標準，主要適用于自動控制和遠程控制領(lǐng)域，支持地理定位功能。作為一種無線通信技術(shù)，ZigBee技術(shù)具有以下特點：
(1)低功耗:由于ZigBee的傳輸速率低,發(fā)射功率僅為1mW,而且采用了休眠模式,功耗低,因此ZigBee設(shè)備非常省電。據(jù)估算,ZigBee設(shè)備僅靠兩節(jié)5號電池就可以維持長達6個月到2年左右的使用時間,這是其它無線設(shè)備望塵莫及的。
(2)成本低:ZigBee模塊的初始成本在6美元左右,估計很快就能降到1.5-2.5美元,并且ZigBee協(xié)議是免專利費的。低成本對于ZigBee也是一個關(guān)鍵的因素。
(3)時延短:通信時延和從休眠狀態(tài)激活的時延都非常短,典型的搜索設(shè)備時延30ms,休眠激活的時延是15ms,活動設(shè)備信道接入的時延為15ms。因此ZigBee技術(shù)適用于對時延要求苛刻的無線控制(如工業(yè)控制場合等)應(yīng)用。
(4)網(wǎng)絡(luò)容量大:一個星型結(jié)構(gòu)的Zigbee網(wǎng)絡(luò)最多可以容納254個從設(shè)備和一個主設(shè)備,一個區(qū)域內(nèi)可以同時存在最多100個ZigBee網(wǎng)絡(luò),而且網(wǎng)絡(luò)組成靈活。
(5)可靠:采取了碰撞避免策略,同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時隙,避開了發(fā)送數(shù)據(jù)的競爭和沖突。MAC層采用了完全確認的數(shù)據(jù)傳輸模式,每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認信息。如果傳輸過程中出現(xiàn)問題可以進行重發(fā)。
(6)安全:ZigBee提供了基于循環(huán)冗余校驗(CRC)的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能,支持鑒權(quán)和認證,采用了AES-128的加密算法,各個應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。
2.2ZigBee技術(shù)在實現(xiàn)監(jiān)獄人員定位功能中的優(yōu)勢
目前實現(xiàn)人員定位的技術(shù)很多，如GPS定位、手機基站定位、RFID定位、WIFI定位等。GPS定位與手機基站定位因需要類似手機終端，不便于管理，雖然定位功能不錯，但并不適合監(jiān)獄這一個管理嚴格的場所。RFID、WIFI、ZigBee技術(shù)都能很好的完成監(jiān)獄人員定位功能，
ZigBee與WIFI采用同樣的算法實現(xiàn)定位，但是WIFI設(shè)備的耗電量太大，設(shè)備需要頻繁更換電池或充電，對人員定位功能有影響以及不方便管理；RFID與ZigBee相比，定位算法雖然不一樣，但是在達到相同定位效果及密度的前提下，RFID設(shè)備的安裝密度會遠大于Zigbee設(shè)備，而且RFID采用的是有線傳輸需要布線，安裝工程量都比較大。綜上所述，ZigBee技術(shù)成本低、耗電小、傳輸可靠、實現(xiàn)復(fù)雜度以及應(yīng)用適合度等優(yōu)勢，在目前常見的集中定位技術(shù)中更加適合于用以監(jiān)獄人員定位系統(tǒng)的功能。
3.監(jiān)獄人員定位系統(tǒng)的系統(tǒng)組成級工作原理
3.1系統(tǒng)組成
定位系統(tǒng)有軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)組成，其中軟件系統(tǒng)用于完成信息采集、識別、分析及其傳輸，硬件系統(tǒng)由地面監(jiān)控計算機、傳輸適配器、射頻基站、射頻讀卡器、射頻身份卡和天線等組成，用于完成信息采集和識別，從而實現(xiàn)人員識別、定位的功能。軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)共同支撐著整個系統(tǒng)的運行，并演繹出各種不同的功能應(yīng)用。各硬件設(shè)備功能如下：
射頻身份卡。具有唯一的全球眼ID，其內(nèi)部儲存著一個人員的信息，用來識別目標對象。射頻身份卡分為干警用和犯人用2種，干警武警等人員使用的射頻卡帶有主動發(fā)送數(shù)據(jù)的按鍵，具有主動發(fā)信號讓讀卡器接收數(shù)據(jù)功能，用于值班人員定時上報所在位置，以防止人卡分離情況；犯人用射頻卡安裝與防插卸電子腕帶上，由讀卡器主動采取射頻卡數(shù)據(jù)，不主動上傳。
射頻讀卡器。根據(jù)監(jiān)獄的定位要求，在每個定位點安裝一個射頻讀卡器，射頻讀卡器能主動發(fā)送信號激活在定位范圍內(nèi)的射頻卡上傳射頻卡數(shù)據(jù)，也可接收主動上傳的干警射頻身份卡數(shù)據(jù)。然后將數(shù)據(jù)通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳至附近的射頻基站。
射頻基站。根據(jù)監(jiān)獄的定位要求，將監(jiān)獄分為幾個定位區(qū)域，分別安裝一個射頻基站，用于接收射頻讀卡器上傳的射頻卡數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳至人員定位系統(tǒng)，再由軟件系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行識別、分析人員位置信息。
3.2工作原理
以滿足監(jiān)獄定位要求為目的，先將監(jiān)獄劃分幾個區(qū)域，然后在每個區(qū)域內(nèi)建設(shè)一個射頻基站；然后在監(jiān)獄周界圍墻、建筑物內(nèi)、各出入門禁處、監(jiān)獄獄內(nèi)活動場所等公共區(qū)域、監(jiān)獄勞動場所、監(jiān)獄押運車、巡更點等位置安裝射頻讀卡器；最后給監(jiān)獄的所有工作人員和犯人配發(fā)唯一的射頻身份卡或電子腕帶射頻卡，工作人員的射頻卡為主動式可以主動上傳數(shù)據(jù)，犯人的為被動式需進入射頻讀卡器范圍內(nèi)并被激活后上傳數(shù)據(jù)信息。射頻讀卡器的讀取的數(shù)據(jù)通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)饺藛T定位系統(tǒng)，識別、分析出相關(guān)人員的具體位置。
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4.監(jiān)獄人員定位系統(tǒng)功能應(yīng)用
采用ZigBee技術(shù)實現(xiàn)監(jiān)獄人員跟蹤定位，系統(tǒng)的軟件設(shè)計能實現(xiàn)如下功能應(yīng)用：
4.1地圖與設(shè)備管理
1.地圖管理
監(jiān)獄人員定位系統(tǒng)中的電子地圖功能能夠直觀顯示監(jiān)獄所有射頻卡、讀卡器和基站的信息，可以通過鼠標直接點擊查看相關(guān)的信息。地圖管理功能能夠支持電子地圖功能運行并對地圖進行一些配置，如地圖加載信息的設(shè)置，可以有選擇的設(shè)置地圖上加載的信息；地圖編輯可以對地圖進行放大和縮小，讓定位位置更精確；地圖屬性管理可以對地圖只讀、控制、顯示進行修改，方便對地圖的管理。
2.設(shè)備管理
監(jiān)管人員可對監(jiān)獄人員定位中的硬件設(shè)備進行管理配置，如基站、讀卡器、射頻卡的發(fā)射頻率、掃描頻率；無線傳輸網(wǎng)絡(luò)配置；增加基站或者讀卡器設(shè)備；射頻卡對應(yīng)的人員信息。
4.2人員監(jiān)控定位
出入管理
在監(jiān)獄大門、二道門、監(jiān)舍大門、監(jiān)區(qū)門、醫(yī)院、接見室、監(jiān)舍、工廠、農(nóng)場、煤場等進出區(qū)域可以安裝定位讀寫器。當被監(jiān)控人員通過時系統(tǒng)立刻記錄下來通過犯人信息及時間。系統(tǒng)可指定時段指定對象進行出入管理，發(fā)現(xiàn)違規(guī)現(xiàn)象，系統(tǒng)立即告警并顯示違規(guī)人員信息及最后定位系統(tǒng)定位位置。如在監(jiān)獄大門通道里裝上讀寫器，當車輛出入時，如果有犯人藏匿于車中，不再需要值班干警上車檢查，只要車輛進入通道，讀卡器就會掃描到犯人射頻卡數(shù)據(jù)，則會發(fā)出報警告知值班人員和監(jiān)管人員嚴格核查。
全天行程監(jiān)控
讀卡器記錄所有射頻卡的信息及時間，然后通過人員定位系統(tǒng)分析得出人員的全天的行程信息，可以實現(xiàn)對人員進行全天行程監(jiān)控的功能并支持人員行動軌跡的查看。
區(qū)域人數(shù)監(jiān)控
可以協(xié)助監(jiān)管人員統(tǒng)計相關(guān)區(qū)域的人數(shù)管理，事先設(shè)定相關(guān)人員的區(qū)域，讀卡器將記錄讀取的射頻卡數(shù)據(jù)并有人員定位系統(tǒng)統(tǒng)計。區(qū)域人數(shù)監(jiān)控能夠有效監(jiān)控區(qū)域的人數(shù)密集和人員迅速聚集情況，并且可以定時清點區(qū)域內(nèi)人數(shù)，查看是否有犯人溜號等情況。
行動區(qū)域監(jiān)控
對所有人員的位置進行監(jiān)控，根據(jù)人員的相關(guān)權(quán)限，對人員的行動區(qū)域進行監(jiān)控，判斷人員是否有越界行為，如果有越界行為則觸發(fā)系統(tǒng)的越界告警。
周界圍墻管理
在監(jiān)獄周界圍墻每隔一段距離安裝一臺ZigBee讀卡器，掃描范圍設(shè)定為距圍墻2米內(nèi)，也就是監(jiān)獄內(nèi)部物理隔離網(wǎng)附近。當在此掃描范圍內(nèi)掃描到犯人的射頻卡數(shù)據(jù)，則會發(fā)出周界圍墻預(yù)警信息，提醒監(jiān)管人員核查，如發(fā)現(xiàn)有越獄行為，可立即啟動越獄事件應(yīng)急處置預(yù)案進行處理。
外出勞動管理
犯人在農(nóng)田，礦場等開闊區(qū)域進行勞動改造，可快速搭建無線監(jiān)控定位系統(tǒng)，對外出人員進行全程監(jiān)控，防止外出勞動人員逃脫事件發(fā)生。監(jiān)獄監(jiān)控中心也可以通過監(jiān)控終端隨時了解外出人員情況，出現(xiàn)異常情況可即時采取措施。
押運途中管理
對監(jiān)獄在押人員外出就醫(yī)、提審、轉(zhuǎn)監(jiān)等需要外出時除了對車輛進行定位管理，還可以輛內(nèi)部在押人員及押車獄警進行全程監(jiān)控，監(jiān)控中心可隨時了解在押運途中車輛及車內(nèi)人員情況。
每個車輛內(nèi)配置車載GPS定位器，用于定位車輛位置，并且車內(nèi)安裝ZigBee讀卡器，押運獄警及在押人員佩戴身份卡，系統(tǒng)預(yù)制外出授權(quán)人員信息（時間段信息、人員信息），讀卡器接收的信息將通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)饺藛T定位管理系統(tǒng)。當車內(nèi)人員在途中離開車輛時，系統(tǒng)發(fā)出告警信息，監(jiān)獄監(jiān)控中心即可及時獲取信息。當車輛駛出監(jiān)獄門崗系統(tǒng)自動設(shè)置為監(jiān)控狀態(tài)，安全抵達后系統(tǒng)自動轉(zhuǎn)成空閑狀態(tài)。
巡更管理功能
對犯人巡更進行監(jiān)督管理功能，對巡更路線進行跟蹤并監(jiān)督巡更路線是否符合規(guī)定路線。設(shè)定犯人的巡更路線及巡更時間，一旦讀卡器在規(guī)定時間未讀取到巡更人員射頻卡數(shù)據(jù)或者巡更點讀卡器在非巡更時間讀取到巡更人員射頻卡數(shù)據(jù)等，系統(tǒng)均會發(fā)出報警并提醒監(jiān)管人員處理。
獄警考勤管理
對獄警的值班情況進行監(jiān)管，讀卡器定時掃描獄警身份卡數(shù)據(jù)、獄警身份卡定時上報自己的位置信息，人員定位系統(tǒng)對掃描的數(shù)據(jù)及接收的數(shù)據(jù)進行分析，判斷預(yù)警值班情況是否正常，是否出現(xiàn)人卡分離、人員脫崗、私自調(diào)班等現(xiàn)象。
4.3違規(guī)告警功能
越界告警，對讀卡器接收的射頻卡信息進行登記，發(fā)現(xiàn)有未登記的射頻卡數(shù)據(jù)，系統(tǒng)認定為攜帶此射頻卡的人員有越界行為，系統(tǒng)會發(fā)出越界報警提示監(jiān)管人員核查。如干警辦公區(qū)域出現(xiàn)犯人射頻卡數(shù)據(jù)、周界圍墻附近出現(xiàn)犯人數(shù)據(jù)都會發(fā)出越界報警。
人員密集告警，系統(tǒng)對一些公共區(qū)域或監(jiān)舍的人數(shù)進行限定，當讀卡器讀取的射頻卡數(shù)據(jù)超過規(guī)定的人數(shù)后，系統(tǒng)會發(fā)出預(yù)警信息提示監(jiān)管人員該區(qū)域人員密集；
人員快速聚集告警，系統(tǒng)對每個區(qū)域的讀卡器每個時間讀取的射頻卡數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，當某段時間內(nèi)幾次統(tǒng)計結(jié)果顯示人數(shù)不斷快速增加，增加頻率超過某一設(shè)定數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)則發(fā)出人員短時間內(nèi)快速聚集的預(yù)警信息提示監(jiān)管人員對該區(qū)域進行核查；
值班人員考勤告警，值班人員使用的是身份卡，為防止人卡分離現(xiàn)象，干警身份卡要求定時上報手動按發(fā)送鍵上傳數(shù)據(jù)信息。當值班室的讀卡器掃描到值班人員身份卡信息并接收到身份卡主動上傳的信息，而且身份卡信息與當前位置的值班表人員信息相符，則認為當前值班人員值班正常時，否則將會發(fā)出報警信息提示監(jiān)管人員對值班情況進行核查。
巡更告警，巡更人（射頻卡）沒有按規(guī)定時間出現(xiàn)在巡更點（讀卡器）接收數(shù)據(jù)里，則認為巡更不正常，有可能是未巡更或者沒按巡更路線巡更，系統(tǒng)會發(fā)出巡更報警提示監(jiān)管人員進行處理。
清點異常告警，規(guī)定時間規(guī)定區(qū)域內(nèi)讀卡器讀取的數(shù)據(jù)信息經(jīng)過分析統(tǒng)計后，出現(xiàn)少人、多人或者人員信息不符等系統(tǒng)會發(fā)出報警信息提示監(jiān)管人員核查。
押解途中告警，押解車在途中當車內(nèi)人員在途中離開車輛時，讀卡器未掃描到人員信息后，系統(tǒng)發(fā)出告警信息提示監(jiān)管人員緊急處置。
射頻卡報警，防止卡被丟棄、保利拆卸、不工作等，系統(tǒng)會發(fā)出射頻卡報警信息提示監(jiān)管人員核查是否為人員破壞或者射頻卡故障等。
4.4管理功能
監(jiān)管人員可以通過管理功能對監(jiān)獄在押人員檔案、告警規(guī)則、警戒線設(shè)置、人員出入授權(quán)、歷史信息查詢等信息進行管理。
5.結(jié)論
基于ZigBee技術(shù)的監(jiān)獄人員定位系統(tǒng)通過無線的傳輸方式，利用其網(wǎng)絡(luò)容量大、功耗低、時延短等優(yōu)勢能夠很好的應(yīng)用于監(jiān)獄系統(tǒng)。監(jiān)獄人員定位系統(tǒng)對監(jiān)獄人員位置管理有著重要的輔助作用，并且可與監(jiān)獄安防監(jiān)控軟件的報警及視頻等系統(tǒng)聯(lián)動，能有效的協(xié)助監(jiān)獄監(jiān)管人員對監(jiān)獄日常安防情況的監(jiān)管。
