监狱智能化安全防范，全时空管控关键技术研究

1.定位标签（腕带）的低功耗技术

定位标签（腕带）由于佩戴在罪犯身上，只能采用电池供电。由于罪犯服刑周期较长，同时为了防止罪犯恶意破坏，通常定位标签（腕带）的装卸过程较为复杂，必须满足更换周期长、频率极低的应用要求。作为穿戴式设备，其体积、厚度以及重量都有较高要求和限制，因此定位标签（腕带）的低功耗设计是室内定位系统在监狱应用的主要要求之一，也是整个技术架构设计的主要技术难点。

在分析、评估、比较定位标签（腕带）各个器件的休眠、空闲、工作等多种状态下功耗指标的基础上，如何对定位标签（腕带）工作状态功耗较高的主控模块和UHF射频收发模块进行有效的动态休眠调度和快速唤醒是降低标签（腕带）的平均功耗、延长标签（腕带）工作时间的关键和难点所在。

主控模块、射频模块、内置运动传感器、低频磁模块之间的电路接口在不同程度上存在潜电流和漏电流，是导致定位标签（腕带）实际功耗大于估算功耗的主要原因，如何优化芯片或器件间的接口电气特性设计，也是定位标签（腕带）低功耗设计的核心难点之一。

针对多个标签（腕带）同时处于一个或多个定位基站的覆盖区域内时，如何在秒级时延限定条件下实现多个定位标签（腕带）的无冲突或者极低冲突概率的接入，同时通过采用极低占空比的协议降低标签（腕带）射频模块的工作时间，从而降低标签（腕带）整体功耗，是定位标签（腕带）低功耗设计的主要难点之一。

2.定位基站的磁场发射天线（线圈）的优化设计

定位基站磁场发射天线（线圈）的体积、外观形状的选择与应用场景密切相关，目前国内相关产品全部采用磁棒天线，具有体积小、增益大、品质因数高等优点，但在实际部署中面临多个磁棒天线之间的一致性差，运输、搬运、安装等易造成磁棒天线损坏或磁场散射特征发生变化等问题，严重制约了定位系统现场调测的效率和工作进度，增加了人力投入成本，进而提高了整个系统的建设成本。

基于磁场分布基础理论和仿真分析，根据应用场景设计不同形态和体积的高一致性、高可靠性天线，是提高部署效率、降低系统调测人力成本、保证定位系统性能、降低器件损耗的关键。如何在体积和成本限制范围内设计高可靠性、高一致性的磁场发射天线（线圈）是项目难点之一。(www.xing528.com)

3.功耗严重受限条件下三轴加速度计与场强训练机制的融合算法

目前，室内全区域覆盖无线定位的技术体制包括基于距离测量（信号到达时延）的定位技术、基于信号强度和场景特征训练学习的定位技术，以及基于运动传感器的惯性导航自定位技术等。

从稳定性和抗外界环境干扰能力来看，惯性导航自定位技术最为稳定，除易受外界地磁场变化的影响外，基本不受外界环境变化影响，但惯性导航系统通常由三轴加速度传感器、三轴角速度传感器（陀螺仪）以及三轴地磁传感器组成，整体平均功耗在6mA以上，其中三轴加速度传感器的平均功耗为10uA以下，三轴陀螺仪功耗一般在5mA以上，三轴地磁传感器的功耗也在1mA以上，无法满足功耗严重受限的监狱定位要求。

基于距离测量（信号到达时延）的定位技术，一方面定位性能易受外界无线信号传播环境影响，稳定度较差；另一方面，这类技术由于带宽大，信号处理复杂，导致功耗较高。从目前国内外产品的技术指标看，一般超宽带（UWB）定位标签的工作时间不超过1个月，宽带时延差定位系统的标签工作时间一般不超过4周，也无法满足监狱定位的要求。

基于信号强度和场景特征训练学习的定位技术的定位性能稳定度与基于距离测量（信号到达时延）的定位技术相比更差，同时定位性能与信号发射、场强测量频率以及定位基站的密度息息相关。为了提高定位性能及其稳定性，必须增加定位基站的密度以及信号发射和测量频率，增加信号发射和测量频率，无疑提高了定位标签的平均功耗。

如何利用极低功耗的三轴加速度传感器，与低频次的信号强度测量有效融合，结合较高密度部署的定位基站及其关键区域精确定位信息，实现高稳定度、高可靠性的罪犯全时空精准定位识别是本研究面临的重要技术难点。