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基于RFID无线传感网智能安防系统的设计

来源:一卡通世界      作者:韩万强 史少辉 吴海滨 张明轩      2014-7-15 17:27:23

  摘 要:利用RFID和无线传感器网络技术,构建了一种包括智能门禁管理、智能人员管理、智能巡检、智能安防等全方位、多功能的智能安防系统。从系统功能和系统设计实现了基于RFID技术的智能门禁系统和基于传感器网络的信息采集系统,具体给出了从信息采集到智能化管理的实现过程。

  0 引 言

  RFID 技术作为二十一世纪最具发展潜力的十大技术之一,是物联网的核心技术。近年来,它的发展带来了巨大的市场机遇。RFID 技术与应用已经形成一个具有强大生命力的新兴产业,它涉及信息、先进制造、材料、装备及工艺等诸多前沿和高技术领域的交叉融合技术群,涵盖面广、渗透力强,对诸多产业都带来重大影响。特别是在企业软件领域,RFID将是继ERP、CRM、J2EE 之后的又一新的增长点。

  微机电系统(Micro-Electro-Mechanism System,MEMS )、片上系统(System on Chip,SOC)、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 SensorNetworks,WSN),并以其低功耗、低成本、分布式和自组织的特点带来了信息感知的一场变革。无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成,通过无线通信方式形成的一个多跳自组织的网络,是一种全新的信息获取平台,能够实时监测和采集网络分布区域内的各种检测对象的信息,并将这些信息发送到网关节点,以实现复杂的指定范围内目标检测与跟踪,具有快速展开、抗毁性强等特点,有着广阔的应用前景[1]。

  研究利用各种安全手段保证信息的安全:利用RFID 技术实现门禁管理的智能化和数字化;将职工信息写入电子标签实现人- 电子标签- 人员信息的匹配,从而实现对人员信息的动态管理;使巡检员方便快捷地对信息进行采集、管理和查询,从而实现智能巡检;将无线传感器网络引入到安全管理中,实现对环境信息的监测,设计使用活动消息模块实现信息的发送与接收,使用信息采集接口读取厂区环境的温度与湿度、烟雾等各种信息,使用低功耗监听模块实现节点节能,通过计算机USB 接口完成对数据信息的采集和处理,实现人机对话,从而实现安全防护的智能化管理。

  1 系统结构设计

  本报警系统设计时,把企业分为办公区、生产制造区、仓储区3 个部分,每个区域再设置入门区和工作区。图1 所示是本系统的总体结构图。

RFID智能安防系统

图1 系统总体结构图

  系统在每个入门区放置RFID 读卡器,工作人员携带含有RFID 电子标签的卡采用射频方式刷卡进出入工作区,读卡器通过光纤交换机将数据传输到服务器的监控平台,把工作人员信息利用智能管理模块录入至服务器,对异常情况启动应急平台进行处理。在每个工作区的一些固定物体及某些重要位置贴上无源RFID 标签,巡检人员利用PDA 读卡器进行巡逻,监测到周围有RFID 标签时,读取RFID 标签,利用通信模块将值发至服务器的监控平台。

  在企业所有可能出现安全隐患的区域部署无线传感器节点,用于监测所需的参数(温度、湿度、火警等),一旦监测到异常情况(如火灾、漏水等),立即通过通信模块发送到服务器的监控平台等待处理,如遇特殊情况启动应急平台直接利用提前设置的电话号码通知相关人员或报警。同时,在特定区域还要部署高清摄像头,实现全天可视化的监测。

  2 可视化门禁系统模块的硬件设计

  门禁系统主要包括射频卡、读卡器、电机、摄像头、报警器、门禁控制机、数据采集器、通讯接口、后台数据处理系统等。门禁控制机主要由读卡器、MCU 及电控锁(继电器)组成。门禁系统构成如图2 所示。

可视化门禁系统

图2 可视化门禁系统模块结构

  工作人员出入时,门禁机的前端读卡器读入员工卡(RFID卡片)的数据,由通讯串口经由网线将数据发至服务器,服务器访问数据库记录刷卡信息,并且与已录信息进行比对核对开门权限,再返回指令给门禁机MCU,进而控制电机做出反应,当合法访问时MCU 将启动电控锁开门,非法访问MCU 将启动报警器报警。非员工访问时,由保安进行手动开门,门禁机将返回给服务器,服务器记录手动开门的历史。

  为防止相邻设备相互干扰并降低成本, RFID 读写器可以选择HF 频段。考虑到门禁系统中进出持卡人员对系统识别距离的要求(1 m 以内),结合系统的读取速度、成本、防冲撞功能以及对环境、水、金属的敏感度等,本系统采用13.56MHz 的频段。该频段在其他领域(如二代身份证、学生铁路优惠票证等)已经得到了广泛应用,技术成熟性高[2]。系统所使用的主要单元及作用如下:

  (1)IC 射频卡:存储个人信息,相当于个人身份证,当刷卡显示信息正确时才允许持卡人通过;

  (2)读卡器:通过电脑将多媒体卡作为移动存储设备进行读写的接口设备;

  (3)步进电机:将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量,从而达到准确定位的目的;同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度,从而达到调速的目的;

  (4)摄像头:又称为电脑相机、电脑眼等,是一种视频输入设备,用于实时监控;

  (5)报警器:当有人员非法进入时,用来报警,提示管理人员注意;

  (6)MCU :微控制单元(Micro Control Unit),是将计算机的CPU、RAM、ROM、定时计数器和多种I/O 接口集成在一片芯片上,形成芯片级的计算机,为不同的应用场合做不同组合控制;

  (7)电控锁:一个由继电器控制的机械锁装置,当刷卡显示信息正确时,电控锁打开,允许持卡人进入;

  (8)数据采集器:它是将条码扫描装置与数据终端一体化,带有电池可离线操作的终端电脑设备。具备实时采集、自动存储、即时显示、即时反馈、自动处理、自动传输功能。为现场数据的真实性、有效性、实时性、可用性提供了保证;

  (9)通讯接口:使用USB 转TTL 将门禁系统与电脑连接起来;

  (10)后台数据处理系统:当持卡人刷卡时,用来检测卡中信息是否正确,并将数据进行处理。

  3 系统软件设计

  3.1 智能人员管理模块

  本系统中的Access 数据库主要用于建立人员信息数据库。控制和检测程序等则用于管理数据库,执行添加、删除、保存、取消功能的为数据库管理模块,拥有方便的读卡、发卡、补卡以及回收的功能和操作方式。图3 所示是智能人员管理模块的结构图。

智能人员管理

图3 智能人员管理模块结构图

  人员信息管理难点在于人员的信息量大、出入频繁,光靠人工进行记录工作量很大,且容易出错。研究利用RFID 技术,将人员的相关信息写入电子标签中,可以实现“人- 电子标签-人员信息”完全匹配,从而实现对人员信息的动态管理。该模块的软件设计具体分为两个方面:其一是人员、人事信息的维护,与公司、工厂的人员、人事相一致,主要是保存整个公司的人员信息。人事人员信息的组织模式可以按照公司的组织结构来安排,与工厂的人事信息相对应,以各级部门为组织,记录人员的各项属性,包括姓名、工号、职位、各类权限、工作时间、休息时间、所持RFID 卡的编号等等。对人员进行厂区以及设备的访问授权的记录备案。为档案管理,实现对人员信息的增、删、改、查等一系列的信息维护;其二则是考勤管理,就是利用门禁机的记录数据,为人事部门提供考勤记录,系统可以给出考勤报表。

  3.2 模块的系统设计

  采用基于RFID 射频识别技术构建人员管理系统的基本结构,整个软件系统采用三层体系结构,最底层是数据服务层,负责数据的物理存储;中间层是应用逻辑服务层,负责实现底层数据与面向对象之间的逻辑转换、交互;最上层为系统应用层,是用户进行信息管理等日常操作的应用平台。系统构建时引入验证码技术、密码加密技术及数据备份技术,从而防止不法用户软件频繁注册、恶意攻击,同时,当系统受到攻击或其他原因丢失数据时,可以恢复原始数据,保证网站在一些人为攻击或意外情况下的相对安全。系统采取RBAC(基于角色的访问控制),以确保数据库和系统的安全性[3]。

  3.3 模块的系统配置

  整个系统服务器端采用32 位Windows XP Server 操作系统或64 位Windows Server 2003,支持虚拟内存管理,支持多任务、多进程和多线程,支持多种类型服务器配置。

  客户机采用Windows 2000/XP/ Vista/ Windows 7。

  以JSP 为前端,Oracle 数据库为后台,支持ANSI/ISOSQL-89、ANSI/ISO SQL-92 标准,支持中文汉字内码,符合双字节编码;支持主流厂商的硬件平台及操作系统平台;具有良好的伸缩性;具有良好的系统故障的容错能力;支持主流的网络协议(TCP/IP、IPX/SPX)[4] ;具有良好的开放性,支持异种数据库的互访;支持多服务器协同技术、事务处理完整性控制技术等;支持联机事务处理(Online TransactionProcessing,OLTP);开发工具容易使用、开发效率高、维护方便。

  采取Browser/Server 的访问模式,系统架设于服务器上,客户端通过浏览器接入Internet 网络连接至服务器,通过用户名密码验证进行使用。

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