基于無線通信技術(shù)智能工卡系統(tǒng)的開發(fā)

張馨予 ，李季 ，王曉楠 ，張大奎 ，鄒旭

（1.鞍鋼化學(xué)科技有限公司，遼寧 鞍山 114021；2.鞍鋼建設(shè)集團有限公司設(shè)計研究院，遼寧 鞍山 114033）

在施工生產(chǎn)過程中，減少安全事故會提高企業(yè)的經(jīng)濟效益，是企業(yè)良性發(fā)展的保障。智能科技的發(fā)展為施工生產(chǎn)安全管理提供了技術(shù)保障。近幾年，國內(nèi)施工中的深圳地鐵、舟山金塘鐵塔、上海體育館等多個大型項目以及生產(chǎn)中的中國化工集團公司、中國藍星集團等多家企業(yè)都采用了最基礎(chǔ)的人員定位系統(tǒng)來保證安全，并取得了初步成效，不少高危礦下工作也早就使用了無線通信定位技術(shù)。

智能工卡系統(tǒng)以人員定位系統(tǒng)為核心，將施工生產(chǎn)現(xiàn)場所有管控技術(shù)整合，通過實時定位、監(jiān)控、監(jiān)測，可隨時在系統(tǒng)上報警，使用科技的手段，簡單、穩(wěn)定、可靠地防范風(fēng)險，實時、智能、主動地化解風(fēng)險。為了全面優(yōu)化鞍鋼施工生產(chǎn)安全，達到降低安全事故發(fā)生概率的目的，開展了智能工卡系統(tǒng)技術(shù)可行性研究，分析了不同種類定位系統(tǒng)的特點，開發(fā)了適用于鞍鋼的智能工卡系統(tǒng)，并對未來發(fā)展提出展望，本文對此做一介紹。

1 智能工卡系統(tǒng)技術(shù)可行性研究

1.1 通信系統(tǒng)模型簡述

圖1為一種通信系統(tǒng)簡化模型［1］。

圖1 一種通信系統(tǒng)簡化模型Fig.1 One Simplified Model for Communication System

在發(fā)送端，信息源的作用是把各種可能的消息轉(zhuǎn)換成原始的電信號。為了使原始的信號適合在信道中傳輸，由發(fā)送設(shè)備對原始信號完成某種變換，然后再送入信道。信道指信號的傳輸通道。在接收端，接受設(shè)備的功能與發(fā)送設(shè)備相反，它能從接收信號中恢復(fù)出相應(yīng)的原始信號，而受信者是將復(fù)原的原始信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的消息。噪聲源是信道中的噪聲及分散在通信系統(tǒng)其他各處噪聲的集中表示。

1.2 無線定位通信技術(shù)對比和選擇

目前，主流無線定位通信技術(shù)有GPS（全球定位系統(tǒng)）、基站定位、Wi-Fi（無線保真）、藍牙、RFID（射頻識別）、地磁、NFC（近場通信）、陀螺儀等。 主流無線定位通信技術(shù)對比如表1所示。

表1 主流無線定位通信技術(shù)對比Table 1 Comparison of Mainstream Wireless Positioning Communication Technologies

施工生產(chǎn)定位技術(shù)中，GPS雖然已經(jīng)非常成熟，但衛(wèi)星定位信號無法穿透建筑物實現(xiàn)室內(nèi)定位，是其關(guān)鍵弊端。進行室內(nèi)施工生產(chǎn)時，需要室內(nèi)定位的無線通信技術(shù)、傳感器識別技術(shù)、大數(shù)據(jù)互聯(lián)技術(shù)及物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的支撐。綜合上述對比研究，選擇中低成本的Wi-Fi、藍牙和RFID作為定位技術(shù)依托的定位系統(tǒng)。

2 無線通信定位系統(tǒng)特點

2.1 Wi-Fi定位系統(tǒng)

Wi-Fi是一種可以將個人計算機、手持設(shè)備等終端，以無線方式連接的技術(shù)，目前已經(jīng)更新到第6代［2］。每個無線AP（無線訪問接入點）都有一個全球唯一的MAC（媒體訪問控制）地址，且通常無線AP在一段時間內(nèi)不會移動。設(shè)備在開啟Wi-Fi的情況下,當(dāng)終端設(shè)備用戶進入具有Wi-Fi信號的區(qū)域 （如圖2所示，A/B和C三個信號源與用戶進行信息交互），即可掃描并收集周圍的AP信號,無論周圍的AP信號是否加密、是否已連接，甚至周圍的AP信號強度不足以顯示在無線信號列表中,都可以獲取到AP廣播出來的MAC地址。設(shè)備將這些能夠標(biāo)示AP的數(shù)據(jù)發(fā)送到位置服務(wù)器,服務(wù)器檢索出每一個AP的地理位置,并結(jié)合每個信號的強弱程度,計算出設(shè)備的地理位置并返回到用戶設(shè)備 （如圖3所示）。由于無線AP不像基站塔那樣100%不會移動，位置服務(wù)商需不斷更新、補充自己的數(shù)據(jù)庫,以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

圖2 Wi-Fi定位系統(tǒng)1Fig.2 Positioning System 1 for Wi-Fi

圖3 Wi-Fi定位系統(tǒng)2Fig.3 Positioning System 2 for Wi-Fi

Wi-Fi定位系統(tǒng)的優(yōu)勢在于總精度較高、硬件成本低、傳輸速率高，可應(yīng)用于復(fù)雜的大范圍定位、監(jiān)測和追蹤任務(wù)；但是由于Wi-Fi定位系統(tǒng)一般采用星型拓撲結(jié)構(gòu)，所以存在傳輸距離較短、功耗較高的缺點。根據(jù)這項技術(shù)的優(yōu)缺點，Wi-Fi定位適用于對人或者車的定位導(dǎo)航，可用于醫(yī)療機構(gòu)、主題公園、工廠、商場等需要定位導(dǎo)航的場合。

2.2 藍牙定位系統(tǒng)

藍牙定位基于RSSI(信號場強指示)定位原理。藍牙技術(shù)聯(lián)盟在制定藍牙4.0規(guī)范時對數(shù)據(jù)傳輸過程中的鏈路管理協(xié)議、射頻、基帶協(xié)議采用了可靠性措施，連接速度大幅度提高，僅3 ms，傳輸距離可達 60～100 m［3］。

藍牙定位系統(tǒng)由終端（藍牙定位引擎）、藍牙beacon節(jié)點、beacon管理設(shè)備、beacon管理后臺服務(wù)器、地圖引擎服務(wù)器構(gòu)成，如圖4所示。

圖4 藍牙定位系統(tǒng)Fig.4 Positioning System for Bluetooth

在區(qū)域內(nèi)鋪設(shè)beacon和藍牙網(wǎng)關(guān)后，當(dāng)終端進入beacon信號覆蓋范圍，終端就能感應(yīng)到beacon的廣播信號，然后測算出在某beacon下的RSSI值，通過藍牙網(wǎng)關(guān)，經(jīng)過管理設(shè)備接入管理后臺服務(wù)器，由地圖引擎服務(wù)器通過服務(wù)器內(nèi)置的定位算法測算出終端的具體位置。

藍牙定位系統(tǒng)的優(yōu)勢在于設(shè)備體積小、距離短、功耗低，容易集成在手機等移動設(shè)備中，藍牙傳輸不受視距的影響，但是對于復(fù)雜的空間環(huán)境，藍牙系統(tǒng)的穩(wěn)定性稍差，受噪聲信號干擾大，且藍牙器件和設(shè)備的價格比較貴。因此，藍牙室內(nèi)定位主要應(yīng)用于對人的小范圍定位。

2.3 RFID定位系統(tǒng)

傳統(tǒng)的RFID室內(nèi)定位跟蹤系統(tǒng)是一種以計算機為基礎(chǔ)，集合了RFID數(shù)據(jù)采集、RFID數(shù)據(jù)處理與傳輸、GIS（地理信息系統(tǒng)）空間分析和查詢等技術(shù)形成的智能技術(shù)系統(tǒng)。其定位依據(jù)是結(jié)合RFID信號的接收信號強度、相位等參數(shù)，利用定位算法完成距離和方位的計算。RFID系統(tǒng)工作原理見圖5。

圖5 RFID系統(tǒng)工作原理Fig.5 Working Principle for RFID System

RFID采用LC振蕩電路工作。工作中，閱讀器會生成一種在射頻范圍內(nèi)的交變磁場，當(dāng)LC振蕩電路靠近交變磁場時，就會將交變磁場的能量通過線圈耦合到振蕩電路中［4］，當(dāng)交變磁場的頻率與振蕩電路的諧振頻率一致時，振蕩電路即產(chǎn)生諧振。振蕩電路中的電流就是對外部交變磁場反作用的結(jié)果，此種作用是顯而易見的，因為它會使發(fā)射器激勵線圈上的電壓降產(chǎn)生小的變化，并最終導(dǎo)致磁場強度減弱。只要把諧振電路放置到激勵線圈生成的交變磁場中，就能夠在傳感器線圈中感到感應(yīng)電壓的變化，從而得到不同的反饋。

RFID定位系統(tǒng)的優(yōu)勢在于雖然射頻識別室內(nèi)定位技術(shù)作用距離很近，但它可以在幾毫秒內(nèi)得到厘米級定位精度的信息，標(biāo)簽的體積比較小，造價比較低。其劣勢是不具有通信能力，抗干擾能力較差，不便于整合到其他系統(tǒng)之中，且用戶的安全隱私保障和國際標(biāo)準(zhǔn)化都不夠完善。目前，RFID定位已經(jīng)被倉庫、工廠、商場、監(jiān)獄廣泛使用在貨物、商品流轉(zhuǎn)定位上。

綜合上述分析，Wi-Fi、藍牙和RFID定位系統(tǒng)都便于集成，可以優(yōu)劣互補，通過進行系統(tǒng)軟件的編程開發(fā)便可實現(xiàn)智能工卡功能。

3 智能工卡系統(tǒng)開發(fā)

3.1 智能工卡系統(tǒng)外觀設(shè)計

升級鞍鋼鋼通卡為智能工卡一卡通，采用移動、聯(lián)通、電信三網(wǎng)通的網(wǎng)絡(luò)制式，內(nèi)置SIM卡芯片，集成Wi-Fi、藍牙和RFID芯片，內(nèi)置鋰聚合物電池，實時監(jiān)控施工生產(chǎn)人員的狀態(tài)。智能工卡一卡通外觀設(shè)計如圖6所示。

圖6 智能工卡一卡通外觀設(shè)計Fig.6 Exterior Design of All-in-one Intelligent Operation Condition Card

3.2 智能工卡系統(tǒng)功能設(shè)計

智能工卡系統(tǒng)是一項兼顧工作管理和人性關(guān)懷的科技智慧管理系統(tǒng)，由智能工卡、服務(wù)器、web前端、手機APP及PC端應(yīng)用組成，可在實現(xiàn)智能定位、考勤管理、狀態(tài)監(jiān)測、語音對講、通知公告、應(yīng)急呼救的基礎(chǔ)上，最大限度保證施工生產(chǎn)人員安全。智能工卡模塊內(nèi)部構(gòu)造如圖7所示。

圖7 智能工卡模塊內(nèi)部構(gòu)造Fig.7 Internal Structure of Module for Intelligent Operation Condition Card

（1）智能工卡內(nèi)置G-sensor（運動傳感器），結(jié)合內(nèi)部算法，可統(tǒng)計進入過施工生產(chǎn)現(xiàn)場的所有佩戴智能工卡的人員，持續(xù)跟蹤施工生產(chǎn)人員的運動軌跡，記錄人員在某區(qū)域的停留時間，對整體人員進行施工監(jiān)控與施工調(diào)度，并通過網(wǎng)絡(luò)遠程傳輸數(shù)據(jù)，提供實時監(jiān)測信息，為管理者的監(jiān)督、指揮和決策提供重要依據(jù)。

（2）智能工卡內(nèi)置的G-sensor還能夠監(jiān)測員工的身體狀態(tài)，MCU（微控制單元）一旦有異常數(shù)據(jù)需要處理，例如撞擊、跌落、長時間停留不動等，即向管理員報警，精準(zhǔn)定位發(fā)生安全事故的區(qū)域、人員，通過軟件中的歷史軌跡，判斷發(fā)生事故人員的位置，配合廠區(qū)內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)，在員工遭遇意外時及時救援。

（3）在施工生產(chǎn)中，管理者可通過智能工卡下發(fā)指令，相比傳統(tǒng)的電話通知、騰訊通、微信等方式，管理效率大幅度提高。

（4）提前將施工安全生產(chǎn)技術(shù)措施中全部危險源辨識、危險區(qū)域等輸入到系統(tǒng)中，對員工實施有效的安全保護，防止員工進入危險區(qū)域。通過監(jiān)控，監(jiān)督特殊作業(yè)是否持證上崗、是否辦理了動火審批手續(xù)，統(tǒng)計領(lǐng)導(dǎo)干班帶班工作情況。

（5）智能工卡具有SOS緊急一鍵報警功能，當(dāng)員工遇到緊急情況時，如物體打擊、摔傷、機械傷害等，按下SOS鍵，智能工卡就會把員工位置、運動數(shù)據(jù)上報給管理員，必要時還可以自動接通電話。且由于工卡采用了4G/5G網(wǎng)絡(luò)，可以實現(xiàn)一邊通話一邊傳輸數(shù)據(jù)，能夠提供更快速的救援行動，最大化保證人員的安全。

4 智能工卡系統(tǒng)未來展望

目前，國內(nèi)智能工卡市場規(guī)模容量保守估計可達上千億元人民幣，未來前景可期。不久的將來，在施工生產(chǎn)作業(yè)中使用主動智能安全技術(shù)必然會成為未來科技發(fā)展的趨勢，且它的優(yōu)勢不僅在于預(yù)防安全事故的發(fā)生，也在發(fā)生事故后，通過無線通訊技術(shù)，實現(xiàn)有效定位，及時搶救。

在施工生產(chǎn)中，安全事故往往發(fā)生在十幾秒左右。應(yīng)用智能工卡系統(tǒng)，可實現(xiàn)有效的安全預(yù)警，通過智能工卡報警系統(tǒng)，現(xiàn)場人員能夠及時撤離，在很大程度上避免人員傷亡。比如發(fā)生火災(zāi)事故，智能工卡可以迅速報警，其響應(yīng)速度是毫秒級的，是傳統(tǒng)的感知告知報警方式所不能比擬的，據(jù)消防部門大數(shù)據(jù)統(tǒng)計，火災(zāi)的黃金逃生時間為1 min，智能工卡將逃生的速度做到 1 ms［5］。

未來，無線通信技術(shù)在傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域的價值不可估量，其價值會率先在智慧城市領(lǐng)域、自動駕駛領(lǐng)域、環(huán)保領(lǐng)域，包括垃圾管理領(lǐng)域落地，并逐步深入至施工生產(chǎn)領(lǐng)域，尤其應(yīng)用于危險施工生產(chǎn)領(lǐng)域，比如石化、礦井等施工生產(chǎn)領(lǐng)域。這些領(lǐng)域用智能工卡系統(tǒng)進行全方位實時安全監(jiān)控、預(yù)警，將為保障員工生命安全作出巨大的貢獻。

5 結(jié)語

通過研究無線定位通訊技術(shù)的原理以及可實現(xiàn)功能，得出具有保障施工生產(chǎn)人員安全的智能工卡系統(tǒng)具有可行性。選擇Wi-Fi、藍牙和RFID三種定位系統(tǒng)，開發(fā)了適用于鞍鋼的智能工卡系統(tǒng)，升級現(xiàn)有鋼都卡為智能工卡一卡通，在實現(xiàn)智能定位、考勤管理、狀態(tài)監(jiān)測、語音對講、通知公告、應(yīng)急呼救的基礎(chǔ)上，最大限度保證施工生產(chǎn)人員的安全，并對未來發(fā)展提出展望，認(rèn)為無線通信技術(shù)在傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域的價值不可估量。