监狱智能化安全防范技术实现全时空管控

分析监狱监内典型应用环境下，密集人群分布和高密度人流对基于不同信号载体如有源RFID、蓝牙、低频磁场的接近关系检测定位技术进行信号覆盖范围稳定性、覆盖区域一致性的试验测试验证，选取覆盖范围稳定性、一致性最好的低频磁场作为关键区域定位的信号载体。

设计和实现满足定位标签（腕带）接入容量要求的极低占空比、低延时的多标签（腕带）接入协议，降低标签（腕带）的定位信息回传功耗，延长定位标签（腕带）工作时间。

分析监狱罪犯全时空管控的技术需求和布设环境特征，设计具有多种供电、通信一体化接口、多种形态磁场传播天线和支持多种天线接入方式的定位基站公共开发平台，针对各种应用场景进行快速定制开发。同时设计和搭建用于室内定位技术性能综合评测平台，对定位系统的综合性能指标以及定位基站的磁场分布进行量化测量评估。

建立低频磁场三维空间场强分布模型，利用低频磁场分布的时间、空间稳定性以及对环境变化的鲁棒特性，结合快速训练学习方式对低频磁场的三维空间分布参数进行快速标定，提高定位精度以及被定位对象的识别能力。同时根据定位区域的空间信息，优化定位基站的空间布局，在满足定位轨迹推演、全区域通信覆盖要求的基础上，最小化定位基站的布设数量，降低基础设施的设备数量和部署维护成本。

基于极低功耗三轴加速度计的自适应步态检测技术，通过行进步数估计被定位对象的移动距离。根据定位区域的空间基础信息和定位基站布局等约束条件，实现对被定位对象移动距离估计的准确校正。

利用极低占空比、低延时的多标签（腕带）接入协议内嵌的信息回传通道，通过对各点位UHF 频段信号强度的事先训练学习，基于回传无线信号的接收强度分析，完成被定位对象位置信息的估计。在此基础上，以多个标签相邻时间段的移动距离估计值及空间基础信息作为约束条件，基于贝叶斯图推论获得更稳定和更准确的定位标签（腕带）位置信息。

定位中间件引擎接入分布在定位区域的各个定位基站，完成相关协议适配，并对定位基站发送过来的重复性定位数据、噪声数据基于时空约束规则进行流式处理，同时对定位基站进行设备状态监测和参数远程控制。

罪犯全时空管控关键技术实现路径如图4-3所示。在此基础上设计了罪犯监内全时空精准管控系统的总体方案，如图4-4所示。

图4-3　罪犯全时空管控关键技术实现路径

定位标签（腕带）接收、解析定位基站发射的低频磁场信号，并进行三轴低频磁场接收信号强度的估计，集成了极低功耗三轴加速度传感器，完成基于步态检测和计数技术的相对移动距离初步估计，通过UHF 频段的无线信号发射模块将低频磁场信号的相关信息和相对移动距离估计等内容发送给定位基站。

图4-4　罪犯监内全时空精准管控系统

定位引擎服务器接收各个定位基站传回的定位标签（腕带）位置信息，并通过socket 协议将其获得的实时位置信息（包括定位基站ID、UHF 无线信号接收强度、定位标签ID、低频磁场天线ID、定位标签相对移动距离等基本信息）传输给空间信息及电子地图数据服务器，并对收到的实时位置信息进行流式降噪处理，提供第三方访问接口。根据接收到的定位标签（腕带）相对移动距离、信号强度等信息，进行定位标签位置信息的确定和估计。同时对定位基站的状态进行监测和远程参数设置，为各个定位基站提供微秒级时间同步。

空间信息及电子地图数据服务器负责存储、管理和维护更新电子地图、空间基础信息、定位基站天线布设位置、特定人员区域时空限定规则等系统基础数据，并支持空间坐标的按需实时转换，实现各个定位标签（腕带）实时/历史位置信息的数据存储与管理。

客户端是与值班干警直接交互的设备，实现罪犯位置在电子地图上的实时显示、罪犯访问区域的时空限定规则设置、罪犯越区自动报警、历史轨迹查看、位置/区域停留时间等时空信息统计和分析，实现标签（腕带）与罪犯关联信息的填充、发卡和卡回收归位等功能。

定位标签（腕带）通过无线通信模块将自身ID、接收低频磁天线ID、三维低频磁场接收强度以及自身相对移动信息发送给定位基站。由于多个标签（腕带）可能同时处于一个定位基站覆盖范围内，需要设计无冲突的多标签（腕带）接入协议，避免多个标签（腕带）发送的信息互相碰撞导致定位基站无法正常接收。同时定位标签（腕带）的极低功耗要求相对功耗较大的标签（腕带）无线通信模块必须在指定的延时范围内提供足够低的占空比。因此，结合罪犯监内全时空精准管控系统的总体方案，设计了极低占空比、低延时、低冲突概率的多定位标签（腕带）接入协议。

基于随机多址接入的极低占空比、低延时的多标签（腕带）接入协议流程图及对应的主要参数设置如图4-5所示。定位基站一直处于UHF 频段的无线接收与低频磁场的周期性发射状态，协议状态机的维护十分简单，而周期性的低频磁场信号起到了多个定位标签（腕带）的粗粒度时钟同步作用。同时定位基站可以根据接收到的定位标签（腕带）UHF 无线信号强度，进行辅助全区域定位。

定位标签（腕带）处于低功耗低频磁场监听状态，UHF 无线模块处于休眠状态，当接收到定位基站低频磁场信号时，定位标签（腕带）立刻唤醒主控模块，在指定最大时延范围内选择一个随机时延，时延到达后启动UHF 无线模块，启用内置的载波侦听机制避免多标签（腕带）接入时出现冲突，当信道出现空闲时立即发送对应的信息包。

定位基站主要针对室内定位系统的用户需求和部署场景多种多样的特征，集成了POE、PLC 等多种供电、通信一体化接口，UHF（工作频率为433MHz）或2.4GHz 等不同频段、不同制式的无线通信模块，PCB 板级天线、外接全向天线等多种类型UHF 射频天线，磁棒天线、环形线圈、指定形状和体积的绕线线圈等多种形态的磁场发射天线。在研究多类型高稳定性定位基站线圈天线的优化设计和分布训练标定算法设计的基础上，设计了多接口、多磁场的定位基站公共开发平台，研制出定位基站。定位基站的技术架构如图4-6所示，该设备是室内定位系统的核心组成部分，主要完成发送定位ID 给定位标签卡，采集定位标签卡的信息并将所有的信息传送至定位服务器。

图4-5　标签协议接入流程图

设计定位基站主要由主控MCU 单元、125KHz 低频磁信号发送单元、无线射频模块单元、接口模块、时钟模块和POE 供电电源模块等组成。

（1）主控MCU 单元设计。

主控模块是定位基站公共开发平台的核心功能模块，由于定位基站任务处理的复杂度较高，选用具有高处理能力32 位ARM CortexTM-M3 CPU，以120MHz 高速运行时可达150DMIPS 的处理能力，高达1M Byte 的片上闪存和128K Byte 的内嵌SRAM，极低的动态功耗188uA/MHz，从片上闪存以120MHz 全速运行，功耗仅为22.5mA（使能ART 并关闭所有外设条件）。支持高低级功耗模式，并有多种通信外设，该MCU 提供了丰富的外部接口如以太网、USB、CAN、UART、SPI、I2C 等，内置了4 路以上的脉冲宽度调制（PWM）单元。主控模块的主要功能包括以下几点。

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图4-6　定位基站技术架构图

①生成包含每路天线自身ID 及校验和的曼彻斯特编码，并调制到中心频率为130KHz 的载波信号上，通过内置的PWM 单元连接每路磁场发射天线的驱动放大电路。主控模块可以通过改变PWM 的脉冲宽度动态控制每路天线的输出功率，进而实现每路天线覆盖区域大小的在线远程动态调整，显著提升了现场系统部署调测的工作效率。

②通过UHF 或2.4G 无线通信模块接收各个定位标签（腕带）发送的信息，包括标签（腕带）自身ID、所在低频磁天线ID、低频磁场接收强度以及自身相对移动的距离、校验和等信息；

③将所有采集到的定位标签（腕带）发送信息通过10/100M 以太网经POE 接口发送至定位引擎服务器。

（2）125KHz 低频磁信号发送单元设计。

基于低频磁通信技术（LFMC），设计了多类型高稳定性定位基站天线，实现125KHz 低频磁信号发送。在设计中，使用LC 串联谐振回路作为传输源，RLC 谐振频率设在125KHz，电流通过线圈产生磁场，对如图4-7所示的单个线圈可以利用式（1）来计算距离辐射线圈P 点的绝对磁场强度Bp。

图4-7　单线圈磁场强度计算

在式（1）中，ω0 是谐振频率（Rad/s），I 为电流（A），N 为线圈圈数，a 为线圈的直径（m），r 为自线圈的距离（m）。当距离r＞＞a 时，磁场随r3而衰减。

低频磁信号发送单元的谐振电路通过两个180 相位差的半桥电路驱动，谐振频率为125KHz，其驱动电路如图4-8所示。驱动信号直接用主控CPU 芯片的PWM 单元产生，其125KHz 频率通过配置PWM 相应的寄存器得到，通过远程调节与LC 串联的电阻的阻值可以调节低频磁场的发射功率。

（3）无线射频模块单元设计。

集成不同频段、不同制式的无线通信模块是针对不同应用环境中无线通信基础设施的工作频率、通信制式各不相同这一实际情况，在系统部署前进行频谱扫描，确认已建无线通信系统的工作频段和信号强度，选择对已建无线通信设施干扰最小的无线通信模块作为定制定位基站的无线通信模块。由于目前2.4GHz 的ISM 频段较为拥挤，而433M 频段相对干净，且信号绕射能力较强，传播距离更远，因此定位基站缺省采用433M 频段。

图4-8　低频信号驱动电路示意图

433　MHz 射频模块是基于CC1101 高性能低功耗射频收发芯片，该芯片可提供对数据包处理、数据缓冲、突发传输、接收信号强度指示（RSSI）、空闲信道评估（CCA）、链路质量指示以及无线唤醒（WOR）的广泛硬件支持。射频接收模块单元与CPU 通过SPI 接口进行通信，主要建立与定位标签卡的无线通信链路，其应用图如图4-9所示。

（4）多接口通信接口单元设计。

为了满足不同种类的用户接入和各基站网络互联互通的需要，设计了多接口、多磁场天线形态的定位基站公共开发平台。在该平台中，主要采用的接口有通信接口和RS232 接口。单板采用MICREL 的RMII 接口的百兆以太网PHY 芯片与主控CPU 单元的RMII 接口相连接扩展出一个百兆网口，该芯片只需要使用25MHz的晶体来作为其输入基准时钟，并向MAC 输出50MHz 的RMII 基准时钟。网络模块接口如图4-10所示。

图4-9　射频模块应用图

图4-10　网络模块接口示意图

定位基站公共开发平台通过RS232 转换芯片SP3232 进行RS232 串口的扩展，SP3232E 有一个高效的电荷泵，电荷泵允许SP3232E 在+3.3V 到+5.0V 内的某个电压下发送符合RS-232C 的信号。SP3232E 器件内部的ESD 保护使得驱动器和接收器的管脚可承受±15kV 人体放电和IEC1000-4-2 气隙放电。SP3222E 器件包含一种低功耗关断模式，该模式下器件的驱动器输出和电荷泵被禁止。基于RS232 接口的电路图如图4-11所示。

图4-11　RS232 接口的电路图