周 旭雷曉春陳俊彥（1.桂林電子科技大學(xué)，廣西 桂林 541004；2.桂林監(jiān)獄，廣西 桂林 541004；3.廣西高校云計算與復(fù)雜系統(tǒng)重點實驗室，廣西 桂林 541004；4.廣西可信軟件重點實驗室，廣西 桂林 541004；5.廣西云計算與大數(shù)據(jù)協(xié)同創(chuàng)新中心，廣西 桂林 541004）

基于ZigBee技術(shù)的監(jiān)獄服刑人員實時定位系統(tǒng)

周 旭1,2雷曉春1,3,4,5陳俊彥1,3,5
（1.桂林電子科技大學(xué)，廣西 桂林 541004；2.桂林監(jiān)獄，廣西 桂林 541004；3.廣西高校云計算與復(fù)雜系統(tǒng)重點實驗室，廣西 桂林 541004；4.廣西可信軟件重點實驗室，廣西 桂林 541004；5.廣西云計算與大數(shù)據(jù)協(xié)同創(chuàng)新中心，廣西 桂林 541004）

針對目前監(jiān)獄服刑人員的管理的問題，文章設(shè)計一個基于Zigbee技術(shù)的監(jiān)獄服刑人員實時定位系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用ZigBee技術(shù)架構(gòu)為支撐，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行組網(wǎng)采集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過監(jiān)控主機(jī)進(jìn)行分析和存儲，并將分析后的數(shù)據(jù)反映到終端，實現(xiàn)對服刑人員的實時定位。

ZigBee；監(jiān)獄服刑人員；實時定位

1 引言

隨著現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)和無線傳感技術(shù)的成熟和普及，以及監(jiān)獄管理制度和理念的逐步完善及設(shè)施的不斷更新，我國司法部門正在全國監(jiān)獄系統(tǒng)大力統(tǒng)籌推進(jìn)以網(wǎng)絡(luò)和傳感技術(shù)為基礎(chǔ)的現(xiàn)代信息化監(jiān)獄管理系統(tǒng)建設(shè)。本論文設(shè)計了一個基于Zigbee技術(shù)的監(jiān)獄服刑人員實時定位管理監(jiān)控系統(tǒng)。運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)的概念，采用低功耗Zigbee無線定位技術(shù)，利用內(nèi)置CC2530芯片的可防拆卸式腕帶作為定位節(jié)點，通過獲取節(jié)點接收的信號強(qiáng)度RSSI值，用定位算法計算出節(jié)點位置信息來進(jìn)行定位。運(yùn)用成熟的以太網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行監(jiān)控系統(tǒng)組網(wǎng)，使用SQL Server數(shù)據(jù)庫存儲數(shù)據(jù)，采用PC終端設(shè)備進(jìn)行管理，實現(xiàn)對服刑人員的實時定位、實時人數(shù)統(tǒng)計、越界/進(jìn)入禁入?yún)^(qū)域報警、重點人員跟蹤、人員移動軌跡采集以及干警安全保障等多項實時監(jiān)控功能。

2 系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計

結(jié)合監(jiān)獄的實際工作流程，本系統(tǒng)由以下四部分組成：

（1）數(shù)據(jù)采集層：通過ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對監(jiān)獄服刑人員的位置信息、生命體征和所佩戴的腕帶的狀態(tài)信息進(jìn)行采集，并將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)局域網(wǎng)發(fā)送到系統(tǒng)服務(wù)器進(jìn)行分析和處理。

（2）數(shù)據(jù)存儲層：主要功能一是存儲數(shù)據(jù)采集層發(fā)送來的數(shù)據(jù)，二是存儲系統(tǒng)服務(wù)器分析和處理后的結(jié)果數(shù)據(jù)，三是對定位分析中所需要用到的設(shè)備信息、地理信息、區(qū)域坐標(biāo)信息、參數(shù)信息等進(jìn)行存儲，四是存儲服刑人員的個人信息。

（3）分析決策層：系統(tǒng)服務(wù)器利用分析軟件對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、計算來對監(jiān)控對象進(jìn)行定位，并將定位結(jié)果反饋到終端監(jiān)控主機(jī)；對監(jiān)控對象的活動軌跡進(jìn)行繪制；對突發(fā)和越權(quán)行為發(fā)出預(yù)警。

（4）信息表示層：執(zhí)勤民警在終端監(jiān)控主機(jī)上實時監(jiān)控服刑人員的位置，對指定服刑人員的位置信息、個人信息和活動軌跡進(jìn)行查詢，對區(qū)域內(nèi)的服刑人員的人數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計。

本系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計

3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計思路

本系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)體系主要由兩部分組成，一是用于采集服刑人員位置信息的ZigBee網(wǎng)絡(luò)。另一部分是將ZigBee網(wǎng)絡(luò)采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)较到y(tǒng)服務(wù)器和監(jiān)控終端的內(nèi)部局域網(wǎng)。本系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

監(jiān)獄根據(jù)監(jiān)管要求劃分為若干個監(jiān)區(qū)進(jìn)行管理，每個監(jiān)區(qū)關(guān)押一定數(shù)量的服刑人員。一般說來，每個監(jiān)區(qū)都有自己獨(dú)立的關(guān)押場地和勞動改造場地，可以將每一個獨(dú)立的關(guān)押場地和勞動改造場地作為一個監(jiān)控區(qū)域來進(jìn)行劃分，并在這個監(jiān)控區(qū)域架設(shè)一個全覆蓋的ZigBee定位子網(wǎng)絡(luò)，各區(qū)域的ZigBee子網(wǎng)絡(luò)彼此通過網(wǎng)絡(luò)ID區(qū)分，但又彼此相連共享數(shù)據(jù)，形成覆蓋整個監(jiān)獄的無線定位網(wǎng)絡(luò)。從圖中我們可以看到，定位網(wǎng)絡(luò)由移動定位腕帶、定位讀寫器、ZigBee協(xié)調(diào)器和監(jiān)控終端組成。

4 系統(tǒng)組成設(shè)計

監(jiān)獄服刑人員無線定位系統(tǒng)根據(jù)其體系結(jié)構(gòu)設(shè)計可以知道整個系統(tǒng)的組成基本分為兩個部分，一是服刑人員的位置信息采集即人員定位系統(tǒng)，二是對定位數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理和反饋即監(jiān)控系統(tǒng)。

（1）人員定位系統(tǒng)

終端定位傳感裝置模塊采用回路防拆卸式腕帶，在服刑人員入獄時就立即給其佩戴。每一個腕帶具有一個唯一的標(biāo)識號，對應(yīng)所佩戴的服刑人員，這是一個16位的短地址，利用這個標(biāo)識號獲取佩戴者的位置信息和身份信息。腕帶內(nèi)置 CC2530芯片，功耗低，并具有無線發(fā)送數(shù)據(jù)的功能。腕帶采用回路設(shè)計，一旦被擅自拆卸的話就立即觸發(fā)警報。用基于Zigbee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)建立人員定位模塊，對關(guān)押服刑人員的整個監(jiān)區(qū)即電網(wǎng)圍墻內(nèi)的區(qū)域進(jìn)行區(qū)域劃分并進(jìn)行編號，在每個區(qū)域安置一定數(shù)量的固定節(jié)點作為錨節(jié)點，以便網(wǎng)絡(luò)覆蓋整個監(jiān)區(qū)。每個區(qū)域要有部分參考節(jié)點具有數(shù)據(jù)收集和路由功能，以實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)匯集上傳至系統(tǒng)服務(wù)器。腕帶唯一內(nèi)碼被其所在區(qū)域的參考節(jié)點讀取識別后，將該腕帶內(nèi)碼和自身的號碼由協(xié)調(diào)器經(jīng)局域網(wǎng)發(fā)送到系統(tǒng)服務(wù)器。系統(tǒng)服務(wù)器根據(jù)收到的信息并經(jīng)過計算，就能自動跟蹤每一個腕帶即所佩戴人員的位置和生命體征，并通過系統(tǒng)后臺分析并描繪出其移動軌跡。

（2）監(jiān)控系統(tǒng)

終端監(jiān)控模塊的主要功能包括：對Zigbee定位網(wǎng)絡(luò)采集到的數(shù)據(jù)在系統(tǒng)服務(wù)器由相應(yīng)軟件進(jìn)行分析、處理和存儲；將處理后的數(shù)據(jù)以直觀、動態(tài)的圖形界面形式實時反映到終端監(jiān)控電腦的應(yīng)用程序上；對監(jiān)控人員的查詢操作做出回應(yīng)，并返回結(jié)果；在重點區(qū)域為服刑人員分人員分時段的設(shè)定權(quán)限，當(dāng)無權(quán)限的人進(jìn)入或在禁入時間段有人進(jìn)入時發(fā)出警報。

5 定位算法

RSSI算法通常采用三邊測量法來進(jìn)行定位，三邊測量法是通過三個已知坐標(biāo)的節(jié)點為圓心的三個圓相交于一點來確定位置節(jié)點坐標(biāo)的，這種測量法建立在理想情況下，但在實際應(yīng)用中，三個圓通常很難交于一點，而是交于一個區(qū)域，所以使用三邊測量法來定位會產(chǎn)生誤差，降低定位精度。本系統(tǒng)中另外引入質(zhì)心的概念，即取三邊測量法三個交點圍成的三角形的質(zhì)心作為離待測節(jié)點最近的位置坐標(biāo)，從而減少誤差和提高精準(zhǔn)度。

如圖3所示，假設(shè)三個以已知坐標(biāo)的信標(biāo)節(jié)點為圓心的三個圓分別為A，B，C，信標(biāo)節(jié)點到質(zhì)心D(x,y)的距離分別是d1，d2，d3，已知網(wǎng)絡(luò)中三個信標(biāo)節(jié)點的坐標(biāo)分別是 A(x1,y1), B(x2,y2),C(x3,y3)。那么存在下列關(guān)系：

通過計算上述的方式組，可以得出D點的位置坐標(biāo)為：

圖3 三邊測量法示意圖

6 實驗小結(jié)

本系統(tǒng)腕帶內(nèi)置CC2530芯片和SON1205心率模塊，定位節(jié)點為CC2530芯片加裝天線，圖3和圖4為腕帶內(nèi)部圖及采集網(wǎng)絡(luò)圖。

圖4 腕帶內(nèi)部裝置

圖5 采集網(wǎng)絡(luò)搭建

本系統(tǒng)部分界面如圖6、圖7。

圖6 歷史軌跡查詢界面

圖7 報警提示彈出窗口界面

本系統(tǒng)測試采用了10.34m×7.89m的平面區(qū)域，在該區(qū)域中做好坐標(biāo)的標(biāo)記，定位區(qū)域內(nèi)隨機(jī)分布15個未知坐標(biāo)的移動節(jié)點（腕帶裝置），統(tǒng)計移動節(jié)點的定位誤差大約在0.1m～0.38m之間，符合監(jiān)獄監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用需求。

7 總結(jié)與展望

本論文中設(shè)計的人員定位系統(tǒng)的主動性提示和報警的優(yōu)勢是目前視頻監(jiān)控系統(tǒng)及其他被動式監(jiān)控系統(tǒng)所不能實現(xiàn)的，從根本上將被動式防范轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃邮焦芾?，不僅為一線民警提供管理服刑人員的輔助工具，也從心理上給予罪犯極大的威懾，提高監(jiān)獄的監(jiān)管力度、效率和安全等級，確保監(jiān)獄安全穩(wěn)定。

該系統(tǒng)受監(jiān)獄保密性制度的影響，暫不能到監(jiān)獄內(nèi)部進(jìn)行實地測試，只能在實驗室中進(jìn)行測試，根據(jù)測試結(jié)果，RSSI值會由于工程質(zhì)量問題、外界干擾、參數(shù)設(shè)置錯誤、設(shè)備故障和終端問題等出現(xiàn)異常如過低、過高、主分級差值過大等，不過測試時平均誤差在0.3m以內(nèi)，符合監(jiān)獄監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用需求。今后研究將在桂林監(jiān)獄某監(jiān)區(qū)進(jìn)行試點測試，不斷完善系統(tǒng)，針對定位算法進(jìn)行一定改進(jìn)，提高系統(tǒng)整體的準(zhǔn)確度和可靠性。

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Real time positioning system for prison personnel based on ZigBee technology

In light of the management of the prison staff, this paper designs a real time positioning system for prison personnel based on zigbee technology .This system is supported by the ZigBee technology, data collecting by the network, data analysis and storage by monitor host. After analyzing the data to the terminal, the system can realize personnel location.

ZigBee; prison personnel; real time positioning

TP399

A

1008-1151(2016)11-0006-03

2016-10-10

廣西可信軟件重點實驗室研究課題（kx201320）；廣西高校云計算與復(fù)雜系統(tǒng)重點實驗室研究課題（14103）；廣西云計算與大數(shù)據(jù)協(xié)同創(chuàng)新中心研究課題（YD16303）。

周旭，男，桂林電子科技大學(xué)計算機(jī)與信息安全學(xué)院研究生，桂林監(jiān)獄民警，研究方向為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用；雷曉春，女，桂林電子科技大學(xué)計算機(jī)與信息安全學(xué)院教師，講師，研究方向為圖像處理、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用；陳俊彥，男，桂林電子科技大學(xué)計算機(jī)與信息安全學(xué)院教師，助理研究員，研究方向為嵌入式系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。