基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的監獄人員定位可視化管理系統

摘要：提出了一種監獄人員定位可視化管理系統的設計和實(shí)現方法。該系統基于WLAN的RTLS定位技術(shù)，實(shí)現對服刑人員、干警、訪(fǎng)客等人群的可視化定位管理。文章結合監獄的應用需求，首先給出了系統的總體設計原則；同時(shí)在總體原則約束下，對系統功能、總體實(shí)現方案、實(shí)現框圖、應用流程、網(wǎng)絡(luò )安全等部分進(jìn)行闡述，給出了標簽軟硬件設計、定位管理系統的平臺選型和軟件架構；最后對設計的系統進(jìn)行了測試。測試結果顯示，該可視化定位管理系統的定位精度達到了預期效果。在進(jìn)一步優(yōu)化和完善后，即可大規模推廣使用。
關(guān)鍵詞：人員定位；可視化；物聯(lián)網(wǎng)；監獄信息化

0 引言
隨著(zhù)監獄安防信息化建設步伐的推進(jìn)，一些基于IT技術(shù)的安全防范系統開(kāi)始進(jìn)入監獄行業(yè)，在一定程度上實(shí)現了監獄安防信息化。但這種干警巡查加攝像機視頻監控報警模式還不能完全對服刑人旯進(jìn)行有效的定位和管理，與監獄實(shí)際工作需要相比，還存在一定的差距。干警巡查屬于主動(dòng)防御，很難做到實(shí)時(shí)巡查，尤其在夜間；視頻監控屬于被動(dòng)式防御，主要用于提供視頻回放，無(wú)法做到事件與人員的關(guān)聯(lián)。
物聯(lián)網(wǎng)可以通過(guò)傳感技術(shù)，把現實(shí)世界的人與人、人與物、物與物進(jìn)行關(guān)聯(lián)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行信號傳輸，并通過(guò)平臺軟件對這些關(guān)聯(lián)的信號進(jìn)行分析，最后得出我們所需要的信息。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應用到監獄安防領(lǐng)域，打造主動(dòng)防御+被動(dòng)防御的新型安全防范管理模式，將有效地提高監獄安防管控能力和管理效率。
給每個(gè)服刑人員佩戴腕帶產(chǎn)品，使腕帶發(fā)射定位信號，并利用WLAN將信號上報到定位管理系統，結合SSSI和TDOA定位技術(shù)，推算出服刑人員的位置，并在地圖上標注。由于可以獲取服刑人員的位置信息，因而可根據預先規劃的區域對服刑人員進(jìn)行管理。當發(fā)生人員越區、靠近邊界，不安規定路線(xiàn)行走等事件時(shí)，系統將提供聲光報警。這樣，利用監獄人員定位系統，管理干警就可實(shí)時(shí)掌握監所內各個(gè)受控區域內的服刑人員數量和信息以及周邊執勤干警信息，從而管理各種可疑事件及各種突發(fā)事件的報警，以便在發(fā)生突發(fā)事件時(shí)能夠迅速定位相關(guān)人員和執勤干警，并迅速查詢(xún)到人員在監所內的歷史行動(dòng)軌跡。

1 系統總體方案
1．1 設計原則
監獄人員定位系統建設要以提高監獄安防信息化水平、提升管理效率、防止越獄事件的發(fā)生為目的，要結合監獄信息化建設趨勢，以實(shí)現監區管理工作的實(shí)時(shí)、高效、科學(xué)為著(zhù)眼點(diǎn)，以信息系統推廣及全面應用為核心，以低投入、高效益、重質(zhì)量為目標，同時(shí)結合司法系統對監獄信息化建設的要求，規劃好集成接口。系統的設計和開(kāi)發(fā)需遵循以下原則：
(1)安全可靠
監獄屬于數據敏感行業(yè)，將WLAN作為監獄人員定位系統的傳輸網(wǎng)絡(luò )，首先要確保網(wǎng)絡(luò )的安全。防止非授權用戶(hù)登錄網(wǎng)絡(luò )，防止不正當的攻擊。其次要保證服刑人員佩戴的標簽產(chǎn)品安全。輻射應滿(mǎn)足國家相關(guān)標準、材質(zhì)不能損傷皮膚，不能出現易拆卸的金屬配件。再次是系統要工作可靠，定位精度高，不能發(fā)生虛警事件和漏警事件。
(2)智能化管理
搭建統一管理平臺，實(shí)現對服刑人員、干警、訪(fǎng)客、重要器械等資產(chǎn)的統一管理。做到類(lèi)別不同，控制策略不同。結合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現智能的動(dòng)態(tài)負載變化、自動(dòng)頻道管理、實(shí)時(shí)的射頻自動(dòng)監測功能，應具有網(wǎng)絡(luò )自康復能力。
(3)易維護管理和擴展
系統模塊設計采用分布式部署，要操作簡(jiǎn)單，便于維護。還需要遵循相關(guān)技術(shù)標準，重視開(kāi)發(fā)的延續性。監獄信息化建設將是一個(gè)互聯(lián)互通的大集成系統，各個(gè)子系統的開(kāi)發(fā)都必須考慮規范化數據接口。
1．2 總體實(shí)現框圖
本文提出的人員定位可視化管理系統如圖1所示。該系統包含標簽、觸發(fā)器、WLAN網(wǎng)絡(luò )和定位管理系統等部分。系統各部分獨立運行，可借助于有線(xiàn)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)進(jìn)行通信。

其中，觸發(fā)器應安裝在監獄進(jìn)出口、重要崗哨和圍墻等位置。上電后要能發(fā)射RFID信號，用以激活在其信號覆蓋區域內的標簽。觸發(fā)器單向工作，發(fā)送數據包包含觸發(fā)器的ID、信號發(fā)送時(shí)間、管理員事先定義的消息等參數。
標簽要給服刑人員、干警、訪(fǎng)客和重要資產(chǎn)佩戴，工作在Wi-Fi和RFID雙模下。人員類(lèi)別不同，佩戴的標簽也不同。干警需佩戴具備呼叫功能的標簽，掛在胸前或卡在腰帶上：服刑人員佩戴具備防拆卸的標簽，戴在手腕上或腳腕上：資產(chǎn)需要佩戴可吸附式的標簽，直接吸附在設備上。WLAN無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )是人員定位系統的數據傳輸網(wǎng)，用來(lái)接收標簽發(fā)來(lái)的定位數據，并將數據通過(guò)網(wǎng)絡(luò )平臺轉發(fā)給定位管理系統。
定位管理系統主要接收由WLAN網(wǎng)絡(luò )傳回的數據，測量信號強度，計算標簽所處位置，并將標簽位置顯示在地圖上。定位管理系統還需要實(shí)現部門(mén)管理、人員管理、事件管理、地圖管理、統計報表管理等幾大功能。
1．3 系統功能
結合監獄行業(yè)應用需求，人員定位管理系統主要提供以下功能：
(1)人員定位跟蹤功能
在地圖上實(shí)時(shí)顯示人員位置信息、可跟蹤和追溯人員位置變化。當標簽觸發(fā)報警事件時(shí)，系統具備語(yǔ)音報警功能。配備給干警的標簽要具備按鍵報警功能。當發(fā)生緊急情況時(shí)，系統能支持干警按鍵報警和取消報警。
(2)實(shí)時(shí)點(diǎn)名功能
點(diǎn)名是監獄很重要的一項任務(wù)。系統可根據管理員設置的區域和時(shí)間進(jìn)行實(shí)時(shí)點(diǎn)名，并上報點(diǎn)名結果。當然，也需要支持隨機點(diǎn)名。
(3)歷史軌跡查詢(xún)功能
系統能支持按人員名稱(chēng)、時(shí)間范圍查看標簽的位置變化、規律路線(xiàn)、報警事件等。
(4)重點(diǎn)區域防范功能
在監獄圍墻、AB門(mén)、哨崗、警戒區、器械存放處等位置應安裝觸發(fā)器，當非授權人員接近該區域時(shí)，觸發(fā)器將激活標簽并立即上報位置信息，觸發(fā)報警事件。與視頻監控系統聯(lián)動(dòng)后，在報警事件發(fā)生時(shí)，監獄視頻監控系統將立即切換監控界面到報警地點(diǎn)。
(5)報表統計功能
系統能實(shí)現對人員信息、位置變化、所屬部門(mén)、所屬區域、當前狀態(tài)等內容的統計報表。報表格式支持pdf、excel、word等。
(6)維護管理功能
系統能對標簽、資產(chǎn)、地圖、事件、用戶(hù)等進(jìn)行管理，并包含添加、刪除、激活、分配等操作。
(7)集成接口功能
根據國家標準要求，要能提供標準的API接口。

2 WLAN無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )部署
本系統通過(guò)WLAN實(shí)現數據傳輸。相比于RFID和ZigBee技術(shù)，WLAN系統的業(yè)務(wù)應用較廣，它支持數據、語(yǔ)音、視頻業(yè)務(wù)，將來(lái)還可擴展用于監獄移動(dòng)監管、無(wú)線(xiàn)視頻監控等，能避免基礎設施重建。系統工作在2.4 GHz的Wi-Fi信號在室內可傳輸30～50 m，在室外可傳輸150～300 m，覆蓋半徑較大，可減少系統的施工量。
WLAN AP一般工作在FIT AP模式下，由AC統一管理和認證。AC根據用戶(hù)接入情況自動(dòng)分配AP的負載，調整AP的射頻參數；當AP發(fā)生故障時(shí)，重新啟動(dòng)AP，恢復網(wǎng)絡(luò )工作狀態(tài)。圖2給出了系統實(shí)施過(guò)程中的WLAN網(wǎng)絡(luò )部署拓撲圖。

根據RSSI和TDOA定位原理，每個(gè)區域至少應安裝3個(gè)AP，3個(gè)AP的幾何位置呈銳角三角形。當該區域安裝AP數量多于3個(gè)時(shí)，則要求相鄰的3個(gè)AP安裝的幾何位置呈銳角三角形。Exciter用于區域管理。每當標簽靠近Exciter時(shí)，將觸發(fā)一條消息，通知標簽的位置。Exciter應安裝在監舍1層進(jìn)出口、各樓層進(jìn)出口、圍墻、操場(chǎng)、AB門(mén)等警戒區。
定位管理服務(wù)器通過(guò)測量標簽到3個(gè)AP的信號場(chǎng)強值(RSSI)來(lái)計算標簽的位置坐標。理論上，區域中AP部署越密集，標簽定位精度越高，但實(shí)際上，考慮到干擾因素，一個(gè)定位區域不宜部署過(guò)多的AP。經(jīng)驗值是：標簽在某一位置可與3～4顆AP通訊為宜，且與這3顆AP的信號強度不低于-75 dBm，最好在-70 dBm以上?？紤]到2.4 GHz WLAN信號的衰減速度，室外環(huán)境下，相鄰兩個(gè)AP的距離應控制在100～200 m；室內環(huán)境下，兩個(gè)AP的距離應控制在30～50 m。由于2.4 GHz和5．8 GHz兩個(gè)頻段信號的衰減速度不同，因此，本系統將AP的射頻工作頻段設定為2．4 GHz。
網(wǎng)絡(luò )安全包括用戶(hù)認證、權限控制管理、數據加密、物理隔離等幾個(gè)方面。為了保障監獄WLAN網(wǎng)絡(luò )的安全性，以下幾個(gè)安全措施需要同時(shí)設置：
關(guān)閉AP的數據傳輸功能，隱藏SSlD；
綁定MAC地址，啟動(dòng)802．1x認證和EAP、WAP、WPA2訪(fǎng)問(wèn)控制；
標簽-AP-AC之間的數據加密傳輸應采用WAPI認證機制；
WLAN網(wǎng)絡(luò )與監獄內網(wǎng)之間應當設置防火墻。
另外，進(jìn)一步集成H3C的EAD(End user Admission Domination)終端準入控制系統，可實(shí)現標簽用戶(hù)的身份認證、網(wǎng)絡(luò )安全認證和終端高效管理。