基于RFID的地震遺址導覽與安全監控系統設計

引言

北川廢墟作為汶川大地震的產(chǎn)物，告訴了人們過(guò)去發(fā)生的重大災難，也警示人們如何在大災難面前更好地做好自我防護才能有效保護生命。由于地震遺址場(chǎng)所的特殊性，如何更好地實(shí)現該區域內參觀(guān)人員的導覽管理、安全監控等，都是該智能化管理系統的重中之重。

鑒于此，本文提出基于RFID(RadioFrequencyIdentification，無(wú)線(xiàn)射頻識別)技術(shù)實(shí)現實(shí)時(shí)監控參觀(guān)人員的行跡，并結合PDA移動(dòng)應用終端，將人員實(shí)時(shí)監控與精確定位技術(shù)相融合，實(shí)現基于RFID技術(shù)的地震遺址參觀(guān)管理系統的創(chuàng )新。在RFID技術(shù)的應用中，常規的方法都是通過(guò)后臺應用系統或者直接在終端設備上進(jìn)行操作，再將終端收集的數據上傳并進(jìn)行處理。但考慮到PC機和筆記本電腦均存在著(zhù)體積過(guò)大，攜帶、供電不便等諸多問(wèn)題，而PDA是一種比筆記本電腦要小巧輕便的數據終端，其數據處理、信息管理和電子商務(wù)等功能完善?，F將RFID和PDA結合應用，不僅保持了PDA的原有功能，而且還具有了對射頻卡的讀、寫(xiě)能力，可充分利用PDA具有多種高級數據采集功能以及靈活的語(yǔ)音和數據通訊功能，并且與無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)實(shí)現同步，結合對射頻卡的讀、寫(xiě)能力，能實(shí)時(shí)訪(fǎng)問(wèn)數據信息，形成具有高可靠性、低功耗、操作簡(jiǎn)單、模塊化設計的智能掌上數據處理終端設備，同時(shí)還能提供豐富的應用軟件資源和硬件接口等。

基于PDA的RFID人員信息采集裝置可大大提高地震遺址參觀(guān)管理系統的工作效率，為參觀(guān)人員提供方便高效的導覽服務(wù)模式，是現代數據采集、電子管理的發(fā)展方向，同時(shí)在PDA移動(dòng)終端上亦能方便、快捷地進(jìn)行二次應用開(kāi)發(fā)。

1RFID系統工作原理

RFID是通過(guò)讀寫(xiě)器與安裝在物品上的電子標簽的電磁耦合或電感耦合來(lái)進(jìn)行數據通信，實(shí)現對物品自動(dòng)識別，是連接物理空間中的物體和信息空間中的ID的紐帶。RFID還是惟一可以實(shí)現多標簽同時(shí)識別的自動(dòng)識別技術(shù)。此技術(shù)的實(shí)時(shí)數據獲取功能和對外界環(huán)境較強的適應能力，是實(shí)現地震遺址此類(lèi)大型參觀(guān)區域中數目眾多的人員信息快速、準確、實(shí)時(shí)獲取的基礎，是實(shí)現對廣范圍內的參觀(guān)人員群體實(shí)行實(shí)時(shí)導覽、定位、安全監控、危險區域預警等智能化管理的有力保障。

典型的RFID系統主要由讀寫(xiě)器、電子標簽、中間件和應用系統軟件組成。RFID系統基本工作原理如下：由讀寫(xiě)器通過(guò)發(fā)射天線(xiàn)發(fā)送特定頻率的射頻信號，當電子標簽進(jìn)入有效工作區域時(shí)產(chǎn)生感應電流，從而獲得能量，電子標簽被激活，使得電子標簽將自身編碼信息通過(guò)內置射頻天線(xiàn)發(fā)送出去；讀寫(xiě)器的接收天線(xiàn)接收到從標簽發(fā)送來(lái)的調制信號，經(jīng)天線(xiàn)調節器傳送到讀寫(xiě)器信號處理模塊，經(jīng)解調和解碼后將有效信息送至后臺應用系統進(jìn)行相關(guān)的處理；應用系統根據邏輯運算識別該標簽的身份，針對不同的設定作出相應的處理和控制，最終發(fā)出指令信號控制讀寫(xiě)器完成相應的讀寫(xiě)操作。

本文采用的是北京洪德智源信息技術(shù)有限公司的JX3000R手持RFID智能移動(dòng)信息終端。該終端充分結合RFID，PDA，GPS，GIS等技術(shù)，為系統提供了現場(chǎng)數據采集與管理功能。系統RFID識讀采用2．4～2．483GHz頻段，能可靠識讀靜止或快速移動(dòng)的目標，識讀距離為50～150m，識讀無(wú)盲區，發(fā)射功率為-16～4dBm范圍內可調。天線(xiàn)采用內置全向天線(xiàn)，振動(dòng)沖擊符合《GJB-150-86》標準。

2系統總體結構

本系統主要由3個(gè)主要單元組成：智能化現場(chǎng)導覽管理(下面簡(jiǎn)稱(chēng)“現場(chǎng)導覽單元”)，地震危險區域參觀(guān)人員的安全監控(下面簡(jiǎn)稱(chēng)“安全監控單元”)，以及后臺軟件平臺管理(下面簡(jiǎn)稱(chēng)“后臺管理單元”)，如圖1所示，系統的主要功能模塊說(shuō)明如下：

地震遺址區域內導游由手持的PDA移動(dòng)終端，現場(chǎng)實(shí)時(shí)采集參觀(guān)人員的RFID標簽ID信息，并通過(guò)GPS確定導游自身的位置，由CDMA無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)將ID信息、位置信息等傳送至后臺管理單元的數據庫中，并由GIS地理信息系統直觀(guān)地將位置信息顯示在后臺監控終端上，可實(shí)現對導覽對象的全過(guò)程動(dòng)態(tài)監控。若有參觀(guān)人員闖入預先定義的危險區域時(shí)，現場(chǎng)的RFID閱讀器將該人員的RFID標簽ID信息，由CDMA技術(shù)傳送至后臺管理單元的監控終端，并立即觸發(fā)現場(chǎng)的報警器。

2．1現場(chǎng)導覽單元

現場(chǎng)導覽單元中，遺址區域內導游由手持的PDA移動(dòng)終端，現場(chǎng)實(shí)時(shí)采集參觀(guān)人員的RFID標簽ID信息，并通過(guò)GPS確定導游的具體位置，由CDMA無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)將ID信息、位置信息等傳送至后臺管理單元的數據庫中，并由GIS地理信息系統直觀(guān)地將位置信息顯示在后臺監控設備上，可實(shí)現對導覽對象的全過(guò)程動(dòng)態(tài)監控。此現場(chǎng)導覽單元的流程圖，如圖2所示。

本文設計的現場(chǎng)導覽單元中，PDA移動(dòng)終端平臺集成了RFID，GPS，GIS，CDMA等技術(shù)，可實(shí)現文件管理、RFID數據采集、GIS地圖管理、GPS定位與CDMA無(wú)線(xiàn)通信等功能。如圖3所示。

文件管理其主要功能是實(shí)現文件的接收、發(fā)送、打開(kāi)、以及保存等管理操作。其中文件中的信息主要包括，對應導游帶領(lǐng)的參觀(guān)人員RFID標簽ID號的顯示、保存，以及預先設定好的遺址區域危險區信息的顯示、保存等。

RFID數據采集其主要功能是實(shí)現參觀(guān)人員的在參觀(guān)過(guò)程中的數據信息管理，實(shí)現實(shí)時(shí)監控導覽，監控等功能。在導覽過(guò)程中，導游可由嵌入PDA的RFID閱讀器實(shí)時(shí)采集參觀(guān)人員的RFID信息。若有人越出預先設定的距離，在PDA上將報警并顯示出對應的身份信息，方便導游實(shí)現人員管理。

GIS地圖管理其主要功能是結合嵌入式GIS組件來(lái)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，在PDA上完成對地圖的基本操作，包括導游對各種尺度的地震遺址地圖進(jìn)行瀏覽，并可對地圖進(jìn)行平移、放大、縮小等各種操作。若后臺監控中心指導區域內導游變換導覽路線(xiàn)，導游借由PDA接收到導覽指示后，可由電子地圖模塊測得下一個(gè)參觀(guān)點(diǎn)距離本地的直線(xiàn)或導覽路徑的距離。

GPS定位與CDMA通信其主要功能是利用GPS進(jìn)行定位，以及與后臺服務(wù)器端的數據基于CDMA技術(shù)實(shí)時(shí)通訊，完成PDA與數據處理中心的數據交換，為后臺監控中心實(shí)現遺址區域實(shí)時(shí)監控提供數據信息保障。

2．2安全監控單元

本安全監控單元的監控形式包括兩種，主動(dòng)監控和被動(dòng)監控。主動(dòng)監控是系統自動(dòng)識別參觀(guān)人員的安全隱患，自動(dòng)報警；被動(dòng)監控是在接收到參觀(guān)人員或者導游的報警信息后發(fā)出報警。此安全監控單元的工作流程圖，如圖4所示。

主動(dòng)安全監控北川地震遺址遺跡博物館中有一些危險區域是禁止參觀(guān)人員進(jìn)入的。根據危險區域的范圍進(jìn)行RFID標簽部署和實(shí)施，形成一定的RFID識讀區域，當參觀(guān)人員進(jìn)入RFID識讀區域，RFID系統會(huì )識讀參觀(guān)人員的標簽數據，立即發(fā)出報警，提醒參觀(guān)人員離開(kāi)該危險區域，同時(shí)在后臺管理單元的電子地圖上高亮閃爍進(jìn)入危險區的參觀(guān)人員位置，并顯示該人員的ID信息等，提示并輔助管理人員安排危險狀況的排除工作。

被動(dòng)安全監控被動(dòng)安全監控由參觀(guān)人員或者導游通過(guò)PDA向后臺管理單元發(fā)送報警信息，后臺在收到報警信息后啟動(dòng)報警。當參觀(guān)人員在參觀(guān)過(guò)程中遇到不可預料的危險狀況時(shí)，參觀(guān)人員可通過(guò)PDA向后臺管理單元發(fā)送報警信息；當在游覽過(guò)程中有參觀(guān)人員脫離了導游的視線(xiàn)或者控制范圍，導游無(wú)法對其安全進(jìn)行保證的時(shí)候，導游可以用PDA向后臺管理中心發(fā)送報警信息。后臺接到報警信息后自動(dòng)觸發(fā)報警器，發(fā)出報警聲，并在電子地圖上高亮閃爍進(jìn)入遇到危險的參觀(guān)人員位置或者報警的導游的位置，顯示參觀(guān)人員的ID信息等，提示并輔助管理人員安排危險狀況排除工作。

2．3后臺管理單元

后臺管理單元，主要通過(guò)RFID等先進(jìn)技術(shù)采集的參觀(guān)人員的信息，結合GIS技術(shù)、GPS技術(shù)、CDMA技術(shù)等，實(shí)時(shí)展示游覽軌跡，實(shí)現圖形、屬性互相查詢(xún)，實(shí)現了對導覽對象的全過(guò)程動(dòng)態(tài)監控管理。根據應用需求，設計的后臺管理單元主要包括：系統管理、數據管理、地圖管理、參觀(guān)人員統計、危險區劃分、軌跡追蹤和安全監控，如圖5所示。

系統管理：主要有系統登錄、用戶(hù)管理、系統幫助三個(gè)功能模塊，系統管理員可對數據庫中的數據進(jìn)行增加、刪除和修改等操作。
數據管理：實(shí)現數據獲取、數據入庫和管理、數據更新、數據檢索和查詢(xún)等功能。
地圖管理：實(shí)現基礎地圖管理功能，為直觀(guān)的顯示和分析提供基礎地圖服務(wù)和管理。
危險區劃分：利用GIS空間分析功能，對危險源(點(diǎn)／面)進(jìn)行緩沖區分析，得出北川地震遺址的危險區劃分，直觀(guān)地顯示出危險點(diǎn)／面的位置和危險影響范圍。
人員統計：實(shí)現對人員歷史數據進(jìn)行按記錄、時(shí)、天、周、月、季節、年等時(shí)段和周期進(jìn)行統計，以報表的形式顯示統計結果并可以打印輸出。
軌跡追蹤：根據導游手持的PDA獲取參觀(guān)人員的定位數據等相關(guān)信息，由CDMA無(wú)線(xiàn)技術(shù)將此信息傳送至后臺管理中心服務(wù)器中，由電子地圖實(shí)時(shí)在后臺管理中心展示出軌跡和人員分布情況，為參觀(guān)人員提供引導服務(wù)。
安全監控：通過(guò)獲取PDA實(shí)時(shí)采集的各項信息，對參觀(guān)人員進(jìn)行安全監控。

3結論

本地震遺址導覽與安全監控系統實(shí)現了人員實(shí)時(shí)定位，導航等功能，并能實(shí)現危險區域的人員監控等，相比于一般的景點(diǎn)管理系統，有以下一些特點(diǎn)：

(1)參觀(guān)人員攜帶的RFID電子標簽作為一種特殊的門(mén)票，解決了紙質(zhì)門(mén)票對資源的浪費和環(huán)境的污染，同時(shí)在PDA中嵌入RFID讀寫(xiě)模塊來(lái)進(jìn)行RFID手持閱讀器的開(kāi)發(fā)，使RFID標簽兼備身份鑒別、安全監控、實(shí)時(shí)定位等功能，更有效地保證了參觀(guān)人員的生命安全，一舉多得。

(2)系統將RFID識讀模塊移植到PDA中，實(shí)現移動(dòng)式的RFID信息采集，為系統實(shí)時(shí)定位監控、導覽提供了數據保證。

(3)系統將PDA與高精度GPS定位技術(shù)相結合用于GIS地理信息管理模塊中，使在PDA上進(jìn)行的地圖操作變得非常簡(jiǎn)單，使導覽系統更加智能化，提高了系統運作的性能。

本地震遺址管理系統，以RFID技術(shù)為核心，基于具備良好的可移動(dòng)性和軟硬件可擴充性的PDA應用平臺，并充分融合GPS(全球定位系統)、GIS(地理信息系統)、CDMA(碼分多址無(wú)線(xiàn)通信技術(shù))等多項網(wǎng)絡(luò )定位、通信領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)，使RFID技術(shù)進(jìn)一步在地震遺址智能化管理系統中做出突出的貢獻，實(shí)現了信息化、科學(xué)化、低碳的遺址參觀(guān)管理模式，更為今后的人文教育、地震災害、地震次生災害、建筑結構抗震的研究以及地震知識的科普教育提供了豐富、翔實(shí)的現場(chǎng)實(shí)例。