基于ZigBee技術的監獄服刑人員實時定位系統

周 旭雷曉春陳俊彥（1.桂林電子科技大學，廣西 桂林 541004；2.桂林監獄，廣西 桂林 541004；3.廣西高校云計算與復雜系統重點實驗室，廣西 桂林 541004；4.廣西可信軟件重點實驗室，廣西 桂林 541004；5.廣西云計算與大數據協同創新中心，廣西 桂林 541004）

基于ZigBee技術的監獄服刑人員實時定位系統

周 旭1,2雷曉春1,3,4,5陳俊彥1,3,5
（1.桂林電子科技大學，廣西 桂林 541004；2.桂林監獄，廣西 桂林 541004；3.廣西高校云計算與復雜系統重點實驗室，廣西 桂林 541004；4.廣西可信軟件重點實驗室，廣西 桂林 541004；5.廣西云計算與大數據協同創新中心，廣西 桂林 541004）

針對目前監獄服刑人員的管理的問題，文章設計一個基于Zigbee技術的監獄服刑人員實時定位系統。本系統采用ZigBee技術架構為支撐，結合網絡進行組網采集數據，并將數據通過監控主機進行分析和存儲，并將分析后的數據反映到終端，實現對服刑人員的實時定位。

ZigBee；監獄服刑人員；實時定位

1 引言

隨著現代網絡和無線傳感技術的成熟和普及，以及監獄管理制度和理念的逐步完善及設施的不斷更新，我國司法部門正在全國監獄系統大力統籌推進以網絡和傳感技術為基礎的現代信息化監獄管理系統建設。本論文設計了一個基于Zigbee技術的監獄服刑人員實時定位管理監控系統。運用物聯網的概念，采用低功耗Zigbee無線定位技術，利用內置CC2530芯片的可防拆卸式腕帶作為定位節點，通過獲取節點接收的信號強度RSSI值，用定位算法計算出節點位置信息來進行定位。運用成熟的以太網技術進行監控系統組網，使用SQL Server數據庫存儲數據，采用PC終端設備進行管理，實現對服刑人員的實時定位、實時人數統計、越界/進入禁入區域報警、重點人員跟蹤、人員移動軌跡采集以及干警安全保障等多項實時監控功能。

2 系統的體系結構設計

結合監獄的實際工作流程，本系統由以下四部分組成：

（1）數據采集層：通過ZigBee無線傳感器網絡對監獄服刑人員的位置信息、生命體征和所佩戴的腕帶的狀態信息進行采集，并將采集到的數據經局域網發送到系統服務器進行分析和處理。

（2）數據存儲層：主要功能一是存儲數據采集層發送來的數據，二是存儲系統服務器分析和處理后的結果數據，三是對定位分析中所需要用到的設備信息、地理信息、區域坐標信息、參數信息等進行存儲，四是存儲服刑人員的個人信息。

（3）分析決策層：系統服務器利用分析軟件對采集到的數據進行分析、計算來對監控對象進行定位，并將定位結果反饋到終端監控主機；對監控對象的活動軌跡進行繪制；對突發和越權行為發出預警。

（4）信息表示層：執勤民警在終端監控主機上實時監控服刑人員的位置，對指定服刑人員的位置信息、個人信息和活動軌跡進行查詢，對區域內的服刑人員的人數進行統計。

本系統的體系結構設計如圖1所示：

圖1 系統體系結構設計

3 系統網絡設計思路

本系統的網絡體系主要由兩部分組成，一是用于采集服刑人員位置信息的ZigBee網絡。另一部分是將ZigBee網絡采集到的數據傳輸到系統服務器和監控終端的內部局域網。本系統的網絡總體結構如圖2所示。

圖2 系統網絡設計

監獄根據監管要求劃分為若干個監區進行管理，每個監區關押一定數量的服刑人員。一般說來，每個監區都有自己獨立的關押場地和勞動改造場地，可以將每一個獨立的關押場地和勞動改造場地作為一個監控區域來進行劃分，并在這個監控區域架設一個全覆蓋的ZigBee定位子網絡，各區域的ZigBee子網絡彼此通過網絡ID區分，但又彼此相連共享數據，形成覆蓋整個監獄的無線定位網絡。從圖中我們可以看到，定位網絡由移動定位腕帶、定位讀寫器、ZigBee協調器和監控終端組成。

4 系統組成設計

監獄服刑人員無線定位系統根據其體系結構設計可以知道整個系統的組成基本分為兩個部分，一是服刑人員的位置信息采集即人員定位系統，二是對定位數據進行分析、處理和反饋即監控系統。

（1）人員定位系統

終端定位傳感裝置模塊采用回路防拆卸式腕帶，在服刑人員入獄時就立即給其佩戴。每一個腕帶具有一個唯一的標識號，對應所佩戴的服刑人員，這是一個16位的短地址，利用這個標識號獲取佩戴者的位置信息和身份信息。腕帶內置 CC2530芯片，功耗低，并具有無線發送數據的功能。腕帶采用回路設計，一旦被擅自拆卸的話就立即觸發警報。用基于Zigbee的無線傳感器網絡建立人員定位模塊，對關押服刑人員的整個監區即電網圍墻內的區域進行區域劃分并進行編號，在每個區域安置一定數量的固定節點作為錨節點，以便網絡覆蓋整個監區。每個區域要有部分參考節點具有數據收集和路由功能，以實現采集數據并將數據匯集上傳至系統服務器。腕帶唯一內碼被其所在區域的參考節點讀取識別后，將該腕帶內碼和自身的號碼由協調器經局域網發送到系統服務器。系統服務器根據收到的信息并經過計算，就能自動跟蹤每一個腕帶即所佩戴人員的位置和生命體征，并通過系統后臺分析并描繪出其移動軌跡。

（2）監控系統

終端監控模塊的主要功能包括：對Zigbee定位網絡采集到的數據在系統服務器由相應軟件進行分析、處理和存儲；將處理后的數據以直觀、動態的圖形界面形式實時反映到終端監控電腦的應用程序上；對監控人員的查詢操作做出回應，并返回結果；在重點區域為服刑人員分人員分時段的設定權限，當無權限的人進入或在禁入時間段有人進入時發出警報。

5 定位算法

RSSI算法通常采用三邊測量法來進行定位，三邊測量法是通過三個已知坐標的節點為圓心的三個圓相交于一點來確定位置節點坐標的，這種測量法建立在理想情況下，但在實際應用中，三個圓通常很難交于一點，而是交于一個區域，所以使用三邊測量法來定位會產生誤差，降低定位精度。本系統中另外引入質心的概念，即取三邊測量法三個交點圍成的三角形的質心作為離待測節點最近的位置坐標，從而減少誤差和提高精準度。

如圖3所示，假設三個以已知坐標的信標節點為圓心的三個圓分別為A，B，C，信標節點到質心D(x,y)的距離分別是d1，d2，d3，已知網絡中三個信標節點的坐標分別是 A(x1,y1), B(x2,y2),C(x3,y3)。那么存在下列關系：

通過計算上述的方式組，可以得出D點的位置坐標為：

圖3 三邊測量法示意圖

6 實驗小結

本系統腕帶內置CC2530芯片和SON1205心率模塊，定位節點為CC2530芯片加裝天線，圖3和圖4為腕帶內部圖及采集網絡圖。

圖4 腕帶內部裝置

圖5 采集網絡搭建

本系統部分界面如圖6、圖7。

圖6 歷史軌跡查詢界面

圖7 報警提示彈出窗口界面

本系統測試采用了10.34m×7.89m的平面區域，在該區域中做好坐標的標記，定位區域內隨機分布15個未知坐標的移動節點（腕帶裝置），統計移動節點的定位誤差大約在0.1m～0.38m之間，符合監獄監控系統的應用需求。

7 總結與展望

本論文中設計的人員定位系統的主動性提示和報警的優勢是目前視頻監控系統及其他被動式監控系統所不能實現的，從根本上將被動式防范轉變為主動式管理，不僅為一線民警提供管理服刑人員的輔助工具，也從心理上給予罪犯極大的威懾，提高監獄的監管力度、效率和安全等級，確保監獄安全穩定。

該系統受監獄保密性制度的影響，暫不能到監獄內部進行實地測試，只能在實驗室中進行測試，根據測試結果，RSSI值會由于工程質量問題、外界干擾、參數設置錯誤、設備故障和終端問題等出現異常如過低、過高、主分級差值過大等，不過測試時平均誤差在0.3m以內，符合監獄監控系統的應用需求。今后研究將在桂林監獄某監區進行試點測試，不斷完善系統，針對定位算法進行一定改進，提高系統整體的準確度和可靠性。

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Real time positioning system for prison personnel based on ZigBee technology

In light of the management of the prison staff, this paper designs a real time positioning system for prison personnel based on zigbee technology .This system is supported by the ZigBee technology, data collecting by the network, data analysis and storage by monitor host. After analyzing the data to the terminal, the system can realize personnel location.

ZigBee; prison personnel; real time positioning

TP399

A

1008-1151(2016)11-0006-03

2016-10-10

廣西可信軟件重點實驗室研究課題（kx201320）；廣西高校云計算與復雜系統重點實驗室研究課題（14103）；廣西云計算與大數據協同創新中心研究課題（YD16303）。

周旭，男，桂林電子科技大學計算機與信息安全學院研究生，桂林監獄民警，研究方向為物聯網應用；雷曉春，女，桂林電子科技大學計算機與信息安全學院教師，講師，研究方向為圖像處理、物聯網應用；陳俊彥，男，桂林電子科技大學計算機與信息安全學院教師，助理研究員，研究方向為嵌入式系統、物聯網應用。