RFID技術在國防工程安全管理系統中的應用

韓旭 劉迎新

(解放軍理工大學國防工程學院,江蘇 南京 210007)

RFID技術在國防工程安全管理系統中的應用

韓旭 劉迎新

(解放軍理工大學國防工程學院,江蘇 南京 210007)

結合國防工程安全管理的現狀和建設信息化部隊的要求,考慮到現有的安全管理模式對人員和裝備的精確化管理程度低和實時性差的特點,采用RFID技術、超聲波技術和現場總線技術,設計了國防工程安全管理系統。在介紹了系統架構的基礎上,詳細闡述了系統的軟硬件設計,并對管理系統的軟件進行了模塊和功能的分析。試驗結果表明,該系統能實時顯示國防工程中的人員和裝備信息,在提高國防工程安全管理的精確化水平方面具有廣闊的應用前景。

國防工程 信息化 精確化管理 安全管理 射頻識別

0 引言

目前,國防工程平時維護的安全管理仍以人員巡查和攝像頭監視為主要技術手段。人員巡查會受到客觀條件、主觀態度和經驗等因素的多重影響。攝像監視客觀上受安裝位置、視角和視距的限制,存在觀察死角;主觀上值班人員的精神狀態也給安全管理帶來了不確定因素。因此,為消除安全風險,提高國防工程安全管理的信息化和規范化,可以利用RFID技術、超聲波探測技術和現場總線技術,精確實現進出工程人員的標準化管理和信息記錄[1]。

1 系統架構

1.1 系統關鍵技術

RFID技術是利用射頻方式進行非接觸雙向通信,以達到自動識別目標并獲取數據。不同于傳統的磁卡和IC卡,RFID技術解決了無源和免接觸兩大問題,同時它可實現運動目標識別、多目標識別,能夠廣泛應用于各類場合。其突出優點是環境適應性強(能夠穿透非金屬材質)、數據存儲量大、抗干擾能力強[2]。

超聲波探測器以超聲波為探測源,不受外界光線及電磁場等因素的干擾。LonWorks(local operating networks)總線技術主要包括:具備通信與測控功能的Neuron芯片、LonTalk通信協議、LonBuilder與NodeBuilder開發工具和軟件開發語言Neuron C等幾個方面。LonWorks總線具有支持ISO/OSI的所有7層模型、支持多種通信媒介及多種網絡拓撲結構、良好的開放性與互操作性等諸多優點[3]。LonWorks控制網絡允許靈活的網絡拓撲結構,可以根據現場層的設備及監測點的分布采用合適的網絡結構,使得結構簡單、靈活,系統維護簡化。

1.2 安全管理系統的構建

國防工程安全管理系統主要由指揮中心、人員管理系統、裝備管理系統和環境控制系統4部分組成。系統為3層網絡結構,即管理層、監控層和現場層。國防工程安全管理系統架構如圖1所示。

圖1 國防工程安全管理系統架構圖Fig.1 The architecture of national defense engineering security management system

管理層采用1 000 MB TCP/IP網絡連接工程指揮中心、上級指揮中心和工程外部監控主機等;監控層采用100 MB TCP/IP網絡,連接指揮中心和各區域監控站、設備監控計算機等終端;現場層采用LonWorks現場總線,各區域的人員管理裝置、裝備管理裝置和環境控制設備通過該總線連接到現場的智能控制器,實現數據的無縫連接。

系統工作原理具體如下。

為進入國防工程人員配發固定ID的標簽卡,在指揮中心PC終端的數據庫里記錄該ID對應的人員的基本信息(如姓名、年齡、職務、部門;臨時進出人員還需記錄進入事由及批準人和陪同人員等信息),并預設活動權限。人員管理系統通過身份識別裝置,對進入人員的探測和標簽卡ID的讀取信息傳至指揮中心,并判斷人員的身份和進出權限。國防工程內部裝備貼標簽卡,并設置安全移動距離。當裝備移動距離超出安全距離時,讀卡器將信息上報指揮中心并報警。同時,值班人員可以通過手持終端進行巡查以檢查裝備和人員情況。環境控制系統實時地將工程內部的環境信息發送給指揮中心,以實現指揮中心對工程內部環境的實時監測和控制。

2 系統硬件設計

2.1 指揮中心硬件設計

指揮中心主要由數據服務器、視頻監視器、防火墻和若干臺操作終端組成。數據服務器是系統數據庫的存儲載體,人員信息、裝備信息和環境信息都存儲在數據服務器中。視頻監視器主要用于記錄國防工程周邊環境、人員和工程內部情況。操作員站可以實現對整個系統的實時監視和控制,指揮員站可以通過國防專用網關遠程登錄站點,對系統情況進行監視。

2.2 人員管理系統硬件設計

根據工作頻率的不同,RFID系統分為低頻、中頻和微波系統。本系統采用2.4 GHz的微波頻段,為電磁耦合系統,識別距離遠,可達100 m,讀寫速率高。本系統采用主動式RFID系統,射頻卡采用電池供電。作用距離可控,最大支持32級功率控制,通過發命令的方式調節讀寫器的接收距離。系統能識別移動速度在200 km/h以內快速移動的電子標簽,可以同時識別200張卡。系統使用頻道隔離技術,多個設備互不干擾。

人員管理系統由控制器、超聲波模塊、RFID模塊、天線和標簽卡組成,其架構如圖2所示。當超聲波探測模塊探測到人員進入監視范圍時便啟動射頻模塊,將讀取到的標簽信息上傳到指揮中心,與數據庫信息進行比對。若射頻模塊沒有讀取到標簽信息或信息與數據庫信息比對有誤,則記錄并報警。

圖2 人員管理系統架構圖Fig.2 The architecture of personnel management system

2.3 裝備管理系統硬件方案

裝備管理系統由射頻讀卡器、手持終端和標簽組成。在裝備上貼上標簽,并在指揮終端設置相應的安全移動距離。當設備移動距離超過安全移動距離時,讀卡器將對應的裝備標簽信息上傳至指揮中心。手持終端用于值班人員對裝備的巡查和記錄。

2.4 環境控制系統硬件方案

國防工程環境控制系統采用RFID技術實現國防工程內部溫濕度、氣體濃度的監測和控制。監測和控制無線化,輔以上位機監控程序,實現國防工程環境的本地監控和遠程監控。系統主要由單片機、溫度/濕度/氣體濃度監測模塊、無線收發模塊和命令執行模塊組成。控制設備包括空調、除濕機、防護設備及報警器等,實現國防工程內部的環境監控,提升工程內部安全等級,保證工程內部人員和裝備的安全。針對不同的區域有不同的溫濕度要求,需將工程環境溫濕度控制在設定的溫度和濕度范圍,以維持作戰、值班不同需要并節省能源。溫濕度傳感器和氣體濃度監測傳感器實時采集環境的溫度、濕度和氣體濃度數據,由環境控制系統實現對環境溫濕度和氣體濃度監測和控制,以決定防護門和防護設備的關閉和開啟,并實現對可能出現的起火等情況進行報警功能。

3 系統軟件設計

3.1 LonTalk通信協議

LonTalk通信協議是LonWorks總線的核心,遵循ISO分層體系的要求。該協議是面向對象的網絡協議,使得設備中的應用程序能在網絡上對其他設備發送和接收數據,而不需要知道網絡的拓撲、名稱和其他裝置的功能。LonTalk協議使用類似于以太網所用的“載波監聽多路訪問(carrier sense multiple access,CSMA)”算法。LonTalk協議建立在CSMA基礎上,提供介質訪問協議,使得系統可以根據預測網絡業務量發送優先級報文和動態調整時間槽的數目。通過動態調整網絡帶寬,被稱為預測性P-CSMA協議的算法使網絡能在極高網絡業務量出現時繼續運行,而在業務量較小時不降低網絡速度[4]。

3.2 指揮中心軟件開發

采用Access數據庫和Visual Basic 6.0開發的指揮中心系統包括服務器和客戶端兩部分。服務器與客戶端通過基于TCP/IP協議的Socket網絡通信實現數據傳輸。放置服務器的PC機需要有獨立的IP[5]。管理系統實現了工程進出人員的門禁、值班員巡更管理、工程內部人員的誤闖報警、裝備的安全和標準化管理,并可以實時顯示工程內部環境情況和外部關鍵點的視頻記錄。系統為每個用戶設定相應的權限,具備用戶管理的各種功能,對數據進行加密算法處理,數據保密性強。

信息管理系統示意圖如圖3所示。

服務器終端的應用程序采用模塊化設計。各設備根據其完成的任務、任務的性質等要求,結合數據流程,被詳細劃分成各功能模塊。根據系統功能的需求,服務器終端有系統界面模塊、數據收發模塊、數據庫存儲模塊、判斷報警模塊、狀態顯示模塊、視頻/數據記錄模塊和歷史信息數據查詢模塊。軟件采用多線程模塊化設計,包括主程序、通信線程和報警線程[6]。首先執行主程序,然后配置讀卡器模塊,創建并執行數據存儲、數據顯示和報警判斷3個線程。

服務器端和客戶端功能的實現過程如下。

服務器端[7-8]實現客戶端和各終端的連接、綁定、斷開等功能,并實現客戶端、各終端和上級服務器傳輸數據的中轉和管理。服務器端利用客戶端協議數據識別各終端并綁定。將各終端的傳輸數據處理、提取后,轉發至客戶端;接收客戶端的指令信息并轉發給各終端。

客戶端對服務器轉發的各終端的數據進行分析、處理和顯示,實現系統管理、數據管理、連接維護和設備管理。系統管理主要實現系統用戶的登錄權限及操作管理,人員和裝備基本信息的錄入和管理,進出人員的活動追蹤和記錄以及國防工程內部溫度、濕度、有害氣體濃度等環境信息的記錄和查詢。設備管理主要涉及環境控制設備包括空調、除濕機、防護設備和管理系統的信息交互。管理系統能給這些設備發送控制命令,也能接收終端的命令執行回復,實現了環境控制設備的狀態監測和控制功能。連接維護實現客戶端和服務器的連接和數據傳輸。

3.3 人員、裝備管理功能的實現

人員管理是通過身份識別裝置讀取人員探測和標簽數據實現,人員識別裝置依工程具體情況布置在巷道和裝備間。其實現的主要功能為:超聲波探測模塊探測到范圍內人員出現,即啟動RFID模塊以讀取標簽卡的數據,將讀取到的數據傳輸到上位機管理系統進行信息比對。手持終端模塊編寫了液晶顯示模塊任務和RFID模塊任務,實現對人員和裝備的現場檢測和管理。

系統設計規定計算機往讀頭方向的數據為主機命令,讀頭往計算機方向的命令為從機命令。所有的命令和數據都是以字節為單位,用16進制表示;所有從機的數據都是FFFF作為開始標志、EEEE作為結束標志。通信波特率為19 200 bit/s,數據位8,停止位1,無校驗,無流程控制,16進制發送,16進制接收。讀取數據命令是01。發送數據格式如表1所示,接收數據格式如表2所示。

表1 發送數據格式Tab.1 Format of the sending data

表2 接收數據格式Tab.2 Format of the receiving data

表2中:FF為開頭標志;01為讀頭地址;00為預留參數;00 45為讀取到的第1個射頻卡的有效數據; EE為結束標志。

電子標簽定時主動發送數據。讀卡器收到射頻卡信息后,將數據保存在讀卡器的RAM中。讀卡器最多讀取100個卡。當卡數超過100,那么讀卡器新的數據會覆蓋老的數據。

3.4 國防工程環境控制功能實現

環境控制模塊分為主節點和從節點。主節點接收從節點信息,處理后上傳至設備控制計算機;從節點監測環境數據和接收主節點命令。主節點為獨立模塊,可單獨使用,同時人員識別裝置預留該模塊安裝接口,實現即插即用。根據環境的不同,決定采用集成模式或是獨立設置。控制模塊實現國防工程的環境溫度、濕度及有害氣體濃度的檢測和控制功能,控制模塊從節點采用RFID技術與主節點通信[8],通過控制空調、除濕機和防護設備等,實現國防工程環境參數的控制和有害氣體的隔離等。環境控制模塊流程圖如圖4所示。

根據區域的不同作戰目的和不同設備對環境溫濕度要求的不同[9],需要對工程進行分區控制,以滿足不同的要求。系統采用多任務方式,對每個區域任務單獨進行管理,對溫度、濕度和有害氣體濃度進行監控和報警。系統采取冗余配置,避免數據誤差和因模塊損壞帶來數據傳輸的中斷。系統周期性地對區域環境信息進行采集和處理。當溫度超過所設范圍時,加熱和制冷設備自動關閉和啟動;濕度超標時,自動啟動除濕機;當有害氣體濃度超標時,系統報警指揮人員可以通過系統發送命令控制防護門和“三防”設備的開啟。當工程內部有空調、除濕機啟動時,風機自動開啟以加速空氣流通。

圖4 環境控制模塊流程圖Fig.4 Flowchart of the environment control module

4 結束語

本系統結合RFID、超聲波技術和現場總線技術,實現了國防工程安全管理的智能化和標準化,解決了當前國防工程人員管理難度大、規范性低的問題。系統可查詢人員的進出記錄、活動范圍、當前狀態,值班人員的巡查路線,工程環境的實時數據和內部設備的狀態。該系統具有非接觸式識別、實時跟蹤、數據處理智能化等特點,對規范國防工程的管理、提高管理效率等有一定的推動作用。

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Application of RFID Technology in National Defense Engineering Security Management System

Considering the actuality of the security management of national defense engineering and the requirements of constructing informationalized force,as well as the disadvantages of existing security management mode,e.g.,low degree of accurate management for personnel and equipment,and poor real time performance,the security management system of national defense engineering has been designed by adopting RFID,ultrasonic and field bus technologies.On the basis of introduction of the system architecture,the design of hardware and software is described in detail,and the modular and functional analysis on the software of the management system is conducted.The result of tests shows that the information of personnel and equipment in national defense engineering can be displayed in real time;the system possesses wide applicable prospects in improving the accurate level of security management of national defense engineering.

National defense engineering Informatization Accurate management Security management Radio frequency identification(RFID)

TP277

A

修改稿收到日期:2013-07-24。

韓旭(1969-),男,2003年畢業于解放軍理工大學防災減災與防護工程專業,獲博士學位,教授;主要從事室內空氣質量檢測方面的研究。