基于RFID定位和人臉識別技術(shù)的院區(qū)周界系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫振楠，陸 楊

（1江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院鎮(zhèn)江分院 信息工程系，江蘇 鎮(zhèn)江212013；2鎮(zhèn)江市精神衛(wèi)生中心，江蘇 鎮(zhèn)江212013）

0 引 言

隨著信息技術(shù)的普及，醫(yī)院的信息化建設(shè)勢在必行，并且已成為醫(yī)院建設(shè)的核心所在。對于治療特殊群體的醫(yī)院來說，急需要加強(qiáng)信息化建設(shè)管理，深化安全保障環(huán)節(jié)，全面提高信息化與精細(xì)化管理水平，保證院區(qū)工作平穩(wěn)有序的開展。本文探討RFID與人臉識別技術(shù)在特殊群體醫(yī)院信息化管理中的應(yīng)用，同時探討如何利用RFID和人臉識別技術(shù)建立先進(jìn)的院區(qū)周界系統(tǒng)，進(jìn)而提出如何整合現(xiàn)有信息化設(shè)備來構(gòu)建院區(qū)安防管理體系，并提出了平臺和體系建設(shè)的保障措施，為未來普遍開展“智慧醫(yī)院”建設(shè)提供了技術(shù)保障。

1 系統(tǒng)總體方案

目前，常用的周界防范報警主要采用紅外對射、電子脈沖、張力探測等技術(shù)，用于防范邊界攀爬與穿越等行為。院區(qū)周界系統(tǒng)是針對特殊群體，采用超高頻RFID、人臉識別技術(shù)，防止其從院區(qū)內(nèi)部非法越界到院區(qū)外部，對越界行為早發(fā)現(xiàn)、早定位、早預(yù)防的邊界防范預(yù)警系統(tǒng)?；赗FID和人臉識別技術(shù)的院區(qū)周界系統(tǒng)針對院區(qū)封閉式管理的需求，密切整合院區(qū)已有信息化平臺，主要由應(yīng)用管理層、網(wǎng)絡(luò)匯聚層、傳感設(shè)備層3部分構(gòu)成，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

傳感設(shè)備層由超高頻讀寫器（UHF）、攝像頭組成，超高頻讀寫器通過RS-232通信方式與串口服務(wù)器連接，攝像頭通過TCP／IP通信方式與網(wǎng)絡(luò)匯聚設(shè)備連接。網(wǎng)絡(luò)匯聚層主要由串口服務(wù)器和具有WiFi功能的網(wǎng)絡(luò)匯聚設(shè)備組成，實(shí)現(xiàn)超高頻REID信息采集、人臉識別圖像采集功能。應(yīng)用管理層集成現(xiàn)有信息化系統(tǒng)，通過PDA實(shí)現(xiàn)超高頻RFID標(biāo)簽與病人信息綁定，PDA上設(shè)計(jì)射頻標(biāo)簽錄入系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)在內(nèi)嵌射頻標(biāo)簽的應(yīng)用手腕帶上錄入病人的具體信息。其中包括個人信息及病房信息等。應(yīng)用管理層通過對建筑物關(guān)口位置的人臉識別及超高頻RFID的周界定位，綜合實(shí)現(xiàn)防范預(yù)警功能，系統(tǒng)獲取到報警信息后進(jìn)行攝像頭人臉識別與RFID標(biāo)簽信息比對，準(zhǔn)確識別病人信息。

圖1 系統(tǒng)框架Fig.1 System frame diagram

2 系統(tǒng)硬件

系統(tǒng)在硬件上選擇使用具有RS-232與TCP／IP協(xié)議相互轉(zhuǎn)換功能的串口服務(wù)器、超高頻讀寫器、IP網(wǎng)絡(luò)攝像頭、無線路由器、交換機(jī)等設(shè)備。串口服務(wù)器提供串口轉(zhuǎn)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議功能，能夠?qū)S-232／485／422串口轉(zhuǎn)換成TCP／IP協(xié)議網(wǎng)絡(luò)接口，實(shí)現(xiàn)RS-232／485／422串口與TCP／IP協(xié)議網(wǎng)絡(luò)接口的數(shù)據(jù)雙向透明傳輸，使得串口設(shè)備能夠立即具備TCP／IP網(wǎng)絡(luò)接口功能。系統(tǒng)通過串口服務(wù)器連接超高頻讀寫器與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，擴(kuò)展串口設(shè)備的通信距離。

RFID是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，通過射頻信號自動識別目標(biāo)對象并進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)通信，可以在較為惡劣的環(huán)境下工作。RFID根據(jù)供電方式的不同可分為無源、有源與半有源的工作方式；根據(jù)工作頻率的不同，RFID標(biāo)簽可以分為低頻、高頻和超高頻。針對院區(qū)人群需要佩戴隱藏式、耐磨損強(qiáng)度高的標(biāo)簽、不需要充電等需求，系統(tǒng)選擇使用超高頻無源RFID通信方式［1］。

超高頻讀寫器通過識別無源射頻標(biāo)簽準(zhǔn)確定位及報警；IP網(wǎng)絡(luò)攝像頭記錄院區(qū)病人行動軌跡，輔助安防預(yù)警，為后期規(guī)劃安防策略提供參考依據(jù)。IP網(wǎng)絡(luò)攝像頭在傳統(tǒng)攝像機(jī)圖像捕捉功能的基礎(chǔ)上融合了網(wǎng)絡(luò)視頻技術(shù)，內(nèi)置數(shù)字化壓縮控制器和基于Web的管理系統(tǒng)。經(jīng)過壓縮加密后的視頻數(shù)據(jù)通過局域網(wǎng)、無線網(wǎng)絡(luò)、Internet上傳至服務(wù)管理層。服務(wù)管理層的人臉識別模塊根據(jù)網(wǎng)絡(luò)攝像頭的IP地址，對網(wǎng)絡(luò)攝像頭進(jìn)行訪問，實(shí)時監(jiān)控目區(qū)域內(nèi)的情況，并對圖像進(jìn)行人臉識別。

硬件設(shè)備連接示意如圖2所示。

圖2 硬件設(shè)備連接示意圖Fig.2 Schematic diagram of hardware device connection

3 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

3.1 軟件設(shè)計(jì)

院區(qū)周界系統(tǒng)軟件中包括了身份信息綁定、人臉識別、周界定位、防范預(yù)警、信息管理等模塊。

身份信息綁定模塊基于原有程序接口和PDA中RFID模塊讀寫接口，整合在院區(qū)原有的PDA病人信息管理系統(tǒng)中。PDA中RFID模塊對RFID標(biāo)簽中的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼與錯誤校驗(yàn)，檢查數(shù)據(jù)的有效性，驗(yàn)證后的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)上傳到應(yīng)用管理層。

系統(tǒng)PC端軟件包括人臉識別、周界定位、防范預(yù)警、信息管理等模塊。采用WPF用戶界面框架和MVVM開發(fā)模式，大大提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度與用戶體驗(yàn)。WPF技術(shù)以數(shù)據(jù)為核心，通過數(shù)據(jù)綁定機(jī)制，以數(shù)據(jù)變化驅(qū)動UI更新。MVVM開發(fā)模式利用WPF的數(shù)據(jù)綁定機(jī)制，最大限度地降低了UI文件和邏輯代碼文件間的耦合度。更換UI界面時，只需修改很少的邏輯代碼，大大提高了開發(fā)效率、重利用率。系統(tǒng)界面如圖3所示。

圖3 軟件工作界面Fig.3 Software working interface

系統(tǒng)開始運(yùn)行后，超高頻讀寫器、攝像頭、串口服務(wù)器等設(shè)備進(jìn)行初始化，部署在樓道和院區(qū)周界的超高頻讀寫器實(shí)時監(jiān)聽區(qū)域內(nèi)的RFID讀取情況。樓道中超高頻讀寫器讀取到RFID標(biāo)簽時，喚醒人臉識別攝像頭并調(diào)用人臉識別模塊。人臉識別模塊調(diào)用攝像頭捕捉人臉圖像，通過過濾器過濾信息，進(jìn)一步進(jìn)行人臉規(guī)范化和人臉建模，將被識別的人臉特征與數(shù)據(jù)庫中人臉特征作對比，完成人臉識別，并將識別后的結(jié)果上傳至信息管理模塊。周界超高頻讀寫器讀取到RFID標(biāo)簽時，調(diào)用周界定位模塊和防范預(yù)警模塊。超高頻讀寫器通過發(fā)射天線，發(fā)射一定頻率的射頻信號。當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入發(fā)射天線工作區(qū)域時產(chǎn)生感應(yīng)電流，標(biāo)簽獲得能量被激活；標(biāo)簽將自身編碼等信息通過天線發(fā)送出去；系統(tǒng)接收天線，接收從標(biāo)簽發(fā)送過來的載波信號，經(jīng)天線調(diào)節(jié)器傳送到讀寫器，讀寫器對接收到的信號進(jìn)行解調(diào)后，送到周界定位模塊和防范預(yù)警模塊進(jìn)行相關(guān)處理；周界定位模塊和防范預(yù)警模塊根據(jù)邏輯運(yùn)算判斷該卡的合法性，根據(jù)周界定位模塊中的周界定位計(jì)算標(biāo)簽所在位置。系統(tǒng)工作流程如圖4所示。

3.2 周界定位實(shí)現(xiàn)

根據(jù)不同的測量技術(shù)，RFID定位方法有：“到達(dá)角度（AOA）”方法、“到達(dá)時間（TOA）”方法、“到達(dá)時間差（TDOA）”方法和“接收的信號強(qiáng)度（RSSI）”方法?；诓煌亩ㄎ环椒ǎ捎貌煌亩ㄎ幌到y(tǒng)。如SAW ID-ags、LPM、RSP、LANDMARC、VIRE、Simplex、SpotON等。其中，SpotON系統(tǒng)使用的是RSSI定位法，不需要參考標(biāo)簽，支持無源標(biāo)簽定位［2］。RSSI定位法利用超高頻讀寫器檢測標(biāo)簽發(fā)出的信號強(qiáng)度R S S I值，并將R S S I值轉(zhuǎn)化為標(biāo)簽到超高頻讀寫器的距離［3］。R S S I值與距離關(guān)系公式為：

式中：P r(d)為超高頻讀寫器檢測標(biāo)簽發(fā)出的信號強(qiáng)度R S S I值；P r(d0)表示超高頻讀寫器在參考點(diǎn)d0位置接收到的RSSI值；Xσ代表平均值為0的高斯分布隨機(jī)變量，標(biāo)準(zhǔn)差范圍為4-10；d是需要計(jì)算的標(biāo)簽與超高頻讀寫器之間的距離。

圖4 系統(tǒng)報警流程Fig.4 System alarm flow

本文中的周界定位通過多個超高頻讀寫器讀取、獲取R S S I值并計(jì)算距離。通過實(shí)時計(jì)算，判斷目標(biāo)運(yùn)動方向。系統(tǒng)中周界超高頻讀寫器依次編號為：U H F a1，UH F a2，…，U H F an，對應(yīng)的R S S I值為：R S S I a1，R S S I a2，…，R S S I an。 根據(jù)周界部署的超高頻讀寫器對標(biāo)簽距離的計(jì)算，由R S S I值集合（R S S I a1，R S S I a2，…，R S S I an）可得到距離D集合（D a1，D a2，…，D an）。周界定位根據(jù)距離D的排序及D a1，D a2，…，Dan的變化，判斷目標(biāo)移動方向。例如，t0時刻R S S I值不為零的U H F a3、U H F a4、U H F a5的標(biāo)簽距離關(guān)系是D a3＞D a4＞D a5；t1時刻D a3減小、D a4增加、D a5增加，t2時刻同樣是D a3減小、D a4增加、Da5增加，則目標(biāo)沿著U H F a3、U H F a4、U H F a5方向移動。

4 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)方案認(rèn)證與運(yùn)行測試工作在鎮(zhèn)江市精神衛(wèi)生中心的參與下完成。設(shè)計(jì)方案對院區(qū)現(xiàn)有的監(jiān)控、門禁系統(tǒng)進(jìn)行了改造，充分考慮到院區(qū)原有的安防系統(tǒng)實(shí)情，整合了院區(qū)原有的信息化平臺。測試人員使用PDA將個人信息及病房信息與無源RFID手環(huán)綁定，根據(jù)病區(qū)、區(qū)域、樓層、院區(qū)等多層次報警需求進(jìn)行了綜合測試，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)管、定位、報警等功能。在院區(qū)主要出入口、重要區(qū)域、重點(diǎn)部門增加人臉識別設(shè)備，有效的辨識測試人員，降低人員屢次外出的機(jī)率，提升了安全系數(shù)。

在超高頻讀寫器的部署上，特別注意了樓道、窗口以及危險區(qū)域的放置，在不影響院區(qū)日常工作的情況下，保證了人員安全。測試過程中，對方案做了進(jìn)一步的優(yōu)化，后期將在主要出入口采用質(zhì)量較好的防火設(shè)施，加裝防雷電模塊，保護(hù)系統(tǒng)硬件設(shè)備。

5 結(jié)束語

本文基于RFID技術(shù)和人臉識別技術(shù)在醫(yī)院信息管理中的應(yīng)用，結(jié)合院區(qū)信息化建設(shè)現(xiàn)狀，構(gòu)建了基于RFID技術(shù)和人臉識別和的院區(qū)周界防范系統(tǒng)。整合了院區(qū)現(xiàn)有信息化管理平臺及體系，提出了基于RFID技術(shù)和人臉識別的院區(qū)人員安全管理信息化對策與建議。尤其是利用RFID技術(shù)的自動感知，將RFID定位技術(shù)應(yīng)用到特殊人群的院區(qū)復(fù)雜環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)人員的實(shí)時跟蹤與管理，對院區(qū)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)+醫(yī)療的探索與研究提供了具有參考價值的技術(shù)路線。