基于RFID无线传感网智能安防系统的设计

引言

RFID技术作为二十一世纪最具发展潜力的十大技术之一，是物联网的核心技术。近年来，它的发展带来了巨大的市场机遇。RFID技术与应用已经形成一个具有强大生命力的新兴产业，它涉及信息、先进制造、材料、装备及工艺等诸多前沿和高技术领域的交叉融合技术群，涵盖面广、渗透力强，对诸多产业都带来重大影响。特别是在企业软件领域，RFID将是继ERP、CRM、J2EE之后的又一新的增长点。

微机电系统(Micro-Electro-MechanismSystem,MEMS)、片上系统(SystemonChip，SOC)、无线通信和低功耗嵌入式技术的飞速发展，孕育出无线传感器网络(WirelessSensorNetworks，WSN)，并以其低功耗、低成本、分布式和自组织的特点带来了信息感知的一场变革。无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织的网络，是一种全新的信息获取平台，能够实时监测和采集网络分布区域内的各种检测对象的信息，并将这些信息发送到网关节点，以实现复杂的指定范围内目标检测与跟踪，具有快速展开、抗毁性强等特点，有着广阔的应用前景。

研究利用各种安全手段保证信息的安全：利用RFID技术实现门禁管理的智能化和数字化；将职工信息写入电子标签实现人-电子标签-人员信息的匹配，从而实现对人员信息的动态管理;使巡检员方便快捷地对信息进行采集、管理和查询，从而实现智能巡检；将无线传感器网络引入到安全管理中，实现对环境信息的监测，设计使用活动消息模块实现信息的发送与接收，使用信息采集接口读取厂区环境的温度与湿度、烟雾等各种信息，使用低功耗监听模块实现节点节能，通过计算机USB接口完成对数据信息的采集和处理，实现人机对话,从而实现安全防护的智能化管理。

1系统结构设计

本报警系统设计时，把企业分为办公区、生产制造区、仓储区3个部分，每个区域再设置入门区和工作区。图1所示是本系统的总体结构图。

系统在每个入门区放置RFID读卡器，工作人员携带含有RFID电子标签的卡采用射频方式刷卡进出入工作区，读卡器通过光纤交换机将数据传输到服务器的监控平台，把工作人员信息利用智能管理模块录入至服务器，对异常情况启动应急平台进行处理。在每个工作区的一些固定物体及某些重要位置贴上无源RFID标签，巡检人员利用PDA读卡器进行巡逻，监测到周围有RFID标签时，读取RFID标签，利用通信模块将值发至服务器的监控平台。

在企业所有可能出现安全隐患的区域部署无线传感器节

点，用于监测所需的参数(温度、湿度、火警等)，一旦监测到异常情况(如火灾、漏水等)，立即通过通信模块发送到服务器的监控平台等待处理，如遇特殊情况启动应急平台直接利用提前设置的电话号码通知相关人员或报警。同时，在特定区域还要部署高清摄像头，实现全天可视化的监测。

2可视化门禁系统模块的硬件设计

门禁系统主要包括射频卡、读卡器、电机、摄像头、报警器、门禁控制机、数据采集器、通讯接口、后台数据处理系统等。门禁控制机主要由读卡器、MCU及电控锁(继电器)组成。门禁系统构成如图2所示。

工作人员出入时，门禁机的前端读卡器读入员工卡(RFID卡片)的数据，由通讯串口经由网线将数据发至服务器，服务器访问数据库记录刷卡信息，并且与已录信息进行比对核对开门权限，再返回指令给门禁机MCU，进而控制电机做出反应,当合法访问时MCU将启动电控锁开门，非法访问MCU将启动报警器报警。非员工访问时，由保安进行手动开门，门禁机将返回给服务器，服务器记录手动开门的历史。

为防止相邻设备相互干扰并降低成本，RFID读写器可以选择HF频段。考虑到门禁系统中进出持卡人员对系统识别距离的要求(1m以内)，结合系统的读取速度、成本、防冲撞功能以及对环境、水、金属的敏感度等，本系统采用13.56MHz的频段。该频段在其他领域(如二代身份证、学生铁路优惠票证等)已经得到了广泛应用，技术成熟性高［%系统所使用的主要单元及作用如下：

IC射频卡：存储个人信息，相当于个人身份证，当刷卡显示信息正确时才允许持卡人通过；

读卡器：通过电脑将多媒体卡作为移动存储设备进行读写的接口设备；

步进电机：将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的；

摄像头：又称为电脑相机、电脑眼等，是一种视频输入设备，用于实时监控；

报警器：当有人员非法进入时，用来报警，提示管理人员注意；

MCU:微控制单元(MicroControlUnit)，是将计算机的CPU、RAM、ROM、定时计数器和多种I/O接口集成在一片芯片上，形成芯片级的计算机，为不同的应用场合做不同组合控制；

电控锁：一个由继电器控制的机械锁装置，当刷卡显示信息正确时，电控锁打开，允许持卡人进入；

数据采集器:它是将条码扫描装置与数据终端一体化,带有电池可离线操作的终端电脑设备。具备实时采集、自动存储、即时显示、即时反馈、自动处理、自动传输功能。为现场数据的真实性、有效性、实时性、可用性提供了保证；

通讯接口：使用USB转TTL将门禁系统与电脑连接起来；

后台数据处理系统：当持卡人刷卡时，用来检测卡中信息是否正确，并将数据进行处理。

3系统软件设计

3.1智能人员管理模块

本系统中的Access数据库主要用于建立人员信息数据库。控制和检测程序等则用于管理数据库，执行添加、删除、保存、取消功能的为数据库管理模块，拥有方便的读卡、发卡、补卡以及回收的功能和操作方式。图3所示是智能人员管理模块的结构图。

人员信息管理难点在于人员的信息量大、出入频繁，光靠人工进行记录工作量很大,且容易出错。研究利用RFID技术，将人员的相关信息写入电子标签中，可以实现“人-电子标签-人员信息”完全匹配，从而实现对人员信息的动态管理。该模块的软件设计具体分为两个方面：其一是人员、人事信息的维护，与公司、工厂的人员、人事相一致，主要是保存整个公司的人员信息。人事人员信息的组织模式可以按照公司的组织结构来安排，与工厂的人事信息相对应，以各级部门为组织，记录人员的各项属性，包括姓名、工号、职位、各类权限、工作时间、休息时间、所持RFID卡的编号等等。对人员进行厂区以及设备的访问授权的记录备案。为档案管理，实现对人员信息的增、删、改、查等一系列的信息维护；其二则是考勤管理，就是利用门禁机的记录数据，为人事部门提供考勤记录,系统可以给出考勤报表。

3.2模块的系统设计

采用基于RFID射频识别技术构建人员管理系统的基本结构，整个软件系统采用三层体系结构，最底层是数据服务层,负责数据的物理存储；中间层是应用逻辑服务层，负责实现底层数据与面向对象之间的逻辑转换、交互；最上层为系统应用层，是用户进行信息管理等日常操作的应用平台。

系统构建时引入验证码技术、密码加密技术及数据备份技术，从而防止不法用户软件频繁注册、恶意攻击，同时，当系统受到攻击或其他原因丢失数据时，可以恢复原始数据,保证网站在一些人为攻击或意外情况下的相对安全。系统采取RBAC(基于角色的访问控制)，以确保数据库和系统的安全性叫

3.3模块的系统配置

整个系统服务器端采用32位WindowsXPServer操作系统或64位WindowsServer2003，支持虚拟内存管理，支持多任务、多进程和多线程，支持多种类型服务器配置。

客户机采用Windows2000/XP/Vista/Windows7。

以JSP为前端，Oracle数据库为后台，支持ANSI/ISOSQL-89、ANSI/ISOSQL-92标准，支持中文汉字内码，符合双字节编码；支持主流厂商的硬件平台及操作系统平台；具有良好的伸缩性；具有良好的系统故障的容错能力；支持主流的网络协议(TCP/IP、IPX/SPX)［4］；具有良好的开放性，支持异种数据库的互访；支持多服务器协同技术、事务处理完整性控制技术等；支持联机事务处理(OnlineTransactionProcessing，OLTP)；开发工具容易使用、开发效率高、维护方便。

采取Browser/Server的访问模式，系统架设于服务器上，客户端通过浏览器接入Internet网络连接至服务器，通过用户名密码验证进行使用。

4智能巡检模块

智能巡检模块的系统结构图如图4所示。

4.1系统功能

4.1.1数据采集

数据采集系统安装于PDA移动设备采集器中，用于进行现场设备射频标签识读及设备状态数据采集。巡检人员可依据操作提示进行巡检操作，或者根据设备状态问题进行回答,或者直接输人设备参数数据进行抄表记录。

4.1.2数据管理

数据管理系统安装于数据管理工作站中，可对采集器采集回来的巡检数据进行接收、分类存储、查询，并可生成相关报表，对其中的设备异常可进行统计或转人检修管理系统中生成设备缺陷卡。该模块还具有数据库维护功能，可进行巡检地点、巡检项目、巡检周期、巡检线路自定义等。

4.1.3网络查询

网络查询系统安装于网络服务器中，网络上的任一工作站均可对运行巡检数据进行查询，并根据需要进行统计，生成相关报表。

4.2系统设计

智能巡检系统主要由数据采集系统、数据传输层和上层应用系统三大部分组成，带有RFID读写器及GPRS模块的手持机作为巡检器，上层应用系统利用企业局域网，采用B/S(Browser/Server)的架构。数据传输层是联系手持机嵌入式数据库与中心数据库服务器的纽带。

PDA等设备通过读取射频标签的数据完成人员到位信息及设备缺陷信息的采集，这些信息暂时存储在设备上的嵌入式数据中。数据采集终端采集PDA中的数据，然后与数据服务器进行数据通讯，包括巡检任务内容的下达和巡检数据的实时回传等功能。数据传输通过USB接口有线通信方式。系统数据的浏览和查询采用B/S模式，局域网内部装有浏览器的设备都能使用巡检系统，包括巡检任务制作、缺陷信息查询、缺陷统计及报表和到位信息查询及报表等功能。

4.3设备信息

本系统拟采用低频读写终端。它是一款读取125kHz(EM4100ID，T5556/T5557)电子标签/卡的工业级专业RFID数据终端［5］，具体参数如下：

读取方式：读取125kHz(EM4100ID，T5556/T5557)电子标签/卡，读取范围：6~10cm；

采用ARM9处理器：更快捷的处理速度；

触屏和可选的键盘功能：采用键盘输入和手写触摸屏多输入数据，充分发挥应用程序功能，满足用户的偏好。

5基于无线传感器网络的安防系统模块

5.1系统功能

高效的安全防范及报警系统是确保企业设备、生产资料安全的重要途径之一，同时也是智能化的重要组成部分。遇到火警、水灾、恐怖袭击等紧急情况时，及时进行报警，通知相关人员并流程化应急方案是十分重要的。

本研究采用由监控主机、无线传感器网络节点、网关构成的智能安防报警系统。采用无线传感器网络技术，通过传感器节点对火灾、水灾等隐患进行监控，将警情信息传至控制中心进行语音报警，并进行事故地点提示；构建了一个配置容易、功能强大、覆盖范围大的新型报警系统。基于传感器网络的安防系统结构图如图5所示。

图5基于传感器网络的安防系统结构图

系统底层是各监测节点组成的无线传感器网络，通过无线数据传输与系统服务器保持联通，控制中心对采集的数据进行监测，实行对火灾、水灾的语音报警、警情显示，并可通过客户机进行远程布防、撤防。无线传感器网络按照功能共分为3层：数据采集、数据转换和无线传输模块。首先各传感器节点进行数据采集，再经过数据格式的转换，最后通过无线传输模块传送数据。

5.2系统设计

该系统由一个监控主机和无线传感器网络节点组成。图6所示是系统的总体网络结构。其中监控主机与无线传感器网络节点构成星型拓扑无线网络。

图6中，在厂区布置火灾和水灾、有毒气体的无线传感器节点…形成无线传感器网络，一旦有火灾或水灾出现，监控节点便将警报数据通过无线传感器网络传送至计算机监控系统，系统接收并进行分析，控制报警装置进行语音报警，并对警情地点等信息进行提示；危险消除后停止报警并进行重新布防。要求生产安全，应确保被监视的区域置于传感器的敏感区域内。

现有的传感器产品很多间，如红外热释电探头、微波多普勒效应探头、微波红外复用探头等，用于检测盗贼侵入很灵敏。离子烟感器和半导体气敏传感器用于监视火警及煤气泄漏。当发生水灾、火灾等安全隐患时，传感器通过无线传感器网络向监控主机发射经数字编码的报警信号。监控主机立即控制报警装置发出警笛声，进行语音报警，同时对警情地点等信息进行提示。系统还具有远程布撒布防功能，即在身份验证后，能通过浏览器远程对系统进行布撤布防控制。安防监控系统的工作流程如图7所示。

安防监控系统的工作流程主要包括对火灾、水灾的报警流程以及无线传感器的布防、撤防。首先系统取得与无线传感器网络各节点的连接并对其进行初始化，在整个监控流程中，系统周期探寻与无线传感器节点的连通性以防安防系统失去效应，同时接受传感器发来的报警信息以激活报警装置进行语音报警和警情提示。在排除隐患后可以消除警报重新进行监控。另外，系统还可以进行远程布防、撤防。

6结语

本系统对门禁系统和智能人员管理系统实行二者相结合的设计，以实现卡与人员信息系统相匹配，采用13.56MHz频段的射频卡，容量8Kb，读写距离10cm，延迟时间1~2ms，刷卡显示相关人员信息;

智能巡检系统使用RS232感应式巡检器，其波特率为19200B/s，可以存贮2000条巡检记录。感应器选用4mmX32mm大小的片状且编号不重码、无需供电，根据要求的时间段、巡检地点，工作人员沿指定的线路进行巡检，每到一处，用巡检器识读安装在该地的感应器。刷卡延迟时间1~2ms，识读时，巡检器会自动记录当前的地点(卡号)、日期和时间，如有停留时间要求，则应按规定停留时间再次读取。巡查完毕后，把存有采集数据的巡检器送交管理人员，通过通讯座与计算机连接并将巡检器中的数据传输到计算机中保存，根据工作需要进行查询和生成各种统计管理报表。同时可清除识读器中的数据，以备再次使用；

对传感器网络的安防系统，温度、湿度的信息采集和发送接收实验，通过终端监听串口得到节点发送的数据，节点采集到的温度信息受到节点芯片温度的影响，会产生小范围的偏差，节点采集到的湿度信息也会受到传感器小范围内湿度水分的影响，通过一定的数据处理，将收到的数据信息进行偏差剔除加工处理，可以提高数据精度。

该系统能够较为有效地采集、传送和提供环境信息数据，具有较强的应用性。

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