基于RFID的地震遗址导览与安全监控系统设计

    引言

    北川废墟作为汶川大地震的产物，告诉了人们过去发生的重大灾难，也警示人们如何在大灾难面前更好地做好自我防护才能有效保护生命。由于地震遗址场所的特殊性，如何更好地实现该区域内参观人员的导览管理、安全监控等，都是该智能化管理系统的重中之重。

    鉴于此，本文提出基于RFID(Radio Frequency Identification，无线射频识别)技术实现实时监控参观人员的行迹，并结合PDA移动应用终端，将人员实时监控与精确定位技术相融合，实现基于RFID技术的地震遗址参观管理系统的创新。在RFID技术的应用中，常规的方法都是通过后台应用系统或者直接在终端设备上进行操作，再将终端收集的数据上传并进行处理。但考虑到PC机和笔记本电脑均存在着体积过大，携带、供电不便等诸多问题，而PDA是一种比笔记本电脑要小巧轻便的数据终端，其数据处理、信息管理和电子商务等功能完善。现将RFID和PDA结合应用，不仅保持了PDA的原有功能，而且还具有了对射频卡的读、写能力，可充分利用PDA具有多种高级数据采集功能以及灵活的语音和数据通讯功能，并且与无线局域网实现同步，结合对射频卡的读、写能力，能实时访问数据信息，形成具有高可靠性、低功耗、操作简单、模块化设计的智能掌上数据处理终端设备，同时还能提供丰富的应用软件资源和硬件接口等。

    基于PDA的RFID人员信息采集装置可大大提高地震遗址参观管理系统的工作效率，为参观人员提供方便高效的导览服务模式，是现代数据采集、电子管理的发展方向，同时在PDA移动终端上亦能方便、快捷地进行二次应用开发。

    1 RFID系统工作原理

    RFID是通过读写器与安装在物品上的电子标签的电磁耦合或电感耦合来进行数据通信，实现对物品自动识别，是连接物理空间中的物体和信息空间中的ID的纽带。RFID还是惟一可以实现多标签同时识别的自动识别技术。此技术的实时数据获取功能和对外界环境较强的适应能力，是实现地震遗址此类大型参观区域中数目众多的人员信息快速、准确、实时获取的基础，是实现对广范围内的参观人员群体实行实时导览、定位、安全监控、危险区域预警等智能化管理的有力保障。

    典型的RFID系统主要由读写器、电子标签、中间件和应用系统软件组成。RFID系统基本工作原理如下：由读写器通过发射天线发送特定频率的射频信号，当电子标签进入有效工作区域时产生感应电流，从而获得能量，电子标签被激活，使得电子标签将自身编码信息通过内置射频天线发送出去；读写器的接收天线接收到从标签发送来的调制信号，经天线调节器传送到读写器信号处理模块，经解调和解码后将有效信息送至后台应用系统进行相关的处理；应用系统根据逻辑运算识别该标签的身份，针对不同的设定作出相应的处理和控制，最终发出指令信号控制读写器完成相应的读写操作。

    本文采用的是北京洪德智源信息技术有限公司的JX3000R手持RFID智能移动信息终端。该终端充分结合RFID，PDA，GPS，GIS等技术，为系统提供了现场数据采集与管理功能。系统RFID识读采用2．4～2．483 GHz频段，能可靠识读静止或快速移动的目标，识读距离为50～150 m，识读无盲区，发射功率为-16～4dBm范围内可调。天线采用内置全向天线，振动冲击符合《GJB-150-86》标准。

    2 系统总体结构

    本系统主要由3个主要单元组成：智能化现场导览管理(下面简称“现场导览单元”)，地震危险区域参观人员的安全监控(下面简称“安全监控单元”)，以及后台软件平台管理(下面简称“后台管理单元”)，如图1所示，系统的主要功能模块说明如下：

    地震遗址区域内导游由手持的PDA移动终端，现场实时采集参观人员的RFID标签ID信息，并通过GPS确定导游自身的位置，由CDMA无线通信技术将ID信息、位置信息等传送至后台管理单元的数据库中，并由GIS地理信息系统直观地将位置信息显示在后台监控终端上，可实现对导览对象的全过程动态监控。若有参观人员闯入预先定义的危险区域时，现场的RFID阅读器将该人员的RFID标签ID信息，由CDMA技术传送至后台管理单元的监控终端，并立即触发现场的报警器。

    2．1 现场导览单元

    现场导览单元中，遗址区域内导游由手持的PDA移动终端，现场实时采集参观人员的RFID标签ID信息，并通过GPS确定导游的具体位置，由CDMA无线通信技术将ID信息、位置信息等传送至后台管理单元的数据库中，并由GIS地理信息系统直观地将位置信息显示在后台监控设备上，可实现对导览对象的全过程动态监控。此现场导览单元的流程图，如图2所示。

    本文设计的现场导览单元中，PDA移动终端平台集成了RFID，GPS，GIS，CDMA等技术，可实现文件管理、RFID数据采集、GIS地图管理、GPS定位与CDMA无线通信等功能。如图3所示。

    文件管理  其主要功能是实现文件的接收、发送、打开、以及保存等管理操作。其中文件中的信息主要包括，对应导游带领的参观人员RFID标签ID号的显示、保存，以及预先设定好的遗址区域危险区信息的显示、保存等。

    RFID数据采集  其主要功能是实现参观人员的在参观过程中的数据信息管理，实现实时监控导览，监控等功能。在导览过程中，导游可由嵌入PDA的RFID阅读器实时采集参观人员的RFID信息。若有人越出预先设定的距离，在PDA上将报警并显示出对应的身份信息，方便导游实现人员管理。

    GIS地图管理  其主要功能是结合嵌入式GIS组件来进行二次开发，在PDA上完成对地图的基本操作，包括导游对各种尺度的地震遗址地图进行浏览，并可对地图进行平移、放大、缩小等各种操作。若后台监控中心指导区域内导游变换导览路线，导游借由PDA接收到导览指示后，可由电子地图模块测得下一个参观点距离本地的直线或导览路径的距离。

    GPS定位与CDMA通信  其主要功能是利用GPS进行定位，以及与后台服务器端的数据基于CDMA技术实时通讯，完成PDA与数据处理中心的数据交换，为后台监控中心实现遗址区域实时监控提供数据信息保障。

    2．2 安全监控单元

    本安全监控单元的监控形式包括两种，主动监控和被动监控。主动监控是系统自动识别参观人员的安全隐患，自动报警；被动监控是在接收到参观人员或者导游的报警信息后发出报警。此安全监控单元的工作流程图，如图4所示。

    主动安全监控  北川地震遗址遗迹博物馆中有一些危险区域是禁止参观人员进入的。根据危险区域的范围进行RFID标签部署和实施，形成一定的RFID识读区域，当参观人员进入RFID识读区域，RFID系统会识读参观人员的标签数据，立即发出报警，提醒参观人员离开该危险区域，同时在后台管理单元的电子地图上高亮闪烁进入危险区的参观人员位置，并显示该人员的ID信息等，提示并辅助管理人员安排危险状况的排除工作。

    被动安全监控  被动安全监控由参观人员或者导游通过PDA向后台管理单元发送报警信息，后台在收到报警信息后启动报警。当参观人员在参观过程中遇到不可预料的危险状况时，参观人员可通过PDA向后台管理单元发送报警信息；当在游览过程中有参观人员脱离了导游的视线或者控制范围，导游无法对其安全进行保证的时候，导游可以用PDA向后台管理中心发送报警信息。后台接到报警信息后自动触发报警器，发出报警声，并在电子地图上高亮闪烁进入遇到危险的参观人员位置或者报警的导游的位置，显示参观人员的ID信息等，提示并辅助管理人员安排危险状况排除工作。

    2．3 后台管理单元

    后台管理单元，主要通过RFID等先进技术采集的参观人员的信息，结合GIS技术、GPS技术、CDMA技术等，实时展示游览轨迹，实现图形、属性互相查询，实现了对导览对象的全过程动态监控管理。根据应用需求，设计的后台管理单元主要包括：系统管理、数据管理、地图管理、参观人员统计、危险区划分、轨迹追踪和安全监控，如图5所示。

    系统管理：主要有系统登录、用户管理、系统帮助三个功能模块，系统管理员可对数据库中的数据进行增加、删除和修改等操作。
    数据管理：实现数据获取、数据入库和管理、数据更新、数据检索和查询等功能。
    地图管理：实现基础地图管理功能，为直观的显示和分析提供基础地图服务和管理。
    危险区划分：利用GIS空间分析功能，对危险源(点／面)进行缓冲区分析，得出北川地震遗址的危险区划分，直观地显示出危险点／面的位置和危险影响范围。
    人员统计：实现对人员历史数据进行按记录、时、天、周、月、季节、年等时段和周期进行统计，以报表的形式显示统计结果并可以打印输出。
    轨迹追踪：根据导游手持的PDA获取参观人员的定位数据等相关信息，由CDMA无线技术将此信息传送至后台管理中心服务器中，由电子地图实时在后台管理中心展示出轨迹和人员分布情况，为参观人员提供引导服务。
    安全监控：通过获取PDA实时采集的各项信息，对参观人员进行安全监控。

    3 结论

    本地震遗址导览与安全监控系统实现了人员实时定位，导航等功能，并能实现危险区域的人员监控等，相比于一般的景点管理系统，有以下一些特点：

    (1)参观人员携带的RFID电子标签作为一种特殊的门票，解决了纸质门票对资源的浪费和环境的污染，同时在PDA中嵌入RFID读写模块来进行RFID手持阅读器的开发，使RFID标签兼备身份鉴别、安全监控、实时定位等功能，更有效地保证了参观人员的生命安全，一举多得。

    (2)系统将RFID识读模块移植到PDA中，实现移动式的RFID信息采集，为系统实时定位监控、导览提供了数据保证。

    (3)系统将PDA与高精度GPS定位技术相结合用于GIS地理信息管理模块中，使在PDA上进行的地图操作变得非常简单，使导览系统更加智能化，提高了系统运作的性能。

    本地震遗址管理系统，以RFID技术为核心，基于具备良好的可移动性和软硬件可扩充性的PDA应用平台，并充分融合GPS(全球定位系统)、GIS(地理信息系统)、CDMA(码分多址无线通信技术)等多项网络定位、通信领域的先进技术，使RFID技术进一步在地震遗址智能化管理系统中做出突出的贡献，实现了信息化、科学化、低碳的遗址参观管理模式，更为今后的人文教育、地震灾害、地震次生灾害、建筑结构抗震的研究以及地震知识的科普教育提供了丰富、翔实的现场实例。