定位跟踪管理-物联网应用.doc

.定位跟踪管理：物联网的基础应用在以信息技术为核心的知识经济时代，信息资源已成为与材料、能源等同样重要的战略资源，世界各国都把加快信息化建设作为自己的发展战略。而“信息高速公路”的“最后一公里”问题始终制约着信息化的发展，物联网概念的提出以及其技术的发展与应用，将成为打通信息化通路的最后一道关口。在物联网的应该用中，与人们生活结合最紧密的应用就是定位跟踪管理。定位跟踪的对象可以是人，也可以是任何物品。通过定位跟踪管理或以其为基础，才能发展出更多的应用，实现“物物相联”。定位跟踪管理：物联网的基础应用 文/张铎 实时定位系统（Real Time Location System，RTLS），是指通过无线通信技术，在一个指定的空间（办公楼、场地、城区、全球）内，实时、或者接近于实时的对目标定位的系统。目标的位置信息是通过测量无线电波的物理特性得到。定位技术的分类有多种，包括绝对定位和相对定位、紧密耦合和松散耦合、集中式计算与分布式计算、基于测距技术的定位和无须测距技术的定位。实时定位系统的架构如图1所示。图1 实时定位系统架构 实时定位系统由以下部分组成： 实时定位标签：有源(电池供电) RFID标签，拴挂在资产、人员上。有源标签无线发送信息给读写器，包括唯一的ID标识号以及一定的状态信息。 无线电接口协议：用于RTLS系统的无线通信协议和标签与读写器通信的数据结构。 实时定位读写器：接收RTLS标签无线信息的设备，同时具备多种联网功能。 读写器组网方案：读写器之间、以及读写器与定位中心控制系统的连接组网方案。包括：以太网、无线局域网、485总线、自组网络等。 通用设备API接口：RTLS 读写器的控制API接口。 实时定位中间件：也叫定位引擎，是实时定位系统的关键部分。其从读写器获得标签的数据，通过定位算法进行位置计算，并把计算得到的标签位置和状态信息发送给应用系统。在较大的系统中，中间件的功能有可能分布部署多个服务器中。中间件API接口：实时定位中间件与主机应用系统之间的接口函数形式。主机应用软件：用户管理信息系统。 以资产定位为例，采用射频识别技术（RFID）和实时定位技术（RTLS），在需定位管理的资产上粘贴有源RFID电子标签，在资产所在范围内部署无线RFID监控读写器，利用无线定位技术确定出此资产的位置，对企业重要资产进行全程定位和监控，实现设备资产的定位、跟踪，达到房间级精度，防止非法携带、使用；对于只能在指定区域使用的部分资产，可以通过设置权限控制其移动范围，对非授权携带产生报警提示。 将目标定位的结果经过无线传输传送到中央处理器，通过包括云计算在内的数据处理，实现了对目标物的跟踪管理。 定位跟踪管理可以应用于诸多领域。人员定位跟踪、车辆定位跟踪、生鲜食品定位跟踪、贵重物品定位跟踪、军事物资定位跟踪、集装箱定位跟踪、飞机轮船定位跟踪、等等。 定位跟踪技术除了RFID以外，还涉及到二维条码技术、GPS、GIS、无线通信、卫星通信、等等。本文摘选其中较为典型的技术及其应用，介绍给读者。固定场所人员定位跟踪管理 人员定位跟踪管理系统应用有源射频识别技术对人员进行定位。目标人员佩戴定位用射频识别卡，采用智能RFID定位跟踪设备作为信息采集和传输的核心设备。根据定位精度的要求安装智能RFID定位跟踪设备，后端系统记录定位跟踪设备在场内的位置。定位跟踪设备自动采集控制区域人员卡和资产卡信息，并将信息与定位跟踪设备编号一同传送给后端系统，系统通过处理定位跟踪设备编号和卡信息实现人员定位。定位跟踪设备场内布置示意图（绿色原点表示监控设备）见图2。两个定位跟踪设备控制区域范围示意图见图3。 图2 定位跟踪设备场内布置图3 定位跟踪设备控制区域范围 定位跟踪设备的有效范围是以其为圆心的一个圆形区域，此区域的有效半径可以根据需要进行调整，范围由2米到80米。该区域范围即为系统定位精度的范围。当射频卡进入不同区域时，控制各区域的定位跟踪设备就会将采集到的该卡的信息和本身的编号传递到后端系统。在后端系统中存有场内安装的所有定位跟踪设备的位置信息。当管理系统收到各点定位跟踪设备传送的信息后即可在系统中显示人员当前所在的位置。 所安装的定位跟踪设备的数量取决于系统对场内人员定位精度的要求。如定位区域范围较大则所需的定位器数量就少，系统的造价就低，反之则系统造价就高。 定位跟踪系统特点: 自动实现人员信息采集和传送，无需人工干预，不影响人员的正常工作，不改变日常的工作习惯；对场所内人员的定位精度可以根据管理要求调整；可以与管理系统平滑连接，为基于人员位置信息的扩展应用提供基础数据。如：可以根据采集的信息统计分析人员的移动路线、工作习惯等；可以在人员到达前自动开启关闭门锁或道闸，并提供报警提示等；可以根据人员身份，自动为其提供个性化的服务等。 核心设备简介 人员卡：为信用卡状，大小与日常使用的工卡相同，可以采用悬挂或佩戴等任意携带方式，卡内存储使用人信息。每位进入场所的人员都须携带一张人员卡，作为其在此固定场所的身份标识。 定位跟踪设备：每台智能定位跟踪设备可以形成280米可调的控制区域，并根据系统的要求定时或实时采集其控制区域内的射频卡信息。当人员或资产发生移动，进入其它的定位跟踪设备的控制区域，系统即可实时掌握人员的位置变化。特定场所人员定位跟踪管理战场伤员定位跟踪管理在复杂多变的战场环境下，无法对伤员实施精确定位，是一直以来制约战场搜救效率的瓶颈。“野战单兵搜救系统”融合了超高 频射频识别、无线通信、条码、软件工程等多种技术手段，通过与第二代“电子伤票”系统和一体化指挥平台嵌入链接，实现了战场搜救从“概略搜寻”到“精确定位”的转变。 在硝烟弥漫的演练场，每名官兵除随身携带着包含个人血型、用药禁忌、病史等信息的“电子伤票”外，手腕上还佩戴着手表大小的信号发射器。在遭到炮火袭击后，受伤的官兵在进行自救互救的同时，通过信号发射器发出求救信号。野战救护所内的“野战单兵搜救系统”显示屏上，频频显示伤员求救信号，电子战场态势图上一个个闪烁的红点清晰地显示出伤员的准确位置。搜救小组闻令而动，就近选择路线前往搜寻。其中有一名“重伤员”被送到救护所，立即推上了手术台。 受伤人员未到，伤情信息已至。透过大屏幕看到，搜救人员到达伤员受伤地后，从伤员身上取下“电子伤票”，插入“伤员信息手持机”，马上显示出伤员的自然情况，快速录入伤情、伤部和伤类等信息后，通过“电子伤票”系统发送至野战救护所。野战救护所判读伤情信息，迅速做好接收伤员的准备。监狱人员定位跟踪管理 随着科技发展，监狱监管手段日趋多样，但是仍不能有效预防服刑人员的出逃、自残和斗殴聚众闹事等事件的发生。随着RFID技术的不断成熟，欧美以及东南亚一些国家纷纷应用RFID技术辅助监狱管理，并取得了良好的效果。我国监狱也开始采用RFID技术对服刑人员和监狱干警实施监控管理。 监狱人员定位跟踪管理系统的工作原理是：每一个服刑人员在手腕上佩戴一个“身份手表”，即电子标签；在电子标签内记录该服刑人员的身份信息，包括姓名、年龄、性别、身高及体貌特征，犯罪记录等；在活动的所有通道、大门、报到处等关键位置上设立电子标签读取设备，服刑人员一旦经过所设位置，读取设备即自动记录；系统接收器通过光纤传输信号到中央服务器，并与管理数据库中的信息核对，同时对事件进行处理。系统软件利用这些数据计算出各个RFID电子标签的位置及状态，同时判断是否出现异常条件，出现后自动发出异常警报，采用系统应急机制，终端客户机以不同方式展示这些信息，通过图形界面的人机接口方式供管理人员进行操作，并且保存所有操作人员名称及操作记录。 采用RFID技术的监狱人员定位跟踪管理系统可实现以下功能：在阅读器和腕带式标签中加装定位器，定位器将位置信息反馈给管理软件，软件可以清楚反映出人员行动路线和聚集情况，使管理人员在服刑人员聚众斗欧等问题上能做出准确而有效的反映。实时定位跟踪各区域内人员，通过图像化方式查看所有被监控人员的状态。实现门禁管理，区域人数管理和限制区管理，防止服刑人员聚众闹事。资产定位跟踪管理 任何企业都十分重视资产管理。资产定位跟踪管理有助于实现企业的现代化和数字化管理。已经引起了企业管理层的高度重视。 资产定位跟踪管理系统：部署有源RFID识读器，自动采集设备资产携带的有源RFID资产标签信息，经过定位中间软件计算得出该RFID标签的位置和状态信息，以此来判断资产的位置和状态信息，并显示在位置地图界面上；当资产设备的位置发生变化，如离开/进入楼层或在实验室各房间间的移动时，可将位置变化信息提示提交给上层资产管理应用系统，必要时发出报警。提示及报警信息可以显示在在屏幕，报警方式可包括屏幕红色闪烁、文字提示，也可增加声音告警。根据需要由管理系统做出限制出入、提示报警等处理功能。 轨迹回放：完成任一资产指定某天运行轨迹进行跟踪与记录，运行轨迹在图上进行形象直观的回放，形象地反映了其当天所行走的轨迹，给出图形表示，也提供了数据报表。如图4所示。图4 轨迹回放资产定位跟踪管理系统主要功能有： 查询统计功能。可以按照自定义组合条件（单人、部门、区域、时刻等）查询资产某一时间段经过的所有位置和进入该位置的时间及状态信息等，可以方便的打印相关报表，还可切换到动态演示状态； 时刻查询功能。查询某一时刻，资产的位置和到达此位置时间，并自动生成打印报表； 区域查询功能。查询某一时间段，在这个区域活动的人员信息，资产的位置和在此区域内的动态信息，并自动生成打印报表。铁路重要物资定位跟踪管理 为了适应铁路跨越式发展形势，满足铁路高速、重载需要，保障铁路运输安全，提高铁路物资质量的管理水平，北京铁路局铁路建立了“重要物资质量安全跟踪追溯系统”。该系统通过提供先进和科学的信息管理手段，能够实现铁路单品物资质量全寿命跟踪管理，最终建立高效的铁路物资质量安全体系。 “铁路重要物资质量安全跟踪追溯系统”由数据采集，数据整理、数据挖掘和数据应用四个部分组成。在新系统中应用了二维条码（汉信码）技术，取得了显著效果： 一方面，在铁路重要物资（机车的增压器转子、油泵等）的非工作面上，通过激光刻蚀技术刻有汉信码码图。如图5、图6所示。码图中包含了产品的信息和相关的技术参数，在铁路机车运行一定时间后，检修人员对机车进行检修时，通过扫描机车部件非工作面的汉信码码图，便能够知道该部件的出厂参数，检修人员通过比对部件的现有参数和出厂参数，便可以知道这个部件是否可以继续使用。 另一方面，每件重要物资在系统中都分配了惟一的编码，并在产品的外包装上粘贴汉信码标签，以一物一码的方式实现了重要物资的质量跟踪、追溯功能。 在使用过程中，“汉信码”技术所具有信息容量大、汉字表示能力和汉字压缩效率高、抗污损和畸变能力强、修正错误能力强等优点得到充分体现。非常适合在铁路物资管理系统中推广应用。图5 机车转子汉信码码图刻蚀部件图6 机车发动机转子轴承上的汉信码码图 激光打标技术是激光加工最大的应用领域之一。激光打标是利用高能量密度的激光对工件进行局部照射，使表层材料汽化或发生颜色变化的化学反应，从而留下永久性标记的一种打标方法。激光打标可以打出各种文字、符号和图案等，字符大小可以从毫米到微米量级，这对产品的防伪有特殊的意义。 激光能标记何种信息，仅与计算机里设计的内容相关，只要计算机里设计出的图稿打标系统能够识别，那么打标机就可以将设计信息精确的还原在合适的载体上。 铁路重要物资跟踪追溯项目主要是在铁路机车的重要物资上进行汉信码的刻蚀，如：机车转子、机车油泵等。 对于金属刻蚀的二维条码识读，在自动识别行业是公认的难点，金属设备由于表面光滑，反光问题成为制约汉信码识读的首读率和识读的关键问题。 图像分割是图像处理和计算机视觉领域低层次视觉中的主要问题，同时也是一个经典难题。由于光线反射的影响，从铁块上获取的图像中有多光斑或亮条，使得图像进行分割时比较困难。考虑光照不均、阴影、各处对比度不同以及突发噪声等一些图像损耗因素，如果只用一个固定的全局阈值对整幅图像进行分割，则会使分割失败。因此，对整幅图像采用动态阈值的方法进行分割将会提高汉信码的识读率。 将激光蚀刻技术与汉信码技术相结合，成功地解决了在金属物品不易使用RFID等产品的技术难题，为实时定位跟踪金属类物品夯实了技术基础。 我国军事物资跟踪管理系统 物联网军事资产管理系统由供应商管理、后方仓库管理、运输管理（在运物资识别）、野战货场管理四个业务单元组成，涵盖了物资从供应商提供物资,到后方仓库的物资接收、保管、发运，以及在运物资监控等全部过程。四个业务单元分别由若干子功能组成： 物资供应管理：物资标识条码管理、物资包装RFID标签管理、送货单据管理； 仓库管理：入库管理、盘点管理、出库管理； 运输管理：地点识别、车辆识别、物资识别； 野战货场管理：集装箱查找与识别。 物资供应管理 物资标识条码管理：通过一维条码表达物资的基本属性，包括物资分类、批次等信息。 物资包装RFID标签管理：通过物资包装RFID标签记载表示包装箱号以及放入包装箱内的物资信息。 送货单据管理：输入送货单据信息，可提前预置，也可现场输入信息。在送货单据的打印或预览结果中，使用二维条码表达送货单据中的文字及图形信息。单据和物资标签范例如图7所示。图7 标签范例仓库管理 仓库管理包括了出入库管理、盘点管理、库位识别等。基本功能如下： 出入库管理： 单据二维条码录入：通过扫描送货单据上的二维条码，可以有效解决大量文字、图形信息快速、准确录入的问题，提高工作效率，降低工作人员的劳动强度。 出入库物资RFID自动清点：通过安装在龙门架上的RFID读写器读取出入龙门架的物资包装箱上的RFID标签信息，快速取得包装箱内的物资信息。当一个或者多个贴有RFID标签的包装箱通过龙门架时，系统显示包装箱的编号以及包装箱内的各项物资信息。应用示意图见图8。图8 出入库 库内物资盘点：使用手持RFID读写器读取包装箱上的RFID标签，获取物资信息，扫描货位标识条码，经过确认后，数据传送到系统中，系统自动显示盘点结果，包括库位信息及相应库位内存放的物资信息。 库位识别：在系统中，采用图形显示货位布局，选取某一货位，货架上相应位置的有源RFID标签进行声光提示。 本系统在实施中，将条码与RFID标签绑定，在物资包装盒上不仅粘贴一维、二维条码，还在物资包装箱上粘贴无源RFID标签，在物资托盘粘贴无源RFID标签。通过条码RFID一体化手持设备的物资标签进行初始化管理。 用手推小车装载物资，通过龙门天线阵列时，一次性扫描物资。系统即时显示出共有多少物资通过，物资名称等信息。 系统通过PC机下指令，对货架进行查找。货架上的有源RFID标签进行声光提示。货架的每一层安装有源RFID标签（有声光提示功能）；货架上每个货位粘贴条码标签，标识货位信息。通过手持机对货物进行盘点，将信息上传后，在系统中以图形化显示各个货位物资的信息。应用示意图如图9所示。图9 智能货架 运输管理 系统采用卫星定位系统，结合GIS技术，当装载物资的车辆通过特定的信息采集地点时，系统自动显示车辆当前的地理坐标、地点名称、通过时间以及车辆和物资的相关信息。 地点识别：当车辆通过某一特定地点时，计算机的GIS系统显示车辆的通过时间以及本地的特征信息，如坐标和名称等； 同时将车辆位置数据发送给手持机，手持机GIS界面上也显示车辆的位置信息。同时显示车辆的编号以及所属单位、发运单位、接收单位等信息；也可以进一步查询车辆装载的物资名称、数量等信息。 运输集装箱温湿度采集。通过温湿度传感RFID标签，实现对运输过程中温湿度采集。 野战货场管理 采用RFID技术，实现对野战货场内的集装箱进行定位跟踪管理。见图10。图10 集装箱查找 集装箱跟踪管理 基于2.4G远距离传感型射频卡的“RFID铁路运输集装箱管理系统”，将先进的RFID技术与电子封条技术相结合，成功地应用集装箱定位跟踪管理。 所谓电子封条技术，是指能够记录车厢或者其他硬包装是否曾经被偷偷打开，并且能够在被非法开启的时候自动报警的一种验证货物完整性的鉴别技术。电子封条能够实现对于货柜的自动识别，将货物运输中的货柜开关状态信息记录到电子标签中，成为货物运输信息的载体，在点对点运输过程中实现从始发站到目标站之间货柜未被开启的验证目标。一旦电子封条遭到破坏，将会反映给计算机监控系统。 主动式封条在结合GPS技术以后，能在集装箱状态发生变化时实时将状态变化发生的时间、地点以及周围的环境信息传输到货主或管理人员的机器上去。更有一些主动式电子封条能够在损害行为发生时提供即时求救信号。从长远来看，主动式电子封条提高了集装箱运输的安全程度和透明度，将使综合运输成本大幅降低。而且随着技术的成熟、成本的降低，主动式电子封条技术的正越来越为更广泛的货物运输安全领域采用。 电子封条通过电脑管理系统可对注册、发行、查验、启封、复用、注销等环节实施严密的监管，从根本上解决了传统防伪器材如铅封、塑胶封、金属封、锁扣封、粘贴封等易被仿制、非法替换、真伪监别困难、难管理等问题。结合其他多种技术手段，电子封条锁能够实现在多个领域的验证运输货物完整性的先进应用。 RFID在整个运输流程的应用可实现铁路集装箱运输的全流程跟踪监控，确保铁路集装箱运输的效益和安全。工作强度的降低、工作效率的提高及更有效跟踪管理，从而带来巨大的经济及社会效益。RFID铁路运输集装箱管理系统组成： 远距离读写电子门封 将记录有集装箱箱号、集卡车号及其他属性数据的电子门封，安装在车厢开关门处，使用方法跟传统锁具差别不大，只是在发运前需要一个远距离阅读器的施封动作。 GPRS读写器 在车厢门里侧(近门口处)安装一个整合RFID和GPRS通讯模块的通讯箱（必要时可以加上GPS定位模块），用于跟电子门封保持通讯并实时发送电子门封状态信息至后台监控中心。电子门封