基于有源RFID技术的人员定位信息管理系统设计 |
| 2012-11-07 09:35 作者：潘永友 李文钧 严敬宇 来源：硅谷网 HV： 编辑： 【搜索试试】
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【硅谷网11月7日文】据《硅谷》杂志2012年第16期刊文称，针对传统定位技术在复杂室内环境中定位时间长、定位精度低的问题，本设计采用有源RFID技术，运用成熟的软件框架设计一种基于有源RFID技术的人员定位信息管理系统。系统采用有源RFID与GPS定位技术相结合的方式，实现室内外无缝、精确定位；通过搭载传感器检测人员体征；上位机软件系统提供人机交互平台，实现信息管理功能。面向老人、儿童等弱势群体的看护机构采用本系统，将有效地提高看护、服务水平，从而使本系统具有良好的实用性和广泛的应用前景。
0引言
随着社会的发展，人们对于老人、儿童等弱势群体的关爱逐步提高。对于各种服务此类人群的机构而言，由于看护人员数量有限以及紧急情况发生的不可预知性，导致被看护者的人身安全存在隐患，看护服务水平的提高存在瓶颈。
RFID技术作为物联网应用的主要推动者，利用射频方式进行非接触式双向通信交换数据以达到识别和定位的功能[1]。RFID技术具有成本低、传输范围大、非接触和非视距的优点，在室内定位方面明显优于红外线、超声波等传统定位技术[2]。
本设计通过对射频通信技术、GPS定位技术、GPRS通信技术、传感器技术以及数据库技术的有效整合，以养老院为实际目标，搭建了从硬件到软件的系统平台。该平台实现了人员的室内外实时定位、人员摔倒检测、主动求助、人员信息管理等功能，为养老院等机构提高服务水平提供了有效的解决方案，是一个具有实用价值、市场应用前景广泛的应用系统。
1人员定位信息管理系统总体设计
1.1系统概述
基于有源RFID技术的人员定位信息管理系统是由硬件部分和软件部分共同组成的。如图1所示，其中硬件部分包括读卡器、腕表、数据传输总线（485）、监控计算机、数据服务器和Web服务器；软件部分包含了运行于读卡器和腕表中的嵌入式软件，院区范围内基于C/S框架供看护人员日常看护管理的上位机软件，以及提供给院区外人员（特别是老人的子女）查看院区内老人状况的基于B/S框架的网页服务。
图1基于有源RFID技术的人员定位信息管理系统
1.2系统工作原理
本系统是应用在养老院范围内的定位管理系统，前期需要实现软硬件的配套安装。需要在提供看护服务的院区范围内（主要是走廊和房间）无盲点的布设读卡器。读卡器经由485总线与数据采集中继器相连，并通过485转232最终连通上位机软件。上位机软件通过数据库的设计，实现电子标签与人员一对一的绑定，存储人员的基本信息，并提供记录、查询人员信息的管理功能。同时通过串口（接收室内数据）和tcp（接收室外数据）的方式，实时获取人员事件，进行有效的数据处理。
当携带内置有源RFID标签腕表的老人进入房间或者走廊，被读卡器读到后，读卡器将读到的标签编号（读卡器与标签通信只传输标签编号，不携带任何人员信息，提高了信息安全性[3]）传输给上位机，上位机在院区平面图中标注人员位置，实现室内实时定位的功能。
当被看护者发生紧急状况时，一方面腕表内所搭载的传感器（比如加速度传感器，用于检测人员摔倒）可以检测到事件，并将事件信息发送到上位机，由上位机及时地通知看护人员；另一方面，被看护者也可以通过腕表提供的主动呼叫功能，告知看护人员自己的看护需求。
当人员外出，离开院区范围时，人员佩戴的腕表的GPS定位模块和GSM通信模块开始工作。这里提供两种工作模式，一种是腕表定时采集GPS定位数据然后通过GPRS发送给上位机，实现外出路径的存储；另一种方式是，通过上位机主动通知腕表，获取人员的当前位置信息，通过百度地图标注实现室外人员的定位。
2硬件设计
考虑到有源RFID标签相比无源标签而言具有更远的识别距离和更大的存储容量[4]，在读卡器和腕表的射频通信部分都采用了有源RFID技术。通过调节发射功率和加载波检测的方式实现通信距离的可控。
如图2所示为腕表部分的硬件模块框图。其中控制芯片采用超低功耗MCUMSP430，射频部分采用nRF24L01+无线射频模块。GPS模块用于接收室外定位数据，然后通过GSM模块提供的SIM服务或者GPRS服务传输数据到上位机系统（GSM和GPS模块可合并，如SIM908）。传感器部分主要包含加速度传感器和腕部脉搏传感器，用于检测人员摔倒和脉搏是否稳定。电源部分使用可充电电池供电。
图2腕表部分的硬件模块框图
读卡器部分的硬件模块电路相对于腕表而言要简单一些，只包括了射频模块、串口通信模块和电源模块（读卡器使用市电供电）。读卡器与腕表的射频模块工作在同频（2.4GHz），以时分复用的方式通信。
3软件设计
图3养老院人员定位信息管理系统的软件功能模块图
3.1系统架构设计
图3为养老院人员定位信息管理系统的软件功能模块图，从图中可以看出本系统设计采用了C/S与B/S相结合的混合框架模式[5]，将C/S结构的成熟性和B/S结构的先进性较好地融合在一起，扩展了系统的服务层面[6]。
在院区局域网范围内，针对需要处理的数据量大、业务逻辑复杂的特点，本设计采用了三层C/S设计模式[7]，将与底层硬件通信的监控计算机作为专门的应用服务器，通过将表示层、应用层、数据库层分离，实现系统稳定性、安全性和实时性的同时又提高了系统的扩展性和可维护性。为了克服C/S架构下必须在客户端计算机上安装客户端应用程序的限制[基于c/s和b/s框架的教务管理信息系统设计和实现8]，在广域网范围内采用B/S设计模式，添加web服务器，提供给用户更加灵活的访问方式。
3.2通信协议
由于园区内老人的数量比较多，因此读卡器通过同频时分复用的方式与腕表进行通信，提高了通信效率。同时考虑到腕表携带电池的电量有限，读卡器与腕表的通信采用类似握手协议的方式，有效地减少了射频模块工作时间，降低了功耗。
在数据帧格式定义方面，由于传输数据内容已知，数据长度一致，本系统采用了固定帧格式，如下表1所示。数据校验采用CRC16校验算法。
帧头 帧头 命令字 TagID ReaderID CRC CRC
表1固定帧格式
3.3数据库设计
系统设计之初通过需求分析，得到了图3所示的软件功能框图。上位机软件的侧重点在于室内外人员位置标注和养老院范围内老人及员工的信息管理。在对养老院环境进行实体抽象的过程中得到了几个居于中心位置的实体，分别是居住在养老院中的老人和管理人员，老人在实际系统环境中的唯一标识—标签，养老院切实相关的床位信息、物资库存、资费信息。围绕着中心实体，将其他实体通过联系的方式添加进来，使用数据库设计工具PowerDesigner按照概念模型、逻辑模型、物理模型的顺序创建系统数据库[9]。
图4E-R图
如图4所示为系统中与老人相关的实体间的E-R图，位于中心位置的是老人的实体，其主要属性包括了老人的姓名、身份证号、老人编号、住址、出生日期以及冗余标签号，与老人相关的信息包括了护理记录、来访记录、事故记录、请假记录、外出事件、院区内事件、缴费记录和特殊服务。
数据库设计最终是现在SqlServer2005数据库管理平台，运行服务器操作系统为WindowsXPSP3，开发语言为C#。
4结论
本文提出了基于有源RFID技术的人员定位信息管理系统。硬件部分给出了读卡器和腕表的设计方案，软件部分提供了上位机系统框架、通信协议、数据库的设计思路。整个系统可以让专注于老人、儿童等弱势群体看护的机构人员，实时地获知被看护者的位置信息和状况信息。同时系统提供的信息管理功能，简化了人员管理负担，是一款切实可用的系统，具有广泛的应用前景和社会价值。
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