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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(jī)監(jiān)視報(bào)警方式進(jìn)行管理，對于移動(dòng)中的人員，信息更新慢，準(zhǔn)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(shí)時(shí)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(shí)被發(fā)現(xiàn)并制止，如呼和浩特的越獄事件，給社會(huì)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(huì)，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(shí)延短、網(wǎng)絡(luò)容量大和安全等優(yōu)點(diǎn)，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(dòng)化等領(lǐng)域.我們針對監(jiān)獄設(shè)計(jì)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(kuò)展性的雙向無線通信技術(shù)，它是一種介于無線標(biāo)記技術(shù)和藍(lán)牙之間的技術(shù)提案。ZigBee的基礎(chǔ)是IEEE802.15.4，這是IEEE無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)（PersonalAreaNetwork，PAN）工作組的一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，被稱作IEEE802.15.4ZigBee）技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，主要適用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)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(diǎn)：
(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(hào)電池就可以維持長達(dá)6個(gè)月到2年左右的使用時(shí)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(jì)很快就能降到1.5-2.5美元,并且ZigBee協(xié)議是免專利費(fèi)的。低成本對于ZigBee也是一個(gè)關(guān)鍵的因素。
(3)時(shí)延短:通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短,典型的搜索設(shè)備時(shí)延30ms,休眠激活的時(shí)延是15ms,活動(dòng)設(shè)備信道接入的時(shí)延為15ms。因此ZigBee技術(shù)適用于對時(shí)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(gè)星型結(jié)構(gòu)的Zigbee網(wǎng)絡(luò)最多可以容納254個(gè)從設(shè)備和一個(gè)主設(shè)備,一個(gè)區(qū)域內(nèi)可以同時(shí)存在最多100個(gè)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(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時(shí)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(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸模式,每個(gè)發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息。如果傳輸過程中出現(xiàn)問題可以進(jìn)行重發(fā)。
(6)安全:ZigBee提供了基于循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC)的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能,支持鑒權(quán)和認(rèn)證,采用了AES-128的加密算法,各個(gè)應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。
2.2ZigBee技術(shù)在實(shí)現(xiàn)監(jiān)獄人員定位功能中的優(yōu)勢
目前實(shí)現(xiàn)人員定位的技術(shù)很多，如GPS定位、手機(jī)基站定位、RFID定位、WIFI定位等。GPS定位與手機(jī)基站定位因需要類似手機(jī)終端，不便于管理，雖然定位功能不錯(cuò)，但并不適合監(jiān)獄這一個(gè)管理嚴(yán)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(shí)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(dá)到相同定位效果及密度的前提下，RFID設(shè)備的安裝密度會(huì)遠(yuǎn)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(shí)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(jí)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(shí)別、分析及其傳輸，硬件系統(tǒng)由地面監(jiān)控計(jì)算機(jī)、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(shí)別，從而實(shí)現(xiàn)人員識(shí)別、定位的功能。軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)共同支撐著整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)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(chǔ)存著一個(gè)人員的信息，用來識(shí)別目標(biāo)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(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)的按鍵，具有主動(dòng)發(fā)信號(hào)讓讀卡器接收數(shù)據(jù)功能，用于值班人員定時(shí)上報(bào)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(dòng)采取射頻卡數(shù)據(jù)，不主動(dòng)上傳。
射頻讀卡器。根據(jù)監(jiān)獄的定位要求，在每個(gè)定位點(diǎn)安裝一個(gè)射頻讀卡器，射頻讀卡器能主動(dòng)發(fā)送信號(hào)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(dòng)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(gè)定位區(qū)域，分別安裝一個(gè)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(jìn)行識(shí)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(gè)區(qū)域，然后在每個(gè)區(qū)域內(nèi)建設(shè)一個(gè)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(dòng)場所等公共區(qū)域、監(jiān)獄勞動(dòng)場所、監(jiān)獄押運(yùn)車、巡更點(diǎn)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(dòng)式可以主動(dòng)上傳數(shù)據(jù)，犯人的為被動(dòng)式需進(jìn)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(shí)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(shí)現(xiàn)監(jiān)獄人員跟蹤定位，系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)能實(shí)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(biāo)直接點(diǎn)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(yùn)行并對地圖進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)出區(qū)域可以安裝定位讀寫器。當(dāng)被監(jiān)控人員通過時(shí)系統(tǒng)立刻記錄下來通過犯人信息及時(shí)間。系統(tǒng)可指定時(shí)段指定對象進(jìn)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(dāng)車輛出入時(shí)，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(jìn)入通道，讀卡器就會(huì)掃描到犯人射頻卡數(shù)據(jù)，則會(huì)發(fā)出報(bào)警告知值班人員和監(jiān)管人員嚴(yán)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(shí)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(shí)現(xiàn)對人員進(jìn)行全天行程監(jiān)控的功能并支持人員行動(dòng)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(jì)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(jì)。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(shí)清點(diǎn)區(qū)域內(nèi)人數(shù)，查看是否有犯人溜號(hào)等情況。
行動(dòng)區(qū)域監(jiān)控
對所有人員的位置進(jìn)行監(jiān)控，根據(jù)人員的相關(guān)權(quán)限，對人員的行動(dòng)區(qū)域進(jìn)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(tái)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(dāng)在此掃描范圍內(nèi)掃描到犯人的射頻卡數(shù)據(jù)，則會(huì)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(dòng)越獄事件應(yīng)急處置預(yù)案進(jìn)行處理。
外出勞動(dòng)管理
犯人在農(nóng)田，礦場等開闊區(qū)域進(jìn)行勞動(dòng)改造，可快速搭建無線監(jiān)控定位系統(tǒng)，對外出人員進(jìn)行全程監(jiān)控，防止外出勞動(dòng)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(shí)了解外出人員情況，出現(xiàn)異常情況可即時(shí)采取措施。
押運(yùn)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(shí)除了對車輛進(jìn)行定位管理，還可以輛內(nèi)部在押人員及押車獄警進(jìn)行全程監(jiān)控，監(jiān)控中心可隨時(shí)了解在押運(yùn)途中車輛及車內(nèi)人員情況。
每個(gè)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(yùn)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(shí)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(dāng)車內(nèi)人員在途中離開車輛時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出告警信息，監(jiān)獄監(jiān)控中心即可及時(shí)獲取信息。當(dāng)車輛駛出監(jiān)獄門崗系統(tǒng)自動(dòng)設(shè)置為監(jiān)控狀態(tài)，安全抵達(dá)后系統(tǒng)自動(dòng)轉(zhuǎn)成空閑狀態(tài)。
巡更管理功能
對犯人巡更進(jìn)行監(jiān)督管理功能，對巡更路線進(jìn)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(shí)間，一旦讀卡器在規(guī)定時(shí)間未讀取到巡更人員射頻卡數(shù)據(jù)或者巡更點(diǎn)讀卡器在非巡更時(shí)間讀取到巡更人員射頻卡數(shù)據(jù)等，系統(tǒng)均會(huì)發(fā)出報(bào)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(jìn)行監(jiān)管，讀卡器定時(shí)掃描獄警身份卡數(shù)據(jù)、獄警身份卡定時(shí)上報(bào)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(jìn)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(jìn)行登記，發(fā)現(xiàn)有未登記的射頻卡數(shù)據(jù)，系統(tǒng)認(rèn)定為攜帶此射頻卡的人員有越界行為，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出越界報(bào)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(huì)發(fā)出越界報(bào)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(jìn)行限定，當(dāng)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(huì)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(gè)區(qū)域的讀卡器每個(gè)時(shí)間讀取的射頻卡數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，當(dāng)某段時(shí)間內(nèi)幾次統(tǒng)計(jì)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(shí)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(jìn)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(shí)上報(bào)手動(dòng)按發(fā)送鍵上傳數(shù)據(jù)信息。當(dāng)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(dòng)上傳的信息，而且身份卡信息與當(dāng)前位置的值班表人員信息相符，則認(rèn)為當(dāng)前值班人員值班正常時(shí)，否則將會(huì)發(fā)出報(bào)警信息提示監(jiān)管人員對值班情況進(jìn)行核查。
巡更告警，巡更人（射頻卡）沒有按規(guī)定時(shí)間出現(xiàn)在巡更點(diǎn)（讀卡器）接收數(shù)據(jù)里，則認(rèn)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(huì)發(fā)出巡更報(bào)警提示監(jiān)管人員進(jìn)行處理。
清點(diǎn)異常告警，規(guī)定時(shí)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(jì)后，出現(xiàn)少人、多人或者人員信息不符等系統(tǒng)會(huì)發(fā)出報(bào)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(dāng)車內(nèi)人員在途中離開車輛時(shí)，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(bào)警，防止卡被丟棄、保利拆卸、不工作等，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出射頻卡報(bào)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(jìn)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(shí)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(bào)警及視頻等系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，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。
