基于433 MHz無線通信與虹膜識別的礦用唯一性檢卡裝置

張煒， 付元， 劉昕

(1.北京理工大學 機電學院， 北京 100081； 2.煤炭科學技術研究院有限公司， 北京 100013； 3.煤科院節能技術有限公司， 北京 100013)

0 引言

為實現對煤礦井下工作人員的有效管理，根據AQ 1048—2007《煤礦井下作業人員管理系統使用與管理規范》中相關條款規定，各個人員出入井口應設置檢測識別卡工作是否正常和唯一性檢測的裝置[1]。基于上述規范要求和煤礦安全生產管理中對攜帶多張識別卡、攜帶錯誤識別卡、未攜帶識別卡等違規行為的檢測需求，研究人員對礦用唯一性檢卡裝置進行了大量研究。

研究人員提出了利用基于掌紋與指紋、人臉圖像、步態、虹膜等生物特征的唯一性檢測技術對本人攜帶本卡進行檢測[2-4]。然而，由于礦工長期勞作，掌紋與指紋易被磨損，影響識別效果。井下煤塵較多，導致礦工的人臉易受污染，影響人臉識別效果。為了保證識別精度，步態識別需采集完整的步態圖像作為識別特征，造成檢測通道過長，難以適應現場需求，不易推廣。虹膜識別的應用場景不受礦井環境限制，且虹膜特征不易損壞，因此虹膜識別適合在礦用唯一性檢卡裝置中使用[5-7]。

針對出入井人員攜帶多張識別卡、攜帶錯誤識別卡、未攜帶識別卡的情況，現有礦用唯一性檢卡裝置對其檢測效果不是很理想，主要是因為受檢測區域外識別卡干擾，現有裝置不能對檢測區域內識別卡數量進行正確檢測[8]。433 MHz無線通信技術支持各種點對點、一對多點等無線數據傳輸方式[9-12]，定向天線可以把信號能量集中在某個方向，從而保障某個方向的信號強度增強[13-14]。因此，433 MHz無線通信技術與定向天線結合可確定檢卡裝置的檢測區域，使得433 MHz無線信號只覆蓋到檢測區域內的識別卡。

本文結合433 MHz無線通信與虹膜識別設計了一種礦用唯一性檢卡裝置。該裝置利用虹膜識別技術實現本人攜帶本卡檢測；采用433 MHz無線通信技術與定向天線對檢測區域內識別卡進行檢測，從而實現出入井人員攜帶多張識別卡、攜帶錯誤識別卡、未攜帶識別卡等違規行為檢測。

1 裝置硬件設計

礦用唯一性檢卡裝置由區域標志模塊、讀卡基站、識別卡數量檢測模塊、虹膜檢測模塊、閘機、語音報警模塊、供電模塊和交換機組成，如圖1所示。區域標志模塊包括433 MHz無線通信模塊與定向天線：通過調節定向天線的發射功率，實現檢測區域范圍實時配置；433 MHz無線通信模塊通過定向天線向檢測區域內識別卡發送檢測區域標志符，以排除區域外識別卡的干擾。讀卡基站讀取檢測區域內的識別卡信息。識別卡數量檢測模塊主要用于接收讀卡基站的信息并進行識別卡數量檢測，將識別卡數量檢測結果存儲在中間數據庫。虹膜檢測模塊主要實現虹膜信息的采集、注冊與識別，通過控制模塊實現語音報警與閘機開啟。供電模塊主要向區域標志模塊、讀卡基站、虹膜檢測模塊、識別卡數量檢測模塊、交換機等供電。交換機主要實現讀卡基站、識別卡數量檢測模塊、虹膜檢測模塊的信息交互。

圖1 礦用唯一性檢卡裝置組成

2 裝置軟件設計

礦用唯一性檢卡裝置的軟件采用模塊化設計，主要包括識別卡數量檢測程序、虹膜信息檢測程序和虹膜信息與識別卡信息匹配檢測程序3個部分。

2.1 識別卡數量檢測程序

一般在井口部署2臺唯一性檢卡裝置，一臺用作入井檢卡，另一臺用作出井檢卡。為了減少2臺裝置互相干擾、檢測區域外識別卡對檢測結果的干擾，采用433 MHz無線通信模塊與定向天線對識別卡數量進行檢測。識別卡數量檢測流程如圖2所示。待檢人員進入檢測區域后，首先，通過433 MHz通信模塊發送檢測區域標志符，識別卡獲取該檢測區域標志符，并將標志符嵌入到電文數據的字段中。然后，讀卡基站讀取識別卡的電文數據，判斷電文數據的檢測區域標志符是否與配置的檢測區域標志符相等。若相等，則將識別卡信息與當前時間信息寫入映射表，否則不處理該電文數據。最后，在映射表中查詢距當前時間2 s內寫入的識別卡數量，若查詢到的識別卡數量大于1，則將查詢到的識別卡的多卡標志置為1，否則置為0，并寫入中間數據庫的結果表。

圖2 識別卡數量檢測流程

2.2 虹膜信息檢測程序

虹膜信息檢測流程：采集工作人員的虹膜信息，并將其與該工作人員的識別卡信息進行綁定；采集檢測區域內待檢人員的虹膜信息，識別該虹膜信息對應的工作人員基礎信息，并查詢該工作人員的識別卡信息，為虹膜信息與識別卡信息匹配檢測提供依據。

2.3 虹膜信息與識別卡信息匹配檢測程序

虹膜信息與識別卡信息匹配檢測流程如圖3所示。若中間數據庫的結果表中不包括根據虹膜信息查詢到的識別卡信息，則判斷為待檢人員未攜帶識別卡；若中間數據庫的結果表中包括根據虹膜信息查詢到的識別卡信息但不一致，則判斷為待檢人員攜帶錯誤識別卡；若中間數據庫的結果表中識別卡信息與根據虹膜信息查詢到的識別卡信息一致，且該識別卡信息中多卡標志為1，則判斷為待檢人員攜帶多張識別卡,為0則判斷為待檢人員攜帶了1張識別卡，且為本人的識別卡。

圖3 虹膜信息與識別卡信息匹配檢測流程

3 裝置測試

3.1 測試指標

選用多卡檢測率、多卡漏檢率、錯卡檢測率、無卡檢測率、正確卡檢測率、多卡虛警率、錯卡虛警率、無卡虛警率、檢測時間為測試指標。

多卡檢測率指待檢人員攜帶多張識別卡被正確檢測的概率；多卡漏檢率指待檢人員攜帶了多張識別卡未被正確檢測的概率；錯卡檢測率指待檢人員攜帶別人的識別卡被正確檢測的概率；無卡檢測率指待檢人員沒有攜帶識別卡被正確檢測的概率；正確卡檢測率指待檢人員攜帶本人識別卡成功通過檢測的概率；多卡虛警率指待檢人員未攜帶多張識別卡被檢測成多卡的概率；錯卡虛警率指待檢人員未帶錯卡被檢測成錯卡的概率；無卡虛警率指待檢人員攜帶了識別卡被檢測成無卡的概率。

3.2 測試方法

(1) 多卡檢測。100名實驗人員，每個實驗人員攜帶2張識別卡通過礦用唯一性檢卡裝置的檢測區域。

(2) 錯卡檢測。100名實驗人員，每個實驗人員攜帶別人的識別卡通過礦用唯一性檢卡裝置的檢測區域。

(3) 無卡檢測。100名實驗人員均不攜帶識別卡通過礦用唯一性檢卡裝置的檢測區域。

(4) 正確卡檢測。100名實驗人員攜帶本人識別卡通過礦用唯一性檢卡裝置的檢測區域。

(5) 檢測時間。測試人員進入礦井入口時，礦用唯一性檢卡裝置立即對其進行識別，并開始計時；閘機開啟或語音報警時，停止計時。停止計時的時間與開始計時的時間差為檢測時間。

3.3 測試結果

測試結果見表1。可看出多卡檢測、錯卡檢測、無卡檢測與正確卡檢測的準確率均為100%，且平均檢測時間均不超過2 s。

表1 測試結果

4 結論

(1) 通過調節定向天線的發射功率，實現檢測區域范圍實時配置；433 MHz無線通信模塊通過定向天線向檢測區域內識別卡配置檢測區域標志符，以排除區域外識別卡干擾，對檢測區域內識別卡數量進行檢測，從而實現出入井人員攜帶多張識別卡、攜帶錯誤識別卡、未攜帶識別卡等違規行為檢測。

(2) 對檢測區域內待檢人員的虹膜信息進行識別，并查詢該人員的識別卡信息，根據虹膜信息查詢到的識別卡信息與中間數據庫的結果表信息進行對比，實現本人攜帶本卡的檢測。

(3) 測試結果表明，針對攜帶多張識別卡、攜帶錯誤識別卡、未攜帶識別卡與本人攜帶本卡的情況，基于433 MHz無線通信與虹膜識別的礦用唯一性檢卡裝置的檢測準確率均為100%，且平均檢測時間均不超過2 s。