有源RFID定位算法在槍支管理系統(tǒng)中的創(chuàng)新應(yīng)用研究

舒煜，伍江，李東輝，曠惠瑩

（貴州師范大學(xué)，貴州 貴陽 550000）

有源RFID定位算法在槍支管理系統(tǒng)中的創(chuàng)新應(yīng)用研究

舒煜，伍江，李東輝，曠惠瑩

（貴州師范大學(xué)，貴州 貴陽 550000）

對任何一個涉及槍械使用的單位而言，槍支的有效管理是社會穩(wěn)定的關(guān)鍵之一，并且信息數(shù)字化作為國內(nèi)武器裝備的發(fā)展方向，傳統(tǒng)的槍支管理系統(tǒng)一直在被不斷地更新。本文基于現(xiàn)有RFID近場通信的三邊定位算法及RSSI值距離測算，著重對槍支的動態(tài)管理進行分析與創(chuàng)新研究。

槍支管理系統(tǒng) 有源RFID 三邊定位算法 RSSI值測距

1 由國內(nèi)外槍械庫得到的啟示

1.1 槍械庫調(diào)研引發(fā)的思考

通過為期2個月對貴州省黔南地區(qū)都勻槍械庫及其他10處槍械庫的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前貴州及西南地區(qū)乃至全國范圍內(nèi)，不少地區(qū)的槍庫管理工作依舊以傳統(tǒng)紙質(zhì)記錄方式為主。這造成槍械管理工作存在以下幾個不足之處：

（1）槍支的錄入、取出、取槍人員登記及槍支的盤點等都是依靠管理員手動記錄，工作量繁雜、效率不高且存在極大的出錯可能性；

（2）紙質(zhì)文件不易備份，因為用槍 記錄需要保存；

（3）應(yīng)急功能差，需要查閱槍支取用情況，調(diào)取相對困難；

（4）安全性低，由于紙質(zhì)卡片式的持槍證容易仿冒，存在持槍證信息被盜用的風(fēng)險。

由此可見，未做到信息化的槍械管理體系存在諸多弊端。

但更為重要的是，對于配槍出警人員來說，用槍人員的槍支在使用過程中的不可測狀況——槍支脫離用槍人員，才是槍支使用過程中最大的潛在風(fēng)險。近幾年諸如此類的情況時有發(fā)生。所以，如何有效實時地監(jiān)測槍支在外使用情況，也是用槍單位必須深思的問題。

基于上述調(diào)研可知，目前的現(xiàn)狀必須得到改善，故貴州江月興科技有限公司相關(guān)研究人員與貴州省都勻市黔南州公安信息部門建立共建關(guān)系。本文將重點對槍支管理系統(tǒng)中測距及定位的算法進行研究。

1.2 國外軍械設(shè)備管理及相關(guān)文獻給予的啟示

在國外，由于現(xiàn)代化戰(zhàn)爭的刺激，其軍械裝備的管理不論是從技術(shù)角度還是管理思路上都已經(jīng)趨于成熟。特別是對于存在野外操作的軍械裝備，已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字化無線傳導(dǎo)，實現(xiàn)其裝備的野外跟蹤、信息交互及遺落搜尋等。2003年伊拉克戰(zhàn)爭之后，RFID技術(shù)在國外軍械裝備的應(yīng)用越來越廣泛，美國軍隊層多次將這種射頻識別技術(shù)應(yīng)用于各類物資資源的傳輸監(jiān)控中。在目前歐美軍械庫高度發(fā)達的國家中，其后勤管理倉庫中95%的設(shè)備都被附著并登記有這種射頻標簽，以此來有效監(jiān)管倉庫內(nèi)的設(shè)備。

同時，通過閱讀大量RFID相關(guān)文獻發(fā)現(xiàn)，槍械管理的初步信息化已經(jīng)有所實現(xiàn)，但只限于庫內(nèi)的簡單靜態(tài)監(jiān)管，而對槍支的具體位置分析及動態(tài)監(jiān)控的研究尚不多見。故本文擬在傳統(tǒng)靜態(tài)庫內(nèi)槍械管理的基礎(chǔ)上，利用成熟的RFID技術(shù)及相關(guān)定位算法，重點對槍支管理中薄弱的位置信息管理進行探究。

2 相關(guān)技術(shù)理論及應(yīng)用

2.1 有源RFID近場通信技術(shù)

RFID（Radio Frequency Identification），即無線射頻技術(shù)，是指通過無線射頻，以非接觸方式對目標物體進行識別并獲取相關(guān)信息。

從理論角度來說，一個成熟的RFID識別系統(tǒng)主要由電子標簽、閱讀器及天線組成。但是考慮到槍械在使用過程中會遇到陰暗等極端情況，所以在電子標簽的設(shè)計中加入了LED發(fā)光環(huán)，具體如圖1所示。

圖1 RFID識別系統(tǒng)組成示意圖

其中，閱讀器（解讀器）通過天線發(fā)出一定頻率的射頻信號，當(dāng)附著于目標物體上的電子標簽進入信號范圍之內(nèi)，主動發(fā)出（即為有源）存儲于電子標簽內(nèi)的可用信息至閱讀器，閱讀器接收并解碼后，以無線傳輸?shù)姆绞剿椭林醒胄畔⑾到y(tǒng)進行處理，如圖2所示：

圖2 電子標簽與閱讀器之間的信息傳輸

在本文中，槍庫內(nèi)所有槍支均附著有電子標簽且閱讀器與后端服務(wù)器實現(xiàn)有線/無線連接。利用閱讀器對電子標簽的監(jiān)控，實現(xiàn)后端管理人員對槍支及用槍人員的監(jiān)控。

2.2 定位算法應(yīng)用及RSSI值應(yīng)用

（1）基于三邊測量的定位算法及應(yīng)用

1）具體算法

在RFID無線近場通信網(wǎng)絡(luò)中，通常使用的坐標是二維的，因此可以設(shè)3個錨節(jié)點坐標分別為（X1,Y1）、（X2,Y2）、（X3,Y3），未知點的坐標設(shè)為（X,Y)，其與3個錨節(jié)點的距離分別是R1、R2、R3。則根據(jù)二維坐標系距離公式可以得到如下方程組：

利用極大似然法求解未知點坐標（X,Y)，可計算節(jié)點位置為：

2）應(yīng)用

此算法適用于槍支在槍械庫內(nèi)的位置監(jiān)控，擬在槍庫內(nèi)建立3臺靜態(tài)閱讀器，每只閱讀器與后端服務(wù)器以有線網(wǎng)絡(luò)方式進行連接。利用三邊測量的定位算法及3臺閱讀器與電子標簽之間的位置關(guān)系，對槍支進行監(jiān)控管理。

經(jīng)調(diào)研可知，每支槍在槍庫中的位置是既定的，利用該方法可對槍庫內(nèi)槍支進行精確定位。若槍支錯放、移動或超過閱讀器所覆蓋范圍（即無故出庫），數(shù)據(jù)都會傳輸至服務(wù)器并通過計算檢測出，以此來監(jiān)控槍支在庫里的安全狀況。

（2）利用RSSI值測算距離及應(yīng)用

1）具體算法

RSSI值（Received Signal Strength Indication），即接收信號的強度指示，其用來判定連接雙方的連接質(zhì)量。在本文中，RSSI值指的是RFID電子標簽和閱讀器之間的信號強弱。

通常，RSSI值與距離d之間的關(guān)系由自由空間損耗模型表示為：

其中，d為電子標簽與閱讀器之間的距離，其為一隨機變量；k是信號傳輸常數(shù)，與信號傳輸環(huán)境有關(guān)，其取值范圍為2至5；當(dāng)d=1m時，A為讀卡器接受到電子標簽的RSSI值。

由于環(huán)境等因素導(dǎo)致的信號不穩(wěn)定甚至是信號跳變的情況，那么在短時間內(nèi)電子標簽與閱讀器之間的RSSI值不一定很準確，這樣會導(dǎo)致距離d的測算也不會準確。

本文利用閱讀器在0.1s內(nèi)能接受3次同一電子標簽數(shù)據(jù)這一特點，計算短時間內(nèi)（約1s）多次RSSI值大小由此推算出該時間內(nèi)多次距離值d，并根據(jù)迪克遜檢驗法來處理距離值d，以提高距離值的精確度。算法如下：

◆在公式（3）的基礎(chǔ)上，將采集的距離值d由小到大排序有：X1＜X2＜X3＜...＜Xn；其中n為所有距離值（包括異常值）。

◆取統(tǒng)計檢驗的顯著水平a=0.05，以此檢驗異常值，并由(a,n)及迪克遜臨界值檢驗表確定臨界值D(a,n)。

◆判斷Xn、X1是否異常：計算Xn-Xn-1、X2-X1、Dn=(Xn-Xn-1)/(Xn-X1)、D1=(X2-X1)/(Xn-X1)。則Dn與D1之間較大者與D(a,n)比較，若Dn較大且Dn＞D(a,n)時，Xn為異常值，應(yīng)舍去，否則保留。

◆除去Xn和X1，將剩余距離值重新由小到大排序，并重復(fù)上面的過程，直至檢出所有異常值。

◆最終將剩余的正常距離值求幾何平均數(shù)，即為讀卡器收到電子標簽的最精確距離值d。

2）應(yīng)用

和以往的RFID應(yīng)用相比較而言，本文利用電子標簽與閱讀器之間的距離關(guān)系來代表槍支與用槍人員之間距離的大小，以此判斷槍支是否正常使用。

通過調(diào)研得知，目前閱讀器設(shè)備已經(jīng)可以集成化至便攜式，成為一般警務(wù)人員外載移動終端設(shè)備。由無線網(wǎng)絡(luò)傳輸如3G/4G網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)與后端服務(wù)器的連接，電子標簽附著于槍支，通過服務(wù)器將實時數(shù)據(jù)進行距離測算來監(jiān)測槍支與警務(wù)人員之間的位置關(guān)系。

3 功能設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 功能設(shè)計

通過調(diào)研得知，對于傳統(tǒng)槍支管理，包括出入庫查詢管理、登記注冊管理及庫房內(nèi)視頻監(jiān)控等都是針對槍支在槍庫內(nèi)的靜態(tài)及簡單用槍人員的管理，在功能上未能實現(xiàn)對槍支在使用過程中的監(jiān)管及報警處理。故本文在模擬中增加了槍支在庫位置管理及報警、槍支在使用過程中與用槍人員的位置關(guān)系及槍支脫離報警管理。通過RFID工具集成及2.2中的算法，實現(xiàn)對槍支使用過程的動態(tài)管理。

圖3是對用槍單位槍械管理的功能設(shè)計示意圖。

3.2 界面模擬

本文中前端界面的開發(fā)采用Bootstrap開源前端開發(fā)的工具包，MySQL作為后臺數(shù)據(jù)庫?？紤]到篇幅問題，本文在這里并未提供部分可視化模擬界面，但主要頁面由登陸頁面、系統(tǒng)主頁面、主頁面下的各個子頁面組以及各種警告框、信息輸入框、信息提示框組成。

（1）傳統(tǒng)功能界面

圖3 槍支管理系統(tǒng)整體功能示意圖

傳統(tǒng)界面包括了中控模擬界面、主系統(tǒng)界面、模塊管理菜單、查詢頁面等。由于這些界面在以往的槍械管理系統(tǒng)中已經(jīng)實現(xiàn)，故只對部分實現(xiàn)功能做應(yīng)用型介紹（比如基于定位算法下的槍支測距應(yīng)用）。圍繞國家對槍械的管理法規(guī)，基本管理模塊主要包括人員信息、槍支信息、槍支與人員匹配信息、查詢統(tǒng)計、電子持槍證注冊及注銷、槍支出入庫時間及相應(yīng)人員、槍型等信息。

（2）基于三邊定位算法及RSSI值測距應(yīng)用

在2.2中，已經(jīng)討論了三邊定位算法及利用RSSI值測距在槍械管理中的應(yīng)用問題。

1）三邊定位算法定位的模擬

針對槍械庫中槍支定位管理進行模擬。

由調(diào)研信息可知，一般情況下，槍械庫面積可達40m2左右，而1只普通閱讀器（如型號為NRP-R820及W-R808等）的最精準有效覆蓋范圍在15m左右（讀寫范圍可調(diào)整），那么采用3只閱讀器去覆蓋整個槍械庫則覆蓋區(qū)域如圖4所示。

圖4中，（x1, y1）、（x2, y2）及（x3, y3）為3只閱讀器安置點，對槍支O（x0, y0）進行位置監(jiān)控。

通過試驗，安裝的3只閱讀器于40m2的庫內(nèi)，每只閱讀器讀寫半徑調(diào)整為15m。將1支附有電子標簽并且已經(jīng)登記入庫的槍支置于庫外，通過直角坐標系模擬（如圖5所示），其中A、B、C這3點為閱讀器位置，O為槍支置放點。

圖4 3只閱讀器所覆蓋范圍示意圖

圖5 直角坐標系位置模擬

后臺服務(wù)器根據(jù)閱讀器實時傳輸?shù)臄?shù)據(jù)及2.2中的算法可知，此時無法計算出已歸庫槍支的位置信息。這表明該槍支雖然登記入庫，但已經(jīng)超出信號覆蓋范圍，則系統(tǒng)自動彈出對話框并報警警示。

2）RSSI值測距的模擬

對槍械使用過程中槍支與用槍人員之間的距離進行模擬。

由于目前讀寫器的高度集成，所以每位配槍出警人員身上可佩戴1只便攜式閱讀器，以對相應(yīng)的槍支進行監(jiān)控，數(shù)據(jù)可通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至后端服務(wù)器。通過對讀寫器廠商的調(diào)研可知，目前可用的便攜佩戴式讀寫器型號為AD-1832、W-R100及AD-1705等。

經(jīng)數(shù)據(jù)提取，對后端服務(wù)器通過閱讀器與電子標簽在1s內(nèi)所測定的10次距離值d的數(shù)據(jù)進行分析，即對10.000 4、10.000 4、10.000 5、10.000 3、10.000 6、10.000 6、10.000 5、10.000 5、10.001 2、10.000 7這10次所測數(shù)據(jù)用2.2中的算法進行計算可知：此時槍支與用槍人員之間的距離值為10.0004m。

考察實際測量得知，槍支距離用槍人員所配閱讀器的最大距離為0.7m，若距離超過0.7m，則認為槍支脫離用槍人員，視為非安全用槍。

故由服務(wù)器測算可知，此時已是非安全用槍，后端服務(wù)器也會彈出相應(yīng)對話框報警。

4 結(jié)束語

與以往的研究相比較，本文將RFID技術(shù)相關(guān)算法應(yīng)用于槍支的位置管理中，突破了原有理論及系統(tǒng)模型中僅僅對槍庫中的槍支等武器設(shè)備進行定點式靜態(tài)管理的瓶頸。本文研究的方法不僅能對槍支進行出入庫管理，而且還能對其具體位移作出較為精準的反映，有利于出庫槍支定位和信息反饋，提高了對槍械設(shè)備的動態(tài)管控能力。

使用文中算法對室內(nèi)外的定位進行研究，希望對該領(lǐng)域的傳統(tǒng)理論模式作出補充，能給該相關(guān)研究領(lǐng)域提供一種思路，旨在豐富該管理系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)。鑒于各位學(xué)者專家對該領(lǐng)域的研究還在持續(xù)進行，同時對RFID在槍支管理中的應(yīng)用研究也在不斷深入，相信更加突出的理論以及更加新穎的模型將會提出。

本文所探討的方法需要通過實踐來驗證及完善，希望所討論的內(nèi)容能夠?qū)屩Ч芾懋a(chǎn)生積極的影響。

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舒煜：碩士畢業(yè)于貴州師范大學(xué)，研究方向為信息系統(tǒng)管理，現(xiàn)任貴州江月興科技集團項目經(jīng)理，發(fā)表論文多篇。

伍江：畢業(yè)于貴州民族大學(xué)，現(xiàn)任貴州江月興集團技術(shù)總監(jiān)，曾參與E市街平臺開發(fā)、677網(wǎng)校網(wǎng)站開發(fā)等項目。

李東輝：碩士畢業(yè)于貴州師范大學(xué)，現(xiàn)任職于貴州江月興科技集團，研究方向為信息系統(tǒng)管理。

曠惠瑩：碩士畢業(yè)于貴州師范大學(xué)，現(xiàn)任職于貴州江月興科技集團，研究方向為空港信息流通管理，發(fā)表學(xué)術(shù)論文多篇。

Innovative Application Research on Active RFID Localization Algorithm in Gun Management System

SHU Yu, WU Jiang, LI Dong-hui, KUANG Hui-ying
(Guizhou Normal University, GuiYang 550000, China)

For every institution involving gun, effective gun management is the one of vital factors to maintain society stable. As information digitization is also the development direction of domestic weaponry, traditional gun management system has constantly been updated. Based on existing trilateral localization algorithm of RFID near field and received signal strength indicator (RSSI) ranging, dynamic gun management system was analyzed and innovatively researched.

gun management system active RFID trilateral localization algorithm RSSI ranging

10.3969/j.issn.1006-1010.2015.10.012

TN02

A

1006-1010(2015)10-0061-05

舒煜,伍江,李東輝,等. 有源RFID定位算法在槍支管理系統(tǒng)中的創(chuàng)新應(yīng)用研究[J]. 移動通信, 2015,39(10): 61-65.

2015-03-05

責(zé)任編輯：劉妙 liumiao@mbcom.cn