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基于ZigBee技术的监狱人员定位系统的应用
目前的监狱人员定位管理，基本还停留在人工管理阶段，以监狱狱警巡查记录加摄像机监视报警方式进行管理，对于移动中的人员，信息更新慢，准确度不高。监狱人员位置信息采集主要靠狱警巡查然后手工记录完成，无法将实时位置和在押人员真正关联起来。
由于监狱人员定位管理水平不高，导致一系列恶性越狱事件未能及时被发现并制止，如呼和浩特的越狱事件，给社会造成极大危害。为防止越狱事件的再次发生，防止犯罪分子再次危害社会，建设监狱人员定位管理系统迫在眉睫。
ZigBee技术是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术，ZigBee技术具备功耗小、时延短、网络容量大和安全等优点，在短距离、低功耗、无线通信中具备特有的技术优势，ZigBee技术应用于小范围的基于无线通信的控制和自动化等领域.我们针对监狱设计了基于ZigBee技术的监狱人员定位系统。
2.ZigBee技术
2.1ZigBee技术简介
ZigBee技术是一种新兴的短距离、低速率(250kB/s)、低功耗、低成本、自组网、低复杂度、安全可靠、高扩展性的双向无线通信技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。ZigBee的基础是IEEE802.15.4，这是IEEE无线个人区域网（PersonalAreaNetwork，PAN）工作组的一项标准，被称作IEEE802.15.4ZigBee）技术标准，主要适用于自动控制和远程控制领域，支持地理定位功能。作为一种无线通信技术，ZigBee技术具有以下特点：
(1)低功耗:由于ZigBee的传输速率低,发射功率仅为1mW,而且采用了休眠模式,功耗低,因此ZigBee设备非常省电。据估算,ZigBee设备仅靠两节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间,这是其它无线设备望尘莫及的。
(2)成本低:ZigBee模块的初始成本在6美元左右,估计很快就能降到1.5-2.5美元,并且ZigBee协议是免专利费的。低成本对于ZigBee也是一个关键的因素。
(3)时延短:通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短,典型的搜索设备时延30ms,休眠激活的时延是15ms,活动设备信道接入的时延为15ms。因此ZigBee技术适用于对时延要求苛刻的无线控制(如工业控制场合等)应用。
(4)网络容量大:一个星型结构的Zigbee网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备,一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络,而且网络组成灵活。
(5)可靠:采取了碰撞避免策略,同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙,避开了发送数据的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输模式,每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。如果传输过程中出现问题可以进行重发。
(6)安全:ZigBee提供了基于循环冗余校验(CRC)的数据包完整性检查功能,支持鉴权和认证,采用了AES-128的加密算法,各个应用可以灵活确定其安全属性。
2.2ZigBee技术在实现监狱人员定位功能中的优势
目前实现人员定位的技术很多，如GPS定位、手机基站定位、RFID定位、WIFI定位等。GPS定位与手机基站定位因需要类似手机终端，不便于管理，虽然定位功能不错，但并不适合监狱这一个管理严格的场所。RFID、WIFI、ZigBee技术都能很好的完成监狱人员定位功能，
ZigBee与WIFI采用同样的算法实现定位，但是WIFI设备的耗电量太大，设备需要频繁更换电池或充电，对人员定位功能有影响以及不方便管理；RFID与ZigBee相比，定位算法虽然不一样，但是在达到相同定位效果及密度的前提下，RFID设备的安装密度会远大于Zigbee设备，而且RFID采用的是有线传输需要布线，安装工程量都比较大。综上所述，ZigBee技术成本低、耗电小、传输可靠、实现复杂度以及应用适合度等优势，在目前常见的集中定位技术中更加适合于用以监狱人员定位系统的功能。
3.监狱人员定位系统的系统组成级工作原理
3.1系统组成
定位系统有软件系统和硬件系统组成，其中软件系统用于完成信息采集、识别、分析及其传输，硬件系统由地面监控计算机、传输适配器、射频基站、射频读卡器、射频身份卡和天线等组成，用于完成信息采集和识别，从而实现人员识别、定位的功能。软件系统和硬件系统共同支撑着整个系统的运行，并演绎出各种不同的功能应用。各硬件设备功能如下：
射频身份卡。具有唯一的全球眼ID，其内部储存着一个人员的信息，用来识别目标对象。射频身份卡分为干警用和犯人用2种，干警武警等人员使用的射频卡带有主动发送数据的按键，具有主动发信号让读卡器接收数据功能，用于值班人员定时上报所在位置，以防止人卡分离情况；犯人用射频卡安装与防插卸电子腕带上，由读卡器主动采取射频卡数据，不主动上传。
射频读卡器。根据监狱的定位要求，在每个定位点安装一个射频读卡器，射频读卡器能主动发送信号激活在定位范围内的射频卡上传射频卡数据，也可接收主动上传的干警射频身份卡数据。然后将数据通过ZigBee无线网络传至附近的射频基站。
射频基站。根据监狱的定位要求，将监狱分为几个定位区域，分别安装一个射频基站，用于接收射频读卡器上传的射频卡数据，并将数据传至人员定位系统，再由软件系统对数据进行识别、分析人员位置信息。
3.2工作原理
以满足监狱定位要求为目的，先将监狱划分几个区域，然后在每个区域内建设一个射频基站；然后在监狱周界围墙、建筑物内、各出入门禁处、监狱狱内活动场所等公共区域、监狱劳动场所、监狱押运车、巡更点等位置安装射频读卡器；最后给监狱的所有工作人员和犯人配发唯一的射频身份卡或电子腕带射频卡，工作人员的射频卡为主动式可以主动上传数据，犯人的为被动式需进入射频读卡器范围内并被激活后上传数据信息。射频读卡器的读取的数据通过ZigBee无线网络传输到人员定位系统，识别、分析出相关人员的具体位置。
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4.监狱人员定位系统功能应用
采用ZigBee技术实现监狱人员跟踪定位，系统的软件设计能实现如下功能应用：
4.1地图与设备管理
1.地图管理
监狱人员定位系统中的电子地图功能能够直观显示监狱所有射频卡、读卡器和基站的信息，可以通过鼠标直接点击查看相关的信息。地图管理功能能够支持电子地图功能运行并对地图进行一些配置，如地图加载信息的设置，可以有选择的设置地图上加载的信息；地图编辑可以对地图进行放大和缩小，让定位位置更精确；地图属性管理可以对地图只读、控制、显示进行修改，方便对地图的管理。
2.设备管理
监管人员可对监狱人员定位中的硬件设备进行管理配置，如基站、读卡器、射频卡的发射频率、扫描频率；无线传输网络配置；增加基站或者读卡器设备；射频卡对应的人员信息。
4.2人员监控定位
出入管理
在监狱大门、二道门、监舍大门、监区门、医院、接见室、监舍、工厂、农场、煤场等进出区域可以安装定位读写器。当被监控人员通过时系统立刻记录下来通过犯人信息及时间。系统可指定时段指定对象进行出入管理，发现违规现象，系统立即告警并显示违规人员信息及最后定位系统定位位置。如在监狱大门通道里装上读写器，当车辆出入时，如果有犯人藏匿于车中，不再需要值班干警上车检查，只要车辆进入通道，读卡器就会扫描到犯人射频卡数据，则会发出报警告知值班人员和监管人员严格核查。
全天行程监控
读卡器记录所有射频卡的信息及时间，然后通过人员定位系统分析得出人员的全天的行程信息，可以实现对人员进行全天行程监控的功能并支持人员行动轨迹的查看。
区域人数监控
可以协助监管人员统计相关区域的人数管理，事先设定相关人员的区域，读卡器将记录读取的射频卡数据并有人员定位系统统计。区域人数监控能够有效监控区域的人数密集和人员迅速聚集情况，并且可以定时清点区域内人数，查看是否有犯人溜号等情况。
行动区域监控
对所有人员的位置进行监控，根据人员的相关权限，对人员的行动区域进行监控，判断人员是否有越界行为，如果有越界行为则触发系统的越界告警。
周界围墙管理
在监狱周界围墙每隔一段距离安装一台ZigBee读卡器，扫描范围设定为距围墙2米内，也就是监狱内部物理隔离网附近。当在此扫描范围内扫描到犯人的射频卡数据，则会发出周界围墙预警信息，提醒监管人员核查，如发现有越狱行为，可立即启动越狱事件应急处置预案进行处理。
外出劳动管理
犯人在农田，矿场等开阔区域进行劳动改造，可快速搭建无线监控定位系统，对外出人员进行全程监控，防止外出劳动人员逃脱事件发生。监狱监控中心也可以通过监控终端随时了解外出人员情况，出现异常情况可即时采取措施。
押运途中管理
对监狱在押人员外出就医、提审、转监等需要外出时除了对车辆进行定位管理，还可以辆内部在押人员及押车狱警进行全程监控，监控中心可随时了解在押运途中车辆及车内人员情况。
每个车辆内配置车载GPS定位器，用于定位车辆位置，并且车内安装ZigBee读卡器，押运狱警及在押人员佩戴身份卡，系统预制外出授权人员信息（时间段信息、人员信息），读卡器接收的信息将通过无线网络传输到人员定位管理系统。当车内人员在途中离开车辆时，系统发出告警信息，监狱监控中心即可及时获取信息。当车辆驶出监狱门岗系统自动设置为监控状态，安全抵达后系统自动转成空闲状态。
巡更管理功能
对犯人巡更进行监督管理功能，对巡更路线进行跟踪并监督巡更路线是否符合规定路线。设定犯人的巡更路线及巡更时间，一旦读卡器在规定时间未读取到巡更人员射频卡数据或者巡更点读卡器在非巡更时间读取到巡更人员射频卡数据等，系统均会发出报警并提醒监管人员处理。
狱警考勤管理
对狱警的值班情况进行监管，读卡器定时扫描狱警身份卡数据、狱警身份卡定时上报自己的位置信息，人员定位系统对扫描的数据及接收的数据进行分析，判断预警值班情况是否正常，是否出现人卡分离、人员脱岗、私自调班等现象。
4.3违规告警功能
越界告警，对读卡器接收的射频卡信息进行登记，发现有未登记的射频卡数据，系统认定为携带此射频卡的人员有越界行为，系统会发出越界报警提示监管人员核查。如干警办公区域出现犯人射频卡数据、周界围墙附近出现犯人数据都会发出越界报警。
人员密集告警，系统对一些公共区域或监舍的人数进行限定，当读卡器读取的射频卡数据超过规定的人数后，系统会发出预警信息提示监管人员该区域人员密集；
人员快速聚集告警，系统对每个区域的读卡器每个时间读取的射频卡数据进行统计，当某段时间内几次统计结果显示人数不断快速增加，增加频率超过某一设定数据后，系统则发出人员短时间内快速聚集的预警信息提示监管人员对该区域进行核查；
值班人员考勤告警，值班人员使用的是身份卡，为防止人卡分离现象，干警身份卡要求定时上报手动按发送键上传数据信息。当值班室的读卡器扫描到值班人员身份卡信息并接收到身份卡主动上传的信息，而且身份卡信息与当前位置的值班表人员信息相符，则认为当前值班人员值班正常时，否则将会发出报警信息提示监管人员对值班情况进行核查。
巡更告警，巡更人（射频卡）没有按规定时间出现在巡更点（读卡器）接收数据里，则认为巡更不正常，有可能是未巡更或者没按巡更路线巡更，系统会发出巡更报警提示监管人员进行处理。
清点异常告警，规定时间规定区域内读卡器读取的数据信息经过分析统计后，出现少人、多人或者人员信息不符等系统会发出报警信息提示监管人员核查。
押解途中告警，押解车在途中当车内人员在途中离开车辆时，读卡器未扫描到人员信息后，系统发出告警信息提示监管人员紧急处置。
射频卡报警，防止卡被丢弃、保利拆卸、不工作等，系统会发出射频卡报警信息提示监管人员核查是否为人员破坏或者射频卡故障等。
4.4管理功能
监管人员可以通过管理功能对监狱在押人员档案、告警规则、警戒线设置、人员出入授权、历史信息查询等信息进行管理。
5.结论
基于ZigBee技术的监狱人员定位系统通过无线的传输方式，利用其网络容量大、功耗低、时延短等优势能够很好的应用于监狱系统。监狱人员定位系统对监狱人员位置管理有着重要的辅助作用，并且可与监狱安防监控软件的报警及视频等系统联动，能有效的协助监狱监管人员对监狱日常安防情况的监管。
