RFID技术在人防工程中的定位应用

RFID技术在人防工程中的定位应用

马玄

西安市人防指挥信息保障中心 陕西西安 710000

摘要：“平战结合”是人防工程的基本使用开发原则。但单纯的商业开发模式无法提升人防工程的使用率和使用效果，也无法在战时快速转换使用模式。本文针对RFID技术进行研究，探讨此技术在人防工程中的定位应用。通过对人员、重要物资的定位实现更大程度的商业开发和在战时的战备物资的高效运转。

关键词：人防工程；RFID；研究；使用

引言：人防工程是一种有防护的特殊地下建筑，城市中常见的人防工程主要有人防纳凉场所、地下商场、地下停车库等。人防工程建设以“平战结合”为建设和使用原则，大多体现一个过程多种用途，使人防工程不仅能在战时实现人员隐蔽、物资存储和搭建临时指挥中心等功能，还能在缓解城市地面开发压力过大，解决车辆停放和商业开发等方面发挥作用。

人防工程的应用现状与开发设想

目前，针对人防工程的开发主要是商业租赁。但人防工程由于建筑特性，难以实现全区域有效的视频监控管理，致使商业开发不全面，开发模式单一，开发难度大等问题凸显。而RFID（Radio Frequency Identification,射频识别）技术所具有的非视距、自动化、可同时识别多个目标、适用于各种恶劣环境等优点使其可作为地下场所的最佳监控技术。

利用RFID技术一是可实现对人防工程区内所有人员和物资进行实时、准确的定位管理，实现门禁、人员签到、物资清点和位置查询等功能集成管理，有效监控人员的行为，提高商储效率，解决地下场所监控难的问题，实现地下场所更多用途的开发利用；二是掌握人防工程的使用情况，利用大数据实现对人防工程内各类资源的数字化管理，提升信息化系统的整体工作能力。将人防工程的数据与应急管理相融合，与智慧城市相匹配，实现数据融合处理，从而为各情报分析提供支撑，为战时指挥决策提供依据，让人防工程更大程度、更精确地为平时开发、战时防空和应急防灾提供服务。^[1]

二、RFID技术在人防工程内定位管理的研究

目前，人防工程内的监控管理以视频监控的方式为主，辅以人员不定时巡逻的安全防护方式。但是，视频监控的智能化水平比较落后，在地下昏暗环境下对人员的身份辨识难度大，安防力度和监控有效性很弱。如此落后的管理方式会留下防护漏洞，在平时的商业开发中，使得管理者面临管理难度大的问题，直接导致人防工程开发利用程度不高；在战时，更是难以防范敌特人员对战备物资的蓄意破坏和恐怖分子的暴力行为。并且，视频监控系统具有设备易损坏、存在监控盲区、人为因素较大，遇到人员众多等情况时监控效果显著下降等缺陷，更是无法满足在战争或应急时期的使用需求。

随着技术的发展，基于红外线触发、视频监控等技术和设备的监控方式越来越多样，安防效果和系统造价也在逐步降低。RFID技术的急速发展给智能化安保管理带来了新的选择，也给实现安保工作全天化、全方位、自动化奠定了技术基础。但由于技术的使用需要在被管理的物体上捆绑电子标签，因而现行的RFID定位技术适用范围主要在物流、制造、交通、畜牧、军事、物品来源追溯等领域，由于其技术特性和成本因素，在这些领域取得了众多的成功应用。

三、RFID技术的工作原理

一套完整的RFID系统由阅读器（读取和修改电子标签内的数据）、电子标签（存储目标对象的属性、状态、编号等信息）和应用软件系统（进行数据的后台操作管理）等三个部分构成。

（1）电子标签包含的主要元器件是电子芯片和一组微型天线，其中电子芯片是标签的核心部件。天线把存储的数据通过无线信号传送出去，以供阅读器识别与追踪。只要在阅读器的识别范围之内，电子标签内记录的数据即使在数米之外都可以被阅读器识别。

（2）阅读器是RFID系统的信号接收和数据处理设备，主要由电磁场耦合模块、收发天线、控制芯片和信息传输部件等几个部件构成。阅读器通过自身的收发天线可在不与电子标签进行直接碰触的条件下读取电子标签中保存的数据信息，还可以通过控制芯片中的读写模块完成信息的加解密、编译码，重新编写电子标签存储器中的数据信息或对原有信息进行修改，并将这些信息与后台管理计算机进行交互，从而调控整个通信过程。如果电子标签是无源的，阅读器就会在数据传输期间通过电感耦合的方式向标签提供能量并传递时序。

（3）应用软件系统主要由数据库服务器和其他信息系统构成。数据库服务器的主要作用是后台收集并处理阅读器传送过来的数据，并将数据存储保留。其他信息系统则按照其业务功能向阅读器发送相关的操作命令，以达到对电子标签进行业务处理的目的。

RFID系统的工作原理十分简单：阅读器每隔一段固定时间就会通过天线模块发射特定频率的射频信号，以在其附近产生一定范围的电磁场。当电子标签进入到阅读器发射出的电磁场覆盖范围时，电子标签因电磁感应获得能量，并借此能量将芯片内存储的数据通过内置的天线以射频信号的形式发送出去。阅读器读取到电子标签发出的射频信号后进行解码，最后将解码后的信息发送至主机系统，供后台系统处理

^[2]。通过将电子标签与人员或商品像捆绑的方式，实现电子标签与人物的信息对应。

四、RFID技术在人防工程内的定位原理示意

根据相关的研究与验证，2.4GHz频段的无线信号在电磁干扰较大、电磁波传输环境复杂的环境下所受的干扰较少，在人员及物品定位方面技术成熟。因此，在人防工程内建议使用2.4GHz定位系统。人防工程设计各不相同，在系统搭建过程中可将整个区域按建筑形式划分成若干个矩形和较为规整的多边形区域。在每个小区域中布置至少一台阅读器，使得进入人防工程的电子标签无论在什么位置均能被检测到。

五、RFID技术在人防工程内的信号干扰研究

据相关使用数据，即使在阅读器的理论识别区域内，RFID电子标签的识别率也达不到99%。影响RFID电子标签识别的主要因素有：

1.信号传输时的衰减。无线信号在自由空间传输时，信号密度和传输距离的平方成反比^[3]。在实际环境中，由于传输介质的影响，信号的衰减会比理论值偏大。在室内环境中，这种衰减尤为明显。室内环境相较室外环境而言，空间较为拥挤。信号在室内传递时容易因障碍物或墙壁发生反射、吸收和散射，多径效应也会增强，这使得信号会产生混淆；而且信号在室内传播时会受到木质家具或金属装饰品的遮挡和反射，并且由于其位置的摆放又毫无规律，这使得无线信号在室内环境传输时也会受到干扰和吸收。

2.信号的吸收。人体70%以上都是水，而水和铁铝等金属一样，属于吸收无线电信号较强的一类物质。当标签附近的人数增多或人的移动次数频繁时，射频信号的识别就会受到影响。在高频频段，吸收效应对电磁信号造成的损耗尤为突出。

3.室内电磁环境。室内常有电脑、照明、风扇等设备，因而电磁干扰较大。在机房和电源室附近尤甚。如果这些设备所发出的频率与阅读器所使用的信号强度接近，则可能严重影响射频信号接收的情况，使得阅读器读取到错误的信号，进而降低室内定位的精准度。

4.空间内存在多个标签。阅读器同时读取到多个电子标签时可能会出现数据的干扰，影响阅读器的读写性能，，导致阅读器无法正确读取电子标签信息。这种由多个标签造成的干扰被称为碰撞，会导致此次识别的失败。针对多个标签同时出现在识别区域内的情况需要在阅读器反碰撞算法上进行相应的技术改进，保证每个标签能够按照一定次序向阅读器发送信号而不发生重叠，以将此碰撞因素带来的无法识别影响降至最小，保障系统正常运行。RFID系统的防碰撞方法主要有ALOHA法及其衍生算法和二进制树形搜索法。

六、人防工程内提高RFID定位性能的对策

较好的定位方案离不开对定位环境和具体需求的分析。考虑到同一人防工程内可能在使用年限内存在不同的用途，因此，建立模块化的策略以提高系统的定位精准度尤为必要。

为了改善定位精确度的同时不造成系统建设费用的大量增加，进一步提高定位的准确性，可以通过以下方法进行改进：

(1)引进参考标签辅助定位：系统获取将待定位标签的信号到达时间、到达角度、信号强度等信息^[3]，并将这些信息与已知位置坐标的参考标签的相应信息进行比对，通过参考标签来对待定位标签的位置进行修正，以降低安装大量定位设备造成的费用。此方案前期工作量较大，而且后期需要做大量的参考标签维护工作。

(2)定位系统使用半有源系统：将有源系统更换为半有源系统，安装低频设备，在定位精度要求较高的区域（如战备场所）和楼梯内、楼道拐角、人防通道内等空间较为狭小的区域内和模糊的定位边界附近安装价格较低的低频阅读器，代替价格较高的定位基站，以提高这些区域的定位精度。依靠低频阅读器识别范围小的特点对进入这些区域的人员进行近距离识别，以达到覆盖单位所有区域的需求。在实际应用中可通过降低阅读器的发射功率或降低标签的接收灵敏度来缩小阅读器的工作距离，因而使用极为灵活，最小识别距离可缩小到1米。

(3)定位算法采用RSS算法和指纹算法相结合的方式：利用位置指纹算法的特点，反复测试出每个阅读器的临界位置处的信号强度，当标签同时处于相邻两个阅读器的识别范围时，比较标签的信号强度值来判断标签属于哪个范围。

(4)在定位环境良好的情况下，根据定位算法，往往可以获得较理想的定位精度。但由于实际定位的环境非理想化，以及定位区域的重叠等缘故，很容易出现定位结果的较大的误差。为了进一步提高定位精度，可以考虑在系统中引入待定位标签的历史数据进行修正。由于在一个较短时间内，以人为待定位目标的待定位标签不可能发生坐标位置的极大跳跃所以前段时间的位置信息对于提高定位精度有很大的帮助。为了节省成本，兼顾施工的复杂程度和提高系统的稳定性，在办公区域的主要通道通过总线型网络方式将阅读器和系统后台服务器相连；在办公室、会议室、大厅、地下坑道等区域布设无线网络，无线网络与通道内的多功能分站相连，各多功能分站通过系统总线和后台服务器相连，完成无线网节点的数据转发。

总结：人防工程的信息化管理是技术发展的趋势。如何提升人防工程的利用程度，完善智慧城市建设，提升城市的建设和管理水平以及战时和应急情况下的应对水平是人防部门的紧迫课题。本文对RFID技术在人防工程内的应用做出了系统而且详尽的总结，并对此技术在人防工程内可能存在的问题进行了研究探讨，同时，对RFID技术在人防工程上的应用进行了展望。

参考文献：

北京市人民防空办公室. 居民防空防灾应急手册[M]. 北京: 原子能出版社, 2004,34.

宁焕生. RFID重大工程与国家物联网[M]. 北京: 机械工业出版社, 2012,54.

单承赣. 射频识别（RFID技术在物联网中的应用[M]. 北京: 电子工业出版社,2015,87-89.