（机械电子工程专业论文）基于激光扫描和gps技术的定位和防侵入监控系统的研究及应用.pdf

耋缝塞堂瑟皇堂建逾塞 摘要 在公共场所、重要保护区域和交通要道等地方对安全监控技术有着广泛的需 求，丽在安全监控领域中可靠地对运动弱标进行识别和定使具有很大的应扇价 值。 长期以来，使用视频数据进行行为分析一直是主流方法。使用视频数据进行 西标跟踪，面临多相机数据融合、不同视角坐标系统之间的配准、复杂计算和在 很暗的光照条件及恶劣的天气下失效等问题。然而随着现代信息技术的飞速发 展，又出现了多种定位技术，如激光扫描技术，r f i d 技术，g p s 技术等。本课题 采用g p s 技术与激光扫描技术开展定位和防侵入研究，并将其应用到智能监控 系统中，对监测范围的人员进行身份识别和定位。 本文研究内容主要基于两大部分：基于激光扫描的运动物体定位技术和g p s 定位技术。基于激光扫描的运动物体定位技术部分，主要涉及了激光数据的获取， 运动物体的检测以及物体的定位的研究。g p s 定位部分，主要包括g p s 系统的总 体设计，g p s 硬件平台的搭建和上位机三维图形监控系统的软件开发，其中重 点介绍了三维图形监控系统的软件的设计及其实现。 在完成上述研究王作的基础上，g p s 定位部分在工业现场进行了系统软硬件 的具体实现，实现了设计需求，使用效果验证了本文的设计思想和算法。目前基 于g p s 的定位系统成功运用于宝钢马迹山港料场封闭的系统中。 最磨为了验证基予激光扫描技术结合g p s 定位技术的锪能监控系统的有效 性，搭建了定位和防侵入监控系统的实验平台，并在软件上做了实现，现场测试 验证了平台的有效性。 关键词：智能监控系统，激光扫描，g p s 定位，三维可视化 v a b s t r a c t r e l i a b l yi d e n t i f i c a t i o na n dp o s i t i o n i n go fm o v i n go b j e c t sh a sag r e a ta p p l i c a t i o n v a l u ei ns e c u r i t ym o n i t o r i n gd o m a i n ，a n ds e c u r i t ym o n i t o r i n gt e c h n o l o g yi si ng r e a t n e e da tp l a c e s ，s u c ha sp u b l i cp l a c e s 、i m p o r t a n tp r o t e c t e da r e a sa n dc o m m u n i c a t i o n h u b s t h eu s eo fv i d e od a t ab e h a v i o ra n a l y s i sh a sb e e nt h em a i n s t r e a mm e t h o d t 1 1 e u s eo fv i d e od a t af o rt a r g e tt r a c k i n g , f a c e dw i t has e r i e so fp r o b l e m ss u c ha s p o l y p h a s e rd a t af u s i o n 、m a t c h i n gb e t w e e nd i f f e r e n ta n g l eo fv i e wc o o r d i n a t e ss y s t e m 、 c o m p l e xc o m p u t a t i o na n di nv e r yd a r ki l l u m i n a t i o nc o n d i t i o n 、b a dw e a t h e ri td o e sn o t f u n c t i o nw e l l h o w e v e r a l o n gw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm o d e mi n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y ，m a n yk i n d so fl o c a l i z a t i o nt e c h n o l o g i e s ，s u c ha sl a s e rs c a nt e c h n o l o g y , r f i dt e c h n o l o g y , g p st e c h n o l o g ye m e r g e t l l i sr e s e a r c hh a ss t u d i e dg p st e c h n o l o g y a n dl a s e rs c a n n i n gt e c h n o l o g y , a n dw i l lb ea p p l i e dt oi n t e l l i g e n tm o n i t o r i n gs y s t e m ， t h u sc o u l di d e n t i f ya n dp o s i t i o n 氆ep e r s o n n e li nt h em o n i t o r i n ga r e a t h er e s e a r c hc o n t e n to ft h i sa r t i c l ei sm a i n l yb a s e do nt w om a j o rp a r t s ：m o v i n g o b j e c tp o s i t i o n i n gt e c h n o l o g yb a s e do n l a s e rs c a n n i n ga n dg p sp o s i t i o n i n g t e c h n o l o g y t h el a s e rs c a n n i n g - b a s e dp o s i t i o n i n gt e c h n o l o g yp a r t m a i n l yr e l a t e dt o t h el a s e rd a t aa c q u i s i t i o n , m o v i n go b j e c td e t e c t i o n , a sw e l la st h ep o s i t i o n i n go f o b j e c t s n eg p sp o s i t i o n i n gm a i n l yi n c l u d e st h eo v e r a l ld e s i g n ，g p sh a r d w a r e p l a t f o r mb u i l da n dt h r e e - d i m e n s i o n a lg r a p h i c sp cs o f t w a r em o n i t o r i n gs y s t e m d e v e l o p m e n t ，w h i c hf o c u s e so nt h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no ft h r e e - d i m e n s i o n a l g r a p h i c ss o f t w a r em o n i t o r i n gs y s t e m b a s e do n 搬er e s e a r c hw o r k t h eg p sp o s i t i o n i n gp a r th a sr e a l i z e d 畦l es o f t w a r e a n dh a r d w a r ea ts c e n e ，a n di tm e e t st h ed e s i g nr e q u i r e m e n t sw e l l a n dn o w ，t h e g p s b a s e dp o s i t i o n i n gs y s t e mh a sb e e ns u c c e s s f u l l yu s i n gi nt h ee n c l o s e dy a r d s y s t e mi nm a j i s h a nh a r b o r , b a os t e e lc o ，l t d i no r d e rt od e m o n s t r a t et h ev a l i d i t yo ft h el a s e ra n dg p sb a s e dm o n i t o r i n g s y s t e m 。al a b o r a t o r yp l a t f o 锄i sb u i l t t h es c e n e t e s t sh a sc o n f i r m e di t sv a l i d i t y k e y w o r d s ：i n t e l l i g e n tm o n i t o r i n gs y s t e m ，l a s e rs c a n ，g p sp o s i t i o n i n g ， t h r e e - d i m e n s i o n a lv i s u a l i z a t i o n v l 耋超盍堂瑟圭堂建谂塞 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他入已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：盔拯丝日期：芝：左竺：! 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 1 1 第一章绪论 1 。1 选题的背景及意义 在公共场所、重要保护区域和交逶要道等地方对安全监控技术有着广泛的需 求，而在安全监控领域中可靠地对运动豳标进行识别和定位具有很大的应用价 值。 长期以来，使用视频数据进行运动目标的识别定位，并进行行为分析一直是 主流方法。使用视频数据进行目标跟踪，面临多相机数据融合、不同视角坐标系 统之间的配准、复杂计算和在很暗的光照条件及恶劣的天气下失效等问题。 然藤随着现伐信息技术的飞速发震，又出现了多釉定位和识别技术，如激光 扫描技术，r f i d 技术，g p s 技术等。 激光扫描技术作为最近发展迅速的一种新技术，已成为空间数据获取的一种 重要技术手段，同传统的测量手段楣比，激光测距技术有着自己独特的优势，它 获取数据速度快、实时性强、成本低、精度高、可全天候工作、作业效率高，为 空间信息的获取提供了一种全新的技术手段，使人们从传统的人工单点数据获取 变为连续自动数据获取，这大大提高了观测的精度和速度，使数据的获取和处理 向智能化和自动化的方向发展。 采用激光扫描仪作为一个新的感应系统，根据时间飞行原理，扫描得到周围 环境距离数据，经过转换和处理后对物体进行运动和跟踪的技术已经得到圈益广 泛关注，并在些领域中显示了其优越性，此技术有着广泛的应用范围，可以运 用到虚拟现实、运动分析等领域中去。 r f i d 是r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n 的缩写，即射频识别技术是一顼起 源于2 0 世纪4 0 年代，目前已逐渐走向成熟的自动识别、定位技术。它利用射频 方式进行非接触双向通信，以达到目标识别和数据交换目的。它与早期的接触式 识别技术条码、磁卡等相比，具有可菲接触识剐，可识别高速运动物体，抗恶劣 环境，保密性强，可同时识别、定位多个识别对象等突出特点，因此它可在更广 泛的场合应用。 目前，r f i d 已成为i t 业界的研究热点，被视为h 韭的下一个“金矿”。各 大软硬件厂商，包括i b m 、m o t o r o l a 、p h i l i p s 、t i 、m i c r o s o f t 、o r a c l e 、s u n 、 b e a 、s a p 等在内的各家企业都对该技术及其应用表现出了浓厚的兴趣，相继投 入大量研发经费，推出了各臼的软件或硬件产品及系统应用解决方案。 全球卫星定位系统g p s ( g l o b a lp o s i t i o ns y s t e m ) 是随着现代科学技术的发展 建立起来的一个高精度、全天候和全球性的无线电导航定位、定时的多功能系统。 是2 0 世纪7 0 年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统。 它利焉缀于距地球2 万多公堡高的、由2 4 颗人造卫星组成的卫星嬲，向地球不 断发射定位信号。最少需要其中3 颗卫星，就能迅速确定地球上的任何位置。所 能接收到的卫星数越多，译码出来的位置就越精确。g p s 接收机，接收卫星发出 的信号，经过计算詹，就可报出g p s 接收橇的位置( 经度、纬度、高度) 、时闻和 运动状态( 速度、航向) 。目前，没有任何种传统的导航定位技术能够达到g p s 这样的高精度、高速度、全天候和全球性的性能。g p s 不仅已广泛用于海上、空 中和陆地墨标的导航，而且在运动躁标的监控和管理及运动隧标的报警与救援等 方面也已获得了成功的应用。 现有监控的入侵探测技术经过数代改进，功能上有了较大的提高。然而误报 闯题始终难以解决，隧前占据了报警探测器市场的大部分市场份额髓微波、红终 探测器也始终不能彻底将之克服。因此防误报已经成了监控系统的一大难题。究 其原因，产生误报警最大的原因在于现有的探测器只是在分辨现场物理量的变 化，而并不具备智能纯程度转】。 因此需要一种实时性强、精度高、可全天候工作的具备智能化的仪器，才能 很好的解决上述问题。而激光扫描技术、r f i d 技术、g p s 技术为监控探测系统 提供了视频图像之外的有效手段。为此本文采用这样一种方法：用激光扫描技术 实现监控区域中运动遐标的识别及定位，g p s 技术( 或者r f i d 技术) 实现合 法物体的识别及定位，通过分析在同一时间段内监测到的g p s ( 或者r f i d 信号) 及激光扫描设备的输磷信号来区分监测领域内是否有非法入侵者并给出其位置。 即当有物体进入激光探测区域，系统通过激光扫描装置定位监测区域中的物体并 记录个数，通过g p s 技术( 或者r f i d 技术) 识别合法物体的身份，定位其位置 2 并记录个数。如果激光扫描装置检测到的物体个数等于由g p s ( 或者r f i d ) 记 录的合法物体的个数系统将记录合法物体在系统监控区域的运动，但不发出报 警信号合法物体可以在监控区域内进行必要、正常的工作。当激光扫描装置检 测到的物体个数大于由g p s ( 或者r f i d ) 记录的合法物体的个数时表明检测 到有非法入侵者时，系统将立即发出警报信号并给出非法入侵者的位= 苒! 。 将g p s 技术( 或者r f i d 技术) 与激光扫描技术结合，应用到智能监控系统 巾，从而对监测范围的人员进行身份识别和定位是一次新的尝试，有一定的实用 价值。 1 2 国内外研究动态 将g p s 技术( 或者r f i d 技术) 与激光扫描技术结合应用到钾能监控系统 中，日内外未见报道，但足激光扫描技术用于行人跟踪、g p s 定位技术和r f i d 技术用于目标身份识别及定位在国内外各自都有一定的发展和应用。 1 2 1 使用激光扫描仪进行行人跟踪方面的研究 近几年来基于激光的行人跟踪系统不断的发展起柬它们或者崮定于移动的 机器人平台23 慨者采用固定平台h 8 】，以下是些国际上的研究成果。 图i im a i d 机器轮椅 如ep r a s s l e r 等人研制的m a i d ( 躺2 人及残疾人助动器) 机器轮椅( 图1 - 1 ) ，通 过激光扫描得到的数据提取静止和运动的物体，并进一步判断物体运动的方向和 速度，从而非常有效的实现了在宽阔、易变、人员密集的地方的避障的功能。 a j of o d 等人研究了用多台激光扫搞装置跟踪多个在办公室运动物体的问题，| 兑 明了激光跟踪物体及人的有效性n 值得提的是研究比较成功的是东京人学j i n s h ic u i 等人组成的研究团队，并 取得了。定的成果) 。 在验证实验中n 他们在展厅中使n 4 台激光 1 描仪对展厅中的人流进行了 一天的临测，在人流量密集时刻能够实时监测大约5 0 名参观者。与之自u 存在的激 光* 日踪系统相比他们使爿j 的方法所提取的特征非常稳定，对噪卢不敏感，在大多 数情况下u j 以正确的对数据进行融合。实验结果表明他们提出的力法非常有效和 稳定。 该实验中系统结构示意图如下( 图1 - 2 ) ： 幽1 2 系统结构 实验中采用了积累分巾法提取腿部的特征，后采用卡尔曼滤波进行追踪， 实验结果如罔】3 所示，儿中红也网圈代表激光的位茸，绿点代表背景，白色代 表移动的腿，彩色的线代表小川的轨迹，- 以看出妖验很好的刘行人进行了跟踪 趸，霹 幽1 3 激光跟踪结果 1 2 2g p s 定位技术的发展与应用 全球卫星定位系统( g l o b mp o s i t i o n i n gs y s t e m ，g p s ) 足美国从二十世纪7 0 年代”始研制，j 力n , f 2 0 年，耗资2 0 0 亿美金，j1 9 9 4 年_ 牟= 面建成，具有在海陆窄 进行伞方何实时二维导航与定位能力的新一代卫星导航i 定位系统。g p s 以全天 候、高精度、自动化、高教益等罹著特点，被成功的应， 于陆地运输、海洋运输、 民用航空、通信、测绘、建筑、采矿、农业、电力系统等多个领域。随着全球定 化系统的不断改进，硬件软什的不断完善，应用领域j r 在不断的丌打，目前已遍 及全球，并逐步深入人们的同常生活。 1 2 3 在r f i d 自动身份识别及定位技术的研究方面 r f i d 技术最早的出现叮追溯到第玖吐界大拽中b 机的敌我目标识别，但 是山于技术和成本原因，一苴没有得到广泛应用i ”。5 0 年代主要是r f i d 技术的 理论探索和实验阶段，6 0 年代r f i d 技术出现了最早的商业应用，它被用丁二e a s f 电 子物品俯视) 装置q j 用于防盗。7 0 年代8 0 年代，r f i d 技术极大的发展起来，广 泛的应_ jr 许多领域，例如动物的追踪系统、道路自动收费系统、禁系统等。 9 0 f i 代至今随着肌j 1 ) 技术的不断发腱和更多的应用，r f l d 技术的标准化问题、 隐私和安全什问题、成本问题等越来越受到人们的重视。从历史上看，r f i d 技术 的发展基本可按1 0 年期划分为几个阶段( 参见表11 ) ”： 表1 1r f i d 技术的发展阶段 时闽r f i d 技术发展 1 9 4 1 1 9 5 0 年雷达的改进和应用催生了r f i d 技术，1 9 4 8 年奠定了r f i d 技术的 理论基础。 1 9 5 1 1 9 6 0 年早期r f i d 技术的探索阶段，主要处予实验室实验研究。 1 9 6 1 1 9 7 0 年r f i d 技术的理论得到了发展，开始了一些应用尝试。 1 9 7 1 1 9 8 0 年r f i d 技术与产品研发处于一个大发展时期，各种r f i d 技术测试得 到加速。出现了一些最早的r f i d 应用。 1 9 8 1 1 9 9 0 年r f i d 技术及产品进入商业应用阶段，各种封阏系统应用开始出现。 1 9 9 1 2 0 0 0 年r f i d 技术标准化问题日趋得到重视，r f i d 产品得到广泛采用。 2 0 0 1 - 今 标准化问题日趋为人们所重视，r f i d 产品种类更加丰富，有源电 子标签、无源电子标签及半无源电子标签均得到发展，电子标签 成本不断降低。 由于具有高速移动物体识别、多目标识别、非视距识别和非接触识别等特点， r f i d 技术显示密了很大昀发展潜力与应用空闻，得到了广泛的关注。在用r f i d 进行定位方面囡内外都有一定的研究，开发了各种系统。 典型的r f i d 定位与跟踪系统有微软公司的r a d a r 系统【l l 】、m i to x y g e n 项 西开发的c r i c k e t 系统【1 羽、密歇报矧立大学的l a n d m a r c 系统等。 r a d a r 系统是由m i c r o s o f t 研究所在现有无线通信网的基础上开发研制的。 r a d a r 系统把信号强度作为估算射频发射器与接收器间距的依据，并使用三角 测量法计算出用户的位置。但是在建筑物内，射频信号传输环境是不断变化的， 如果采用同一传输模型，不可避免地影响了系统的精确度。c r i c k e t 室内定位系统 是由用户携带的接收器、固定放置在建筑物内的信标以及中心服务器组成。为了 使接收器准确地确定距离最近的信标，系统使用了射频信号和超声波进行测距。 避过测量两种信号的到达时闻差，来估算如与信标之闻的距离，找出最近的一个 信标，处理由它发送的数据。l a n d m a r c 系统是基于主动r f i d 校验的动态定位 识剐系统，它采用定位参考标签来辅助定位，这些参考标签充当系统的定位参考 点。该系统采用“最近邻居 算法，遥过信号的强弱来表征几何距离的远近关系。 6 圈l o 为该系统的定位示意图，需定位的室内部分是4 m 宽，6 m 长。 图1 _ 4l a n d m a r c 系统r f 阅读器和r f 标签分布图 国内在室内定位方面研究也有定的成果，例如：西南交通大学的孙瑜、范 平志在文献【1 4 】啐l 讨论了基于r f i d 的l a n d m a r c 室内定位系统，然后在此基础上 提出了一种最近邻屠改进算法和基于误差多级处理的数据融合定位方法；复里大 学的石鹏、徐风燕、王宗欣基于对数正态分布的室内传播损耗模型，利用最大似 然估计算法，通过迭代估计得到用户与各个接收机之间的距离和相应的传播损耗 模型中的遮蔽因子，并由此估计得到室内用户的位置【l 冀；重庆邮电学院关媛媛等 人研究了c r i c k e t 室内实时定位系统如何使用射频信号和超声波信号进行定位【l 刚。 1 。3 课题研究内容 将g p s 技术( 或者r f i d 技术) 与激光扫攒技术结合应用到智能监控系统中， 从而对监测范围的人员进行身份识别和定位，具有一定的实用价值，目前国内外 未觅有关报道，因此是次新的尝试。 本课题主要研究了激光扫描技术、g p s 技术和r f i d 技术在定位和防侵入系 统中的应用，其中采用g p s 技术进行定位与防侵入的研究直接用于宝钢集团马 迹山港料场车辆定位项目中，主要研究内容有： 基于g p s 技术的定位系统，包括： ( 1 ) g p s 数据的获取； 7 岍 m m m m m m m 静 糕 姑 攀 嶙 擘 黛 蠢 州 ( 2 ) 基于z i g b e e 技术的无线网络的搭建； ( 3 ) 上位机三维图形监控系统的软件开发。 基于激光扫描的运动物体定位技术，包括： ( 1 ) 激光数据的获取； ( 2 ) 运动物体的检测； ( 3 ) 运动物体的识别及定位。 r f i d 技术。 1 4 论文章节安排 第一章：绪论，主要介绍了课题的选题背景、意义和研究内容； 第二章：系统总体方案的设计与分橇，主要介绍了系统的功能分析、关键技 术及其方案选择、系统的总体设计原理和系统的组成； 第三章：基于激光扫描的运动物体定位技术，主要介绍了激光数据的获取、 运动物体的检测和物体的识别及定位； 第四章：基于g p s 技术的定位系统，主要介绍了该系统的主要功能、系统的 总体设计和组成系统的各模块； 第五章：基于g p s 技术的定位监控中心软件设计，主要介绍了g p s 监控系统 的软件总体设计、实现软件功能的各主要模块和软件的功能实现； 第六章：基于激光扫描和g p s 技术的定位和防侵入监控系统的实验，主要介 绍了定位和防侵入监控系统实验平台的实验设备与环境以及定位与监控的实验 结果； 第七章：总结。 8 第二章系统总体方案的设计与分析 定位和防侵入系统作为一个融合了多项技术的系统，在结构功能的设计和分 配上需要尽可能的合理，充分利用有限的资源实现尽可能完善的功能，本文针对 宝钢马迹出港的铁矿石料场的具体环境进行设计，这就需要我们在设计之初，结 合环境因素分析整个系统的要求和功能，选定一个设计合理的总体方案。 2 。1 系统功能分析 智能监控系统主要功能是自动识别监控区域内的物体的非法和合法性并对 其进行定位的功能，具体功能要求如下： 系统应能对监控区域中的物体进行非法和合法性的鉴别，从而可以使授 权的物体在监控区域中活动时不会误报警。 系统应给出监控区域中物体的运动位置，以备监控显示。 系统还必须具有一定的实时性，实时反应现场情况。 系统还应该能够自动记录监控区域中物体的运动及报警信息的历史数据 以及具有历史数据查询的功能。 监控区域大小，在室内为2 0 x 2 0 m 左右的空阔区域，在室外如采用g p s 技术则可扩大到l 0 0 0 1 0 0 0 m 。 另外系统由于应用环境的不同需要满足各自监控环境的要求。本文中智能监 控系统的应用环境为宝钢马迹山港的铁矿石料场( 图2 1 、2 2 ) 。 9 图2 - 】无人化料场局：= ：【：实蚓 图2 - 2 尤人化料场整体模拟图 2 2 系统关键技术分析 根据系统功能需求，本课题主要涉及如r 两个问题： n 1 检测运动物体及获取其位置。 r 2 1 实玑合法人员的身份识别及定位。， 围绕1 述二个问题，f 面简要介绍项同所涉及的关键控术的设训方枭 2 2 1 运动物体的检测及位置的获取方式设计 对于运动物体的检测及位置的获取人们进行了长期的研究，发展了各种各样 的方法。究竟采用哪种方法来获取信息，在很大程度上决定了装置的构造、性能、 成本、适用范围。比较主流的方法如双目视觉法，超声波法，激光扫描法等。 使用双目视觉进行物体的检测及位置的获取，面临多相机数据融合、不同视 危坐标系统之闻的配准、复杂计算和在很暗的光照条件及恶劣的天气下失效等问 题。 超声波法是超声波传感器利用物体界面上超声反射、散射检测物体的位置的 方法。超声波在空气中传播时如果遇到其它媒介，则因薅种媒质的声阻抗不同丽 产生反射，超声波传感器检测反射波并进行分析，从而确定物体位鼍。超声波传 感器具有信息处理简单、快速和价格低的优点，但它具有一定的局限性，表现在 探测波束角过大，方尚性差，往往只熊获得曩标的距离信息，不能准确地提供尽 标的边界信息，单一传感器的稳定性不理想等 1 7 1 。 而激光扫描技术作为最近发展迅速的一种新技术，已成为空间数据获取的一 种重要技术手段，同传统的测量手段相比，激光测距技术有着自己独特的优势， 它获取数据速度快、实时性强、精度高、可全天候工作、作业效率高、非接触性， 为空间信息的获取提供了一种全新的技术手段，使人们从传统的人工单点数据获 取变为连续鲁动数据获取，这大大提高了观测的精度和速度，使数据的获取和处 理向智能化和豳动化的方向发展。 激光的这些特性可以很好的满足本文的要求。因此课题中采用激光扫描测量 技术作为运动物体的检测及其位置的获取的手段。 2 。2 。2 合法人员的身份识别及定位方式的设计 对予合法人员的身份识别及定位，主要考虑采用r f i d 技术或者g p s 结合无 线通信的方式。 2 2 2 1 基于r f i d 技术的识别及定位方式 r f i d ( 射频识别) 技术是顼超源于2 0 世纪露o 年代，目前已逐渐走向成熟的 自动识别、定位技术。它利用射频方式进行非接触双向通信，以达到目标识别和 数据交换目的，利用其信号强度可实现非接触定位。它与早期的接触式识别技术， 如条码、磁卡等相比，具有可非接触识别、可识别高速运动物体、抗恶劣环境、 保密性强、可同时识别定位多个识别对象等突出特点，因此它可在更广泛的场合 应用。 ( 1 ) r f i d 系统的组成 r f i d 系统因应用不同其组成会有所不同，典型的r f i d 系统由射频卡( 也 称电子标签、应答器) 、读卡器( 也称为阅读器、读写器) 两大部分组成。 射频卡是射频识别系统真正的数据载体，由线圈( 天线) 和用于存储有关应用 标识信息的存储器及微电子芯片组成，其中包含串行e e p r o m ( 电可擦除及可编 程式只读存储器) 、微处理器c p u 以及射频收发及相关电路。射频卡的基本组成 如图2 3 所示。射频卡的几个主要模块集成到一块芯片中，完成与读卡器的通信 功能，存储器用于储存识别号码或其他的特征信息，容量从几个比特到几兆比特 不等。基于不同的应用，对射频卡的体积、性能等的要求也各不相同。一般来说 射频卡的主要功能、特点有以下几点：可接收、发送信号，外围部件少，功耗低， 能在低电压下工作，具有信息存储、处理能力，依据不同需要，具有天线、射频 微波探测器、调制器、解调器、控制逻辑及存储器等部件。 图2 - 3 射频卡结构图 读卡器是连接射频卡与管理系统的桥梁，主要由无线收发模块、天线、控制 模块及接口电路等组成，内部结构如图2 4 所示。其中无线收发模块用于产生高 效的发射信号、调制发射信号、接收并解调射频卡信号，控制模块用来提供复杂 的信号状态控制、奇偶错误校验与更正、数据加密、反碰撞等功能，接口模块用 1 2 来与应用系统进行通信。 l 弋 l 天线 图2 4 读卡器结构图 ( 2 ) r f i d 系统的工作原理 r f i d 系统的工作原理如下：读卡器加电后发出的查询信号，经编码籍加载 在某一频率的载波信号上经天线向外发送，进入读卡器工作区域的射频卡接收此 查询信号，卡内芯片中的有关电路对此信号进行调制、解码、解密，然后对命令 请求、密码、权限等进行判断，将自身存储的电子信息发送给读卡器，读卡器对 接收到的信号进行解调、解码、解密后送至中央信息系统进行有关数据处理。射 频卡中所贮存的电子信息代表了待识别物体的标识信息，射频卡相当于待识别物 体的身份象征，从而利用射频识别系统实现无接触识别物体的目的【l s 】。另外根据 读卡器中读到的射频卡强度信息，可换算出射频卡至读卡器的距离，从而可以得 到物体位置。 ( 3 ) 现场实验验证 为了验证r f i d 系统的有效性，课题组使用了赫立讯( h e l i c o m m ) 公司的 e z t r a c e r 系统，其为内嵌有z i g b e e 网络协议的r f i d 系统，在料场的现场进行 了实验验证。 e z t r a c e r 包含了组成一个定位系统所需要的基本设备，如图2 。5 所示： 1 3 卜上 、 龆h e l i c o 1 r n 罔2 - 5e z ir a c c rj 率设备 图2 - 5 中，l 为r e a d e r ，2 为t a g ，3 为m a s t e r ，4 为充电器。 m a s t 甘：负责采集原始定位数据并上报至上层管理软件。m a s t e r 采用u s b 接 口和上层主机通信，无需外接电源方便易用。 r e a d 能即前文所说的读卡器，组成数据采集的骨干网络，并作为定位的参 考节点。以m e s h 拓扑结构为基础，若干个r e a d 啊可以灵活组网，实现对各种应 用环境韵覆盖，并有效避免通信盲区的出现：r e a d 甘使用赫立讯先进的z i 班 协议栈，可支持更大规模的网络容量及路由级数。 1 k ：即前文所说的射频卡，作为定位目标的发射装置，实时上报原始定位数 据。t a g 采用低功耗的8 位微控制器，通过控制休眠唤醒时问，有效降低整体功 耗，使t a g 电池寿命可长达5 年( 在休眠周期为1 分钟时) 。t a g 包含工作指示 l e d ，电源开关，并支持外部充电。 赫立讯的t a g ( 移动节点) 定功率向外发送信号强度信息，由参考节点检测 并建立路由袭存储后向m a s t e r 发送相关的数据值。料场的轨道长7 0 0 m ，每个参 考节点间相距5 0 m ，并且需要在轨道的两边分别安装，每条轨道需要2 2 个参考 节点整个料场共有6 根轨道，因此一共需1 3 2 个参考节点。如图2 - 6 安装并涮 试相应的r s s i ( 信号强度) 值与t 赡到r e a d e r 间距离，其中圆代表参考节点 r e a d e r 、五角星代表r a g 虚线表示移动节点与某个相对参考节点的关系，前面带 图2 6r f i d 测试布置图 ”一的为r s s i 值，数据尾带有”m ”的为移动节点与参考节点间的实际测量距离。理 论上可依据r s s i 计算出t a g 到r e a d e r 间的距离，称为理论距离，表2 一l 显示了 根据公式( 2 1 ) 计算出的理论距离与实际的距离的偏差。 p l ( d ) = p l ( d 。) + 1 0 箨l o 车( 2 - 1 ) “o 其中p l 表示给定距离的所有可能路径损耗的综合平均，d o 为近地参考距离， d 为t a g 捌r e a d e r 之间的距离，n 为路径损耗指数，表明路径损耗随距离增长的 速率，其依赖于特定的传播环境，例如在自由空间n 为2 ，在室内视距传播时n 为1 6 1 8 。 表2 - 1r s s i 值对应的距离 r s i i 值 理论距离( m ) 实际距离( m )偏差( m )偏差( ) - 5 93 13 0l3 2 - 6 6 7 05 02 04 溉 - 6 88 9 5 63 3 5 9 一7 11 2 5 5 8 6 71 1 5 - 7 31 5 86 29 6 1 5 5 - 7 51 9 96 81 3 1 1 9 3 1 5 实验结论： 针对本项目的应用环境，该系统最大优点在于移动节点使用方便、功耗低， 不足之处在于参考节点过多造成成本较高，轨道两侧由于大机的来回工作使得参 考节点安装困难，l 司时参考结点功耗较大，电源的供给也很困难，最重要的是由 于料场内料堆的高度和具体位置的随机性很大，所以对r s s i ( 信号强度) 值的影响 较大，使得本来就不高的定位精度下降，且从表2 - 1 可见，实际距离越远，r s s i 定位误差越大。 虽然在本项冒中采用r f i d 定位技术不是较合理的方案，慑对于室内无g p s 信 号的应用环境下，随着技术的不断成熟，r f i d 技术的应用优势将越来越明显。 2 2 2 2 基于g p s 定位及无线传输技术的方式 g p s ( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) t 挎冽是近年来迅速发展起来的一种卫星定位 导航方式，是7 0 年代美国囡防部发展的第二代卫星导航系统。它可以提供全球 范围内的导航定位数据，用户实时接收卫星发出的信号，可以推算出用户当前的 位置、速度和时间等定位信息。它能够为全球任意地点、任意多个用户困时提供 高精度、全天候、连续、实时的三维定位、测速和时间基准。它是由2 1 颗工作 卫星和3 颗在轨备用卫星组成的实用系统，这些卫星分布在互成6 0 度的6 个轨 道平面上，每个轨道平面平均分布3 颗卫星。 g p s 在各行领域应用十分广泛，比如测量，航空等。g p s 定位的优点有以 下几个方面： 具有全球性、连续性，定位精度较高、误差小、成本较低等优点。 信息量丰富，使用g p s 对定位精度和定位自动化程度的提随十分有利。 g p s 不仅提供位置如经度、纬度和高度信息，也提供速度、时间等信息。有效利 用这些信息可以使系统的功能更完善。 利用g p s 系统的位置信息定位不存在累计误差，定位精度高。这样避免 人工的里程修正，使系统的操作更加简便。 地面g p s 接收设备类型丰富，有各种类型的功能各异的g p s 接收机产品， 用予测量的，用于导航的等。 经济实惠，利用这种技术只需要一个g p s 接收机便可以了。 1 6 但g p s 也存在缺点：定位精度依赖于定位卫星的数目，这个数目依赖于地 理环境，当g p s 在森林，山谷和其它一些有障碍物的地区接收信号时变得不可 用或是不可靠【2 1 1 。 从g p s 模块得到的数据需通过无线传输传至监控中心，实现物体的定位。 目前的g p s 定位系统采用的无线传输系统主要采用g p r s ，z i g b e e 等无线数据 传输技术。g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 是通用分组无线业务的简称。 g p r s 采用分组交换技术，在现有g s m 网络上实现高速数据传输，最高数据速 率可达1 7 1 k b i t s 。这样的数据速率，将可以极大地满足日益增长的移动数据业务 需求，并可与i n t e r n e t 有效融合，实现移动i n t e r n e t ，因而有很强的生命力。而 z i g b e e 是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术，它是一种介于无线标记技 术和蓝牙之间的技术提案，主要用于近距离无线连接。它有自己的无线电标准， 在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量， 以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们的 通信效率非常高。其主要优点为低功耗。综合考虑现场环境及系统成本的因素， 采用z i g b e e 技术的无线传输可很好的满足要求。 i 国 - 小 ，露一_ 二， 数传中心模块 事 - ， 聿 r -妇，。 图2 7g p s 加数传模块测试布置图 现场实验验证：采用g p s 模块通过无线数传模块发送定位信息，通过数传 中心模块由上位机接收。如图2 7 进行安装并测试g p s 信号的精确度、稳定性 及无线数传模块的通信质量。表2 2 显示出g p s 精度可达4 m 左右。 1 7 表2 - 2g p s 测量数据 4 量点j 纬度平均( 度) 经度平均( 度) 计算坐标x ( 驯计算坐标y ( i n ) 实际坐标x ( m ) ! 实际坐标y ( m ) 1 3 0 6 7 4 6 3 4 51 2 2 4 2 3 3 4 5 6 6 2 7 2 i3 0 6 7 1 8 5 0 2 71 2 2 4 2 2 0 3 9 1 5 0 2 3 j3 0 6 7 3 2 9 0 4 51 2 2 4 1 5 7 8 4 1 - 9 6 。 4 3 0 6 7 6 1 2 0 9 31 2 2 4 1 6 7 9 4 5 3 0 6 7 4 8 8 9 5 71 2 2 4 2 3 4 2 0 86 3 4 6 3 0 6 7 7 4 4 9 0 312 2 4 2 4 19 8 67 0 8 7 ；3 0 6 7 9 1 6 5 9 31 2 2 4 1 6 6 4 5 8 ：- 1 4 8 3 0 6 7 6 4 3 0 9 41 2 2 4 1 6 5 5 7 2 ；- 2 2 5 0 34 - 9 6- 3 o 6 3 2- 1 7 1 21 1 53 2 1 实验结果： g p s 带数传模块做定位，优点有：定位精度较高，无需参考节点，从而节省了 项目成本的开支。不足之处在于移动节点比较复杂、功耗较大，对电源的要求较 高。为了解决这方面的问题首先可以在软件上采取措施：当物体离开需要定位的 区域或长时间处于静止时自动进入休眠状态，当再一次回到料场后或发生了移动 时通过中心节点进行唤醒。同时考虑使用充电锂电池，通过对工程车辆的电瓶电 源做稳压处理后给锂电池充电。 综合考虑上述两种设计方案及现场要求和实验论证，决定采用基于g p s 定 位及无线传输技术的方式作为本系统中合法人员的身份识别及定位的方式。 2 3 系统的总体设计原理 基于以上分析，设计了系统的实现过程如下：首先使用激光扫描传感器提取 监控区域中的运动目标的位置与数量，同时使用g p s 模块及相应无线传输模块 用于合法物体的识别及定位，通过分析在同一时间段内监测到的激光扫描传感器 的输出结果和g p s 的识别和定位结果来判断监测领域内是否有非法入侵者并给 出其位置。即当有物体进入激光探测区域，系统通过激光扫描装置定位监测区域 中的物体并记录个数，通过g p s 技术识别合法物体的身份，定位其位置并记录 个数。如果激光扫描装置检测到的物体个数等于由g p s 记录的合法物体的个数， 系统将记录合法物体在系统监控区域的运动，但不发出报警信号，合法物体可以 在防盗区域内进行必要正常的工作。当激光扫描装置检测到的物体个数大于由 g p s 记录的合法物体的个数时，表明检测到有非法入侵者时，系统将立即发出警 1 8 一一一一一一一一 报信号并给出非法入侵者的位置。 系统总体设计原理图如图2 8 所示。 2 4 系统的组成 图2 - 8 系统总体设计原理图 从图2 8 可见，系统由激光扫描部分、g p s 终端及无线传输部分及p c 数据 处理部分组成，从系统组成成分的性质来分，本系统由硬件部分和软件部分组成。 2 4 1 硬件主要构成 系统的硬件主要由激光扫描仪、串口服务器、g p s 模块、g p s 控制模块、无 线传输模块、工业控制计算机和液晶显示器构成。 ( 1 ) 激光扫描仪 利用激光扫描仪来获取设定区域内所有物体的平面位置数据，它是本系统的 1 9 核心部件。市两上常用的这类激光扫描仪生产的厂家主要有法国的越g e l 公司， 加拿大的o p t e c h 公司，美国的c y r a x 公司，澳大利亚的i - s i t e 4 4 0 0 公司等【2 2 】。 应根据应用场合，综合考虑精度，分辨率，扫描区域，扫描速度等因素，选用激 光扫描仪。 但) 串口服务器 激光扫描仪通过串口和工控机进行数据通讯，同时无线