基于RFID的物聯(lián)網(wǎng)自動監(jiān)控識別系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)

王玉麗

摘要：某企業(yè)有嚴格的員工出入管理要求，且在不同的區(qū)域只能穿戴特定種類的防靜電鞋，該企業(yè)現(xiàn)以人工辨別鞋子顏色的管理方法遠遠不能達到企業(yè)的管理需求。針對這種情況，提出一種基于RFID的物聯(lián)網(wǎng)自動監(jiān)控系統(tǒng)方法。該方法通過綁定電子標簽與員工的靜電鞋，消除標簽抖動策略，將人員流動的實時信息傳送到物聯(lián)網(wǎng)中，觸發(fā)后臺服務(wù)器等硬件設(shè)備的一系列響應(yīng)，以達到人員實時管理的目的。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)有效地滿足了人員實時管理的需求，提高了自動識別率，增強了企業(yè)實時管理的水平。

關(guān)鍵詞：RFID；物聯(lián)網(wǎng)；自動監(jiān)控

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）14-0164-02

隨著社會的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)[1]的運用越來越廣泛，深入到生活、工業(yè)和科學研究的各個角落，被認為是繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)之后，世界信息產(chǎn)業(yè)的第三次浪潮[2][3]。隨著無線射頻識別（Radio Frequency Identification，簡稱RFID）和電子標簽[4]技術(shù)的發(fā)展，RFID在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用也越來越廣泛。

RFID是一種非接觸的自動識別技術(shù)，典型的RFID系統(tǒng)至少包含電子標簽（Tag）和閱讀器（Reader）、應(yīng)用支撐系統(tǒng)三部分組成。RFID標簽與閱讀器之間進行無線通信的頻段有多種，其中超高頻860～960MHz，非常適合長距離0～3.5M～35M之間距離的識別，且多重標簽識別性能最突出。

1 基于RFID的自動監(jiān)控識別系統(tǒng)需求分析

現(xiàn)有某企業(yè)廠區(qū)分為：辦公區(qū)、衣帽間、車間、包裝車間等多個區(qū)域，公司有嚴格的人員出入管理要求。特定員工只能在指定的區(qū)域穿戴指定的靜電鞋出入，如果靜電鞋穿戴錯誤系統(tǒng)必須給出報警提示。本文從企業(yè)人員管理的實際需求出發(fā)，設(shè)計了一套企業(yè)員工出入管理的自動識別監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)需要實現(xiàn)的核心功能包括：

1）門禁控制，人員在進入每一個區(qū)域時，都要有刷卡門禁控制，不同的區(qū)域門禁方式不同。

2）靜電鞋識別，人員在出入特定的不同區(qū)域時，自動識別出所穿戴的靜電鞋類型，以及靜電鞋種類是否正確。

3）語言播報與短信提醒，當某區(qū)域內(nèi)靜電鞋種類錯誤時要有實時報警處理和語音提醒功能，相關(guān)區(qū)域管理人員收到實時短信提醒。

4）區(qū)域監(jiān)控，公司的主管在辦公室內(nèi)能實時監(jiān)控各個區(qū)域的人員流動情況，并能查看員工的歷史出入和靜電鞋穿戴情況等。

2 總體設(shè)計

系統(tǒng)的總體設(shè)計方案如下：

1）每個門上安裝門禁控制系統(tǒng)，并采用滾閘門形式，有權(quán)限者方能通過且每次門禁僅限過一人。門禁控制采用RFID門禁控制。

2）在每只靜電鞋都加裝RFID電子標簽，加裝的RFID標簽為無源超高頻RFID柔性標簽（INLAY），頻段為915MHZ，工作方式是被動方式，即不主動發(fā)送信息，只被動應(yīng)答。當加裝有電子標簽的靜電鞋進入RFID讀頭區(qū)域時，響應(yīng)RFID讀頭的讀寫命令。

3）在每個門禁處安裝RFID讀頭，RFID讀頭選用深圳市阿法迪科技有限公司AFD-8200超高頻四通道讀寫器（讀寫器與標簽配套），支持TCP/IP網(wǎng)絡(luò)、串行口等多種接口。讀頭有四路天線，分別安裝在門內(nèi)外，自動識別RFID電子標簽。RFID讀寫器，通過有線網(wǎng)絡(luò)形式聯(lián)入局域網(wǎng)，支持TCP/IP協(xié)議。

4）在門禁處安裝語音播報控制和警報響應(yīng)設(shè)備，實時進行警報響應(yīng)或語音提醒，語音模塊采用智能語音合成模塊，通過有線網(wǎng)絡(luò)形式聯(lián)入局域網(wǎng)，支持TCP/IP協(xié)議。

5）選取中心機房內(nèi)的連接在局域網(wǎng)中服務(wù)器作為應(yīng)用程序部署的服務(wù)器，通過USB接口連接短信貓模塊，在某區(qū)域內(nèi)發(fā)現(xiàn)有違規(guī)時，將違規(guī)信息通過短信發(fā)送到指定號碼。

3 Web系統(tǒng)的設(shè)計

在服務(wù)器上設(shè)計部署一個web系統(tǒng)。系統(tǒng)管理員通過IE瀏覽器進行系統(tǒng)配置，分配人員權(quán)限，設(shè)置靜電鞋所到區(qū)域的權(quán)限，配置短信接收號碼，查看相關(guān)信息（實時監(jiān)控到各個區(qū)域的人員流動情況、員工的歷史出入記錄等）。普通用戶通過IE瀏覽器查看相關(guān)日志信息。

系統(tǒng)在運行前，需要將電子標簽和靜電鞋進行綁定，并定期對電子標簽進行檢查或更換維護。電子標簽數(shù)據(jù)的初次采集，通過生產(chǎn)廠商提供的RFID桌面讀頭（用于近距離探測）和配套軟件進行標簽信息的采集。為了方便靜電鞋的識別，在數(shù)據(jù)入庫時靜電鞋的信息應(yīng)盡量完備，包括：唯一編號、名稱、類型ID、RFID標簽號1、標簽號2、首次使用時間、使用壽命、所屬員工ID、當前所在區(qū)域ID、描述信息、更新時間等，靜電鞋上還需添加人工識別編號。

Web系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫設(shè)計表格包括： 部門/員工信息表、區(qū)域表、區(qū)域報警短信發(fā)送人員關(guān)聯(lián)表、靜電鞋信息/類型表、區(qū)域和鞋子的出入動作權(quán)限表、系統(tǒng)參數(shù)信息表、設(shè)備信息/類型表、鞋子出入?yún)^(qū)域日志記錄表、短信模板表、短信發(fā)送記錄表、基于角色的權(quán)限管理系列表格等。

4 后臺監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

在局域網(wǎng)服務(wù)器上部署后臺監(jiān)控程序，它負責接收與處理 RFID讀頭接收到的數(shù)據(jù)。當穿戴靜電鞋的員工通過門禁時，在讀頭識別范圍內(nèi)，讀頭將識別到的RFID電子標簽數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給后臺監(jiān)控程序，監(jiān)控程序根據(jù)標簽數(shù)據(jù)到達的先后順序，進行邏輯判斷自動識別出/入門動作，同時根據(jù)預先設(shè)置好的靜電鞋標簽的出入權(quán)限，判斷出員工穿戴的靜電鞋是否正確，經(jīng)過數(shù)據(jù)過濾和分析后，向后臺數(shù)據(jù)庫中插入日志。如果檢測到違規(guī)信息，則發(fā)送語音信息到門禁語音控制設(shè)備，控制播報并發(fā)送短信。后臺周期性地與各個讀頭交互數(shù)據(jù)，探測讀頭是否工作正常，當有讀頭不正常時及時警報提醒。

后臺監(jiān)控程序使用多線程技術(shù)實現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收發(fā)和邏輯處理分別為獨立的線程。后臺監(jiān)控程序的實現(xiàn)主要包括：

1）網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收發(fā)功能。該功能通過Socket編程實現(xiàn)。由于每扇門上安裝有一個讀寫器，每個讀寫器有一個IP和端口號，因此每個讀寫器對應(yīng)一個Socket，通過獨立線程完成各自的數(shù)據(jù)收發(fā)。

2）數(shù)據(jù)幀提取，從網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流中獲取到符合格式要求的數(shù)據(jù)幀。標準數(shù)據(jù)幀為30字節(jié)，有規(guī)定的幀頭和幀尾，不符合要求的按指定規(guī)則進行緩沖或拋棄。

3）動作判斷，根據(jù)標簽數(shù)據(jù)到達的先后順序，解析出進或出門動作，并向數(shù)據(jù)庫插入指定信息。

后臺監(jiān)控程序中，各個Socket線程接收到的數(shù)據(jù)，都要經(jīng)過一定的預處理后放入一個全局的哈希表中供數(shù)據(jù)處理線程統(tǒng)一處理。數(shù)據(jù)處理線程將維護兩個隊列：待處理數(shù)據(jù)隊列和待刪數(shù)據(jù)隊列，循環(huán)處理哈希表中的數(shù)據(jù)并進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫操作，其中數(shù)據(jù)處理主線程工作流程為：開始-〉準備并初始化待處理數(shù)據(jù)隊列和待刪數(shù)據(jù)隊列-〉遍歷哈希表，根據(jù)鞋子操作對象處理狀態(tài)加入相應(yīng)隊列-〉待處理隊列處理流程-〉刪除隊列處理流程-〉休眠10毫秒-〉重復執(zhí)行上述流程。

5 標簽抖動消除策略

在RFID應(yīng)用系統(tǒng)中，不可避免地會遇到“標簽抖動”問題?！皹撕灦秳印敝钢恍枰x取到一個電子標簽時，卻檢測到多個電子標簽，或者在某一時間段內(nèi)，讀取到的電子標簽數(shù)大于一個。系統(tǒng)主要通過以下策略來消除標簽抖動：

1）采用的硬件提供了基本的過濾策略，即短時間內(nèi)頻繁檢測到同一標簽，發(fā)送重復數(shù)據(jù)的時間間隔可以調(diào)整，這在一定程度上避免了大量重復數(shù)據(jù)的出現(xiàn)。

2）系統(tǒng)的操作主體是靜電鞋，每雙靜電鞋擁有一對標簽，任意一個標簽被檢測到，即認為該鞋被檢測到，同一對標簽的數(shù)據(jù)在2s之內(nèi)重復出現(xiàn)，視為“標簽抖動”，直接拋棄。

3）系統(tǒng)為存儲在哈希表中的數(shù)據(jù)都設(shè)置了過期時間，逾期數(shù)據(jù)將被刪除。正常處理完畢的數(shù)據(jù)，不是立刻刪除的，而是插入數(shù)據(jù)庫后設(shè)置為2s之后過期。這在一定程度上消除了一個進出門動作，引發(fā)多條數(shù)據(jù)的情況發(fā)生。且不完整的動作將會因過期被刪除。

通過以上的過濾策略，穩(wěn)定的過濾了不需要處理的標簽及其相關(guān)信息，保證了標簽觸發(fā)事件的準確性。達到了穩(wěn)定讀取、準確處理的目的。

6 結(jié)語

本文從實際需求和功能出發(fā)，設(shè)計了基于RFID物聯(lián)網(wǎng)的自動監(jiān)控識別系統(tǒng)，系統(tǒng)分為硬件和軟件兩部分：硬件采用適用于長距離識別的超高頻RFID設(shè)備，軟件包括用于底層監(jiān)控程序和WEB應(yīng)用平臺。底層后臺監(jiān)控系統(tǒng)主要用于RFID數(shù)據(jù)接收/解析、數(shù)據(jù)入庫、消息發(fā)送、與硬件監(jiān)控設(shè)備相連響應(yīng)等；WEB應(yīng)用平臺主要是實現(xiàn)查看跟蹤系統(tǒng)，實現(xiàn)標簽維護、監(jiān)控區(qū)域人員流動情況等，最后采用了標簽抖動消除策略，提升了電子標簽自動識別的精確性。系統(tǒng)目前已投入實際使用，打破了企業(yè)傳統(tǒng)的監(jiān)控管理模式，幫助企業(yè)構(gòu)建了不同廠區(qū)人員流動監(jiān)控的主動反饋機制，實現(xiàn)了實時采集、監(jiān)控、分析數(shù)據(jù)，降低了企業(yè)的運營成本，提高了工作效率。

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