基于RFID和WSN的人员管理方案

1. 系统概述

　　1.1. 系统背景

　　随着经济社会的发展，人与人之间的日常交往日趋频繁，人们的工作生活方式越来越多样，日常行为越来越丰富，而对于一些与人们日常工作生活密切相关的场所或者人员聚集较多的公共场地，如煤矿、市政单位、医院、学校、监狱等等，每天必须面对大量的人员服务工作，如敬老院老人的照顾、医院婴儿的管理、煤矿井下作业人员安全、监狱中犯人管理等等。由于人们的行为往往存在不可预知和不可控的因素，一旦发生特别事件，如果得不到及时的应对和处理，就有可能造成严重的后果，成为当前社会的焦点，对社会造成不良影响。

　　1.2. 现状与分析

　　人员管理从早期的简单的考勤管理，到门禁出入管理，再到后来的人员定位跟踪管理，其管理的方式和理念呈现出不断深化和复杂的发展趋势，技术手段也从最初的人员考勤打卡，到门禁刷卡出入，发展到后来的非接触式的RFID射频识别。当前，很多公共场所对人员管理的手段仅仅是通过人员进出登记，或者刷门禁卡出入来实现的，该手段虽然可以严格记录人员的出入，但是对于人员的内部行为状况却无法了解，无法对区域人员的行为做出预见和判断，一旦有特别事件发生不能及时掌握，更谈不上预防。而纯粹的RFID技术，又碍于其高昂的投入成本，让众多管理者望而却步。

　　面对越来越复杂的人员管理和非常有限的资金投入，人们希望有一套低成本而高效率的管理方法，如何利用科学技术来提高区域人员管理的方式和效率，已经成为摆在众多系统集成专家面前的一道课题。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(Wireless Sensor Networks, WSN)，并以其低功耗、低成本、分布式和自组织的特点和优点，得到众多系统开发商的青睐，随着WSN的逐渐应用，其在人员管理上的优势不断显现出来。本文将介绍基于RFID和WSN的人员管理应用方案。

2. 技术介绍

　　2.1. RFID技术

　　RFID射频识别是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无需人工干预，可工作于各种恶劣环境。RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便。RFID系统主要由读写器、天线和标签三部分组成，其具有以下几个特点：

　　1）非接触性识别；

　　2）物体标识性：标签具有唯一的ID号，实现物体唯一标识性；

　　3）识别距离远：采用不同的RFID频段技术，可实现0~1000m不同的距离要求，适用于不同的场合；

　　4）防冲突性：一次性可识别大量标签；

　　5）抗干扰能力强：RFID无线识别可用于恶劣的环境下，且可正常工作。

　　2.2. WSN技术

　　WSN即无线传感器网络，是通过部署在特定区域内的大量的微型传感器，利用其组织构成的无线网络，实时地监测、感知和采集节点部署区的观察者感兴趣的感知对象的各种信息（如光强、温度、湿度、噪音和有害气体浓度等物理现象），并对些信息进行处理后以无线方式发送给后台系统。

　　WSN具有以下特性：

　　数据采集性：通过传感器采集资产运行或环境状态信息等；

　　自组织网络：节点具有自动组网的功能，节点间能够相互通信，协调工作；

　　网络建立时间短、网络自组织、网络自恢复等功能；

　　成本低，采用无线网络可减少布线及人工成本；

　　通信距离远；

　　功耗低，节点可直接采用纽扣电池供电。

　　2.3. RFID和WSN融合

　　RFID实现对物的标识及物的信息采集，WSN实现数据采集及传输，将RFID与WSN的两者融合后便可巧妙地实现物的标识、物信息的采集、传输与定位。

图1：无线传感网连接图

3. 系统介绍

　　3.1. 系统工作原理

　　信息采集

　　将某区域人员的基本信息入录到数据库，每个人带上一个存有与自己相对应ID号的电子标签(以下简称标签）在规定的区域内活动，安装在区域内的定位器就通过识别到标签的ID信息来判断人员所处位置。

　　数据传输

　　RFID标签、中继器、数据中心构成一个无线的传输网络，当中继器获取到标签的数据时，通过无线网络传输到数据中心，数据中心对接收到的数据进行计算处理，通过网口或者其他接口上传至中央数据控制中心。

　　人员定位

　　系统将中继器作为人员定位器，定位器采集标签的ID号以及RSSI值，将采集到数据传送到数据中心，数据中心根据得到的RSSI值，计算出标签所处的坐标位置，并将处理的结果上传至中央数据控制中心，控制中心可以根据在电子地图显示相应的位置。

　　定位方式采用三点定位，即结合三个定位器综合信息实现定位。

　　3.2. 系统拓扑结构图

图2：系统拓扑结构图

　　3.3. 人员定位示意图

图3：人员定位示意图

　　3.4. 系统功能模块 

图4：系统功能框图

4. 系统功能介绍

　　4.1. 人员信息初始化

　　每个人带上一个存有与自己相对应ID号的电子标签，系统将该电子标签的ID号与人员的详细信息进行绑定，如：人员的姓名、年龄、性别等等。

　　4.2. 人员信息管理

　　人员位置定位

　　人员位置的定位是基于无线传感网中信号强度测距法来实现的，其中测试点采用三点定位模式。定位器读取到相关ID后，将ID对应的信号强度（RSSI）和ID发送给数据中心，数据中心根据接收到的RSSI，计算出该ID所处的位置，同时在电子地图上进行显示。

　　人员轨迹跟踪

　　电子标签ID被定位器识别后，传入数据中心，数据中心保存ID每次的获取记录，并与系统时间保持同步，通过调取相关ID的识别记录，可以判断出人员的运动轨迹，在电子地图，该标签每次上传数据所处的位置能够清晰的显示出来，从而了解人员的运动轨迹。

　　4.3. 非常规事件报警

　　标签破坏报警

　　电子标签具有防拆功能，当电子标签被带上后，必须经过管理人员的授权操作，才能取下，否则任何的擅自取下，或者强行破坏都会使的标签不断的向系统发出报警信号。

　　限制区域报警

　　在限制区域附近安装有定位器，当定位器捕获到电子标签的ID，系统立即响应报警，并在电子地图上显示其位置，同时信息栏中立即弹显示该ID所对应的人员信息。

　　其他报警

　　按照需求可以增加不同的报警。

　　4.4. 日常数据管理

　　4.4.1. 电子标签管理

　　标签发放

　　将指定的人员信息与标签ID号进行绑定，在系统中显示的标签就代表佩戴标签的人员；

　　标签分类

　　对不同岗位或者类型的人员将标签分为不同的种类，标签可以根据实际情况进行分组和分类；

　　标签报警设置

　　标签在佩戴上后，不可以随意摘下，如果要摘下，必须经过管理人员的授权操作，解除报警，同时管理人员还可以对不同的标签设置不同的报警条件。

　　4.4.2 数据信息管理

　　系统将每天的电子腕带的读取记录进行分类，保存，以备以后进行查检。对当天出现的非常规事件进行统计，对定位器读取ID的个数进行统计，从而对人员的行为和分布做进一步的分析。

　　4.5. 定位器状态管理

　　定位器数据中心管理功能

　　系统可同时监控上百个定位器的工作状态，当定位器网络中断时，会及时发送报警信息，在系统界面上数据传输中断的定位器或者数据中心会出现异常的状态显示，从而快速应对和处理；

　　用户管理

　　可设定各种用户权限，用户登录系统后根据自己的权限进行操作和浏览相应的内容。

　　4.6. 系统与其他子系统结合

　　在人员管理系统中，和还有其他子系统模块：如视频监控系统、相关人员权限系统等等。各系统之间可通过后台数据库等进行数据衔接和匹配等，从而形成一个完成的系统。

　　4.7. 技术选型

　　4.7.1. RFID技术选型

　　本系统中RFID技术主要体现在电子标签的唯一标识性，电子标签采用有源方式来实现，其频率可在315M/433M/915M/2.4G等频段。电子标签采用有源方式来实现，具有良好的防冲突性，数据通信速度快，传输距离远等特点。

　　4.7.2. WSN技术选型

　　本系统中WSN主要体现在数据传输，以及人员定位这块，信号频率可选择315M/433M/915M/2.4G等频段。目前WSN实现的主要技术有zigbee、wifi、Blutooh、UWB等。

　　4.7.3. 其他选型

　　433MHz和2.45GHz频段的RFID产品亦可组成WSN无线传感网，其具有如下特点：

　　自主开发协议，可扩展性强，可对不同的用户、不同的应用进行针对性开发；

　　成本较低：相对目前行业内所常用的Zigbee来说，其整体成本较低；

　　低功耗：终端采集节点和中继传输节点均可采用电池供电，其待机电流为0.8uA，

　　工作电流为35mA，若按照1分钟发送一次数据来计算，1100mAh的纽扣电池可用5年；

　　网络智能化管理：所有设备具有自组网功能、可自动选择最优网络路径、具有网络自恢复功能、网络建立时间短(该时间用户可设定)。与RFID 设备兼容：当RFID读写器采用433MHz或2.45GHz时，其使用的读写器和标签可作为WSN的数据中心、终端采集节点和中继传输节点。另RFID和WSN产品还可选择我司315MHz、866MHz和915MH频段下的相关产品。

5．系统特点及优点

　　5.1. 系统特点

　　采用无线网络传输数据，无需人工参与布线；

　　采用标签的唯一ID号标识人员，且电子标签可根据不同人员进行分类；

　　RFID与WSN的融合，实现了数据采集的智能化，以及数据传输的快捷和实时高效；

　　电子标签进入到定位器区域，能够快速建立链接，传输数据，；

　　系统管理实现精细化和智能化。

　　5.2. 系统优点

　　本系统采用无线传感节点作为电子标签，具有廉价、实用、防拆的优点；

　　采用低功耗设计，采用无线传感网络的自我能量约束技术，产品硬件结构简单，仅需小量电能即可工作且节点和数据传输模块的工作状态可由数据处理中心控制，即数据处理中心可控制节点和数据传输模块的工作时间长度和何时开始工作，终端采集节点以及定位器使用寿命长；

　　数据传输采用无线网络方式，系统可实现自组网，无需人工布线。体积小，便于广泛分布；

　　可确定事件发生的位置或采集数据节点的位置，且受环境影响小。

6. 其他应用领域

　　煤矿井下作业人员管理

　　医院婴儿管理

　　监狱人员管理

　　敬老院老人管理

　　家校通管理

7. 硬件设备选型