1、監獄環境中高精度定位RTLS-UWB系統方案2012-3楊進波jyangPROPOSAL目錄1 需求概述 (42 系統方案 (52.1方案概述 (52.2 系統體系架構 (62.3地理信息系統GIS (72.4定位覆蓋 (82.4.1工作原理 (112.4.2定位處理器和定位接收器 (122.4.3防拆報警標簽 (132.4.4覆蓋區域 (142.4.5網絡拓撲結構 (142.4.6硬件選擇 (143管理軟件 (163.1系統功能 (173.1.1實時數據監測 (173.1.2歷史軌跡回放 (173.1.3鼠標懸停 (173.1.4查看軌跡詳情 (183.1.5軌跡導出與導入 (193.1.6

2、本地地圖加載 (193.1.7興趣點/地標添加 (193.1.8移動對象列表 (193.1.9通訊管理 (203.1.10用戶及權限管理 (203.1.11移動目標管理 (213.2報警功能 (223.2.1電子圍欄(越界報警 (233.2.2 進入報警 (243.2.3 離開報警 (25 3.2.4 未授權報警 (253.2.5 分離報警 (263.2.6停留時間報警 (273.2.7 電池報警 (283.2.8火警消防點名 (283.2.9 報警輸出 (29 1 需求概述在特殊場景應用區域內,通過對移動目標進行集中管理,實現對特殊移動目標動態信息的實時跟蹤、信息收集、監控報警等功能。提高管

3、理的效率和準確率。大部分應用需求中需要對監區車輛行車區域進行管理,并對監舍區域以及公共活動區域的人員進行管理。典型定位覆蓋區域如下圖: 圖1 2 系統方案2.1方案概述用戶環境屬于典型的復雜電磁環境,對信號傳輸,多路徑效應抑制、高可靠定位數據等的要求很高。且客戶最終將基于這些數據,與管理流程系統連接,因此實時定位系統需要能夠具有高度穩定的定位性能,并具有亞米級或更高等級的定位精度,以及足夠的性能冗余。基于以上考慮,在覆蓋區域采用超寬帶UWB定位技術。 圖2 2.2 系統體系架構軟件采用分布式處理模式,完成用戶任務調度、通訊管理、數據庫管理、可視化管理等功能。各模塊可分別安裝于不同的硬件服務器,

4、也可根據實際需要,組合安裝于同一硬件服務器中。 圖3在分布式管理中,通過配置不同的用戶權限,可實現各個安全級別的訪問與管理。不同管理級別的管理人員,可通過各自的用戶名和密碼登錄系統,并執行各自級別權限的管理功能。 圖42.3地理信息系統GIS本系統的地理信息系統采用自主知識產權的GIS平臺。客戶不需要額外承擔購買其它GIS平臺的license費用。同時,基于知識產權的地理信息系統平臺,可定制開發很多獨特的用戶功能。例如區域統計功能。基于該功能,用戶可在地圖上隨時查看移動目標列表并獲得詳細信息。 圖5本地理信息系統,可支持各種不同的地圖形式,方便客戶擴展。例如,既可支持矢量地圖,也可支持平面圖,

5、還可支持帶立體效果的平面圖。2.4定位覆蓋為實現室內環境的高精度亞米級室內定位,以及客戶對系統穩定性及可靠性的要求,本方案采用超寬帶UWB 定位技術來實現。在目前的室內定位精度中,超寬帶UWB 定位技術可達到0.3m的定位精度。 通過合理布設超寬帶UWB定位系統接收器,以及事件捕獲器,可以使移動目標在工作區域進行實時定位。同時在關鍵點通過布設距離在0.3m-90m范圍可調的事件捕獲器,實現入口檢測功能。(檢測距離可根據實際需要現場調節 對需要實現可視化的移動目標,可安裝5HZ更新率的定位標簽,對其實現覆蓋區域的精確定位監控。UWB高精度定位系統通過集中管理軟件模塊,實現相應的管理功能。系統示意

6、圖如下所示: 圖6通過系統設計,確定在需要定位的區域安裝合適類型天線的UWB定位接收器(定向高增益、定向中增益和全向,形成定位覆蓋區域。當定位標簽進入定位覆蓋區域時,定 位標簽按設定的發送頻率發送信號到定位接收器,該定位區域的所有定位接收器將接收的信號初步處理后,發送到后端的定位處理器HUB, 通過運行于處理器HUB中的嵌入式定位引擎計算該標簽的位置,即可實現高精度實時定位。定位數據將通過局域網發送到后端集中處理模塊進行處理,并實現應用層功能。定位接收器與定位處理器可通過菊花鏈、星型結構或混合形式進行連接,從而方便工程實施。 2.4.1工作原理系統工作原理如下圖所示: 圖7工作過程如下:1定位

7、接收器通過定位處理器進行精確時間同步。2每個定位標簽以UWB脈沖重復發送數據幀。3定位標簽發送的UWB脈沖串被接收器接收。4每個定位接收器利用高感度的短脈沖偵測器測量每個標簽的數據幀到達接收器天線的時間。5定位處理器HUB基于參考標簽發送過來的校準數據,確定標簽到達不同接收器之間的時間差,并 利用三角定位技術TDOA及優化算法來計算標簽位置。2.4.2定位處理器和定位接收器定位處理器和定位接收器具有以下特點:性能優越9可在多路徑環境中使用良好的實時定位準確度9開放空間優于30厘米超長傳輸范圍9高增益天線距離可達200米標簽吞吐量高9可達 3600 個標簽/秒/處理器快速直觀的設置 圖8 事件捕

8、獲器外形與定位接收器相同。在捕獲器內部通過軟件和硬件的配合,實現小區定位和事件捕獲。在集中管理模塊部分,通過中間件模塊來區分事件捕獲器數據與實時定位數據,并處理事件捕獲器的數據,實現關鍵點的入口管理功能。2.4.3防拆報警標簽定位標簽具有以下特點:具有防拆報警功能防水、防震、防磨FCC Part 15.250 兼容超長標簽電池壽命:定位頻率為1Hz時壽命可達7年,且電池可更換。超長RFID讀取范圍:高達200 米快速的標簽傳輸信號速率:最高可達 200次/秒 2.4.4覆蓋區域為保證定位效果,定位系統布設接收器時,通過在每個定位單元的角落布設定位接收器來實現該定位單元的信號覆蓋。在關鍵點的入口

9、區域,通過布設事件捕獲器來實現信號覆蓋。2.4.5網絡拓撲結構本系統中采用星型與菊花鏈混合布網的方式。布設中的網絡結構如下:圖102.4.6硬件選擇本定位系統中所需的硬件包括: 1定位處理器HubHUB通過電纜為基站提供:DC電源、為每個基站提供穩定的時鐘參考、提供與基站的數據通訊 Hub 軟件功能: 計算標簽位置、提供配置和位置顯示功能、為客戶端數據方位提供通訊端口2定位接收器接收定位標簽數據與定位處理器通訊3事件捕獲器偵測設定范圍內標簽數據觸發事件4防拆報警定位標簽/參考標簽發送標簽數據到接收器定位標簽與參考標簽外形相同,配置不同 3管理軟件管理軟件用于對定位數據進行有效管理,并提供與其它

10、第三方系統的接口。集中管理模塊配合硬件系統,實現移動目標監控的可視化管理、通訊、數據庫、報表輸出、報警、指令管理等功能。集中管理模塊包括:1控制臺模塊a.圖形化顯示與管理2監控中心服務器模塊a.數據庫管理3通信服務器模塊a.監控數據接收與管理4RTLS中間件a.數據處理器HUB與服務器數據處理5報警模塊6指令調度模塊7其它 3.1系統功能3.1.1實時數據監測系統軟件可實時監測移動目標的位置,并在地圖上顯示。同時這些位置數據將存入數據庫,便于數據查詢、運行軌跡回放、統計報表等功能。3.1.2歷史軌跡回放移動目標的歷史運行軌跡將可以通過中心軟件,進行可視化回放和追溯。用戶可以選擇任意目標的任意時

11、間段進行回放。本系統可以同時對多個移動目標(也即定位標簽進行軌跡查詢與回放。3.1.3鼠標懸停無論在實時顯示界面,還是在軌跡回放界面,若管理人員若想產看監控的移動目標的詳細信息,除可以查看列表框內容外,還可在地圖上將鼠標懸停與某一點,則系統會自動顯示移動目標在該點的詳細信息。在點取“選擇”按鈕后,只要鼠標懸停在對應的監控/軌跡點上,軟件將自動提取詳細信息并顯示相應參數信息。 圖113.1.4查看軌跡詳情系統可以表格的形式,顯示某個移動目標在某個時段的位置信息,及其它相關參數信息。 圖12 3.1.5軌跡導出與導入當用戶需要將RTLS系統的移動目標的運行軌跡等信息導出為txt或csv文件時,可以

12、選擇此功能。該功能便于RTLS系統與客戶其它系統交換信息。3.1.6本地地圖加載本系統支持WGS84全球坐標系統,也可支持本地坐標系統。當客戶系統需要采用大范圍的電子地圖時,可選擇WGS84坐標系統。當客戶選擇其它RTLS系統時,可選擇本地坐標系統,且只需提供場地的圖片文件即可。在實際操作中,首先準備好地圖文件,然后在系統設置中選取該地圖文件,并保存。以后進入時將自動加載該地圖文件。3.1.7興趣點/地標添加用戶可在地圖上自行添加標記點。3.1.8移動對象列表當需要在地圖顯示界面中查看移動對象列表時,可在菜單中進行操作。此時的移動對象列表為數據庫中下載,用戶可以查看,而不能修改。當需要修改時,

13、只能由系統管理員從數據庫服務器中進行修改。 3.1.9通訊管理本系統通訊管理為獨立的通訊管理服務器,可獨立運行與服務器上。負責定位系統數據的接收與管理。 圖13通訊管理程序一旦配置,通常不需修改。因此在實際運行中只作為受過培訓的系統管理員監控系統運行狀態時的參考,其它人員不要進行操作,以免不當操作而引起系統崩潰。3.1.10用戶及權限管理本系統可根據監管權限的不同,將移動目標(標簽進行分組管理。系統管理員首先需要創建和分配本系統中的用戶,如下圖所示。 一旦創建用戶后,即可給該用戶分配移動目標的管理權限。此時需在監控中心服務器對標簽進行用戶分組即可。如下圖所示。 圖143.1.11移動目標管理當

14、定位標簽分配給移動目標后。由于客戶通常有自己的資產或人員ID的命名規則,此時需要將定位標簽的ID和客戶分配的資產或人員ID進行匹配管理。例如將ID為0001A200的定位標簽分配給編號為000101的移動目標,此時需要輸入目標的相關信息。 圖15同時,還需要根據創建的監管用戶,將該移動目標的監管權限分配給相應的監管用戶。如下圖所示。一旦分配成功,則該用戶登錄后,即可對該移動目標進行監控和管理。同時客戶也對該目前的其它屬性進行分配和管理。例如該目標的團隊信息,歸屬信息等。3.2報警功能在實時定位系統的應用中,用戶可能需要根據實際業務需要設置一些報警觸發條件,以便在第一時間獲取報警信息。 一旦用戶

15、配置和設定了相應的報警參數后,系統將自動進行報警,并以紅色進行顯示。同時,在系統的報警信息欄中,可查看具體的實時報警信息。在數據分析時,這些信息可通過文本文件或報表形式提供給用戶。根據使用條件,報警可基本分為以下幾類:1電子圍欄報警(越界報警a.進入報警b.離開報警c.未授權報警2分離報警3參數報警a.停留時間報警b.電池報警c.超速報警d.其它4火警消防點名(區域統計3.2.1電子圍欄(越界報警電子圍欄(越界報警用于對某設定區域(電子圍欄 進入與離開報警針對所有移動目標,只要觸發報警條件即可報警。當用戶需要限定只有具有權限的人員才可訪問該區域時,可使用未授權報警。設定該報警后,只有具有設定權

16、限的人員才可進入該區域,否則將觸發報警。 圖163.2.2 進入報警當需要設置進入報警時,需要在設置界面中選擇【進入報警】選擇按鈕,并使之生效。如下圖所示: 圖173.2.3 離開報警通常當應用場景為覆蓋區域內具有重要設備,不能被移開時,可采用離開報警設置。或當用戶需要對離開整個覆蓋區域時,需要設定離開報警。使用離開報警時,應注意離開報警區域設定應盡量包含某個整體的覆蓋區域,特別是和進入報警同時使用時。例如可利用離開報警來設定防止移動目標離開用戶覆蓋區域(例如建筑物外。否則區域定義不恰當,則會導致不必的報警。如下圖所示的離開報警區域設定情況下,其它移動目標都被觸發報警,而顯示為紅色。3.2.4

17、 未授權報警授權報警用于設定未經授權的報警模式。進入報警和 監獄環境高精度定位 RTLS 系統方案 當選擇該選項后，則只會在移動目標的權限小于規定 的級別時才會報警。如下圖所示，授權級別為 3，當一個級 別為 2 的移動目標進入該區域，不會報警，但是當一個級 別為 5 的 RTU 進入該區域就報警 圖 18 3.2.5 分離報警 分離報警用于設定當移動目標需要進行陪同訪問時的 報警模式。例如在具有重要安全要求的應用領域，例如銀 行數據中心、戰略物質倉庫等。當某個級別的移動目標 （例如供應商）進入特定區域時，需要有另一高級別的移 動目標(例如授權內部員工陪同，當需陪同人員與陪同人 員的距離超過設

18、定距離時，系統將報警。也即當需陪同人 26 監獄環境高精度定位 RTLS 系統方案 員在以設定距離為半徑的圓內若有更高級別陪同人員同時 在此范圍內，系統不報警，否則系統報警。系統的設定范 陪同距離可以由用戶設置。 從主菜單進入電子圍欄設置菜單后，選擇分離報警圍 欄即可進行設置。 3.2.6 停留時間報警 停留時間報警用于設置移動目標在某一點停留時間過 長時的報警。系統會以設定判斷移動目標在同一地點是否 停留的判據，輸出移動目標在某點停留的時間（以秒為單 位）。停留時間報警根據該停留時間，當超過設置值時， 系統將報警。 圖 19 27 監獄環境高精度定位 RTLS 系統方案 3.2.7 電池報警 電池報警用于對定位標簽的電池電壓進行檢測,當電池 電壓低于某個值時報警。以 UWB 定位系統為例，電池電壓 最大為 15，可設定小于 8 時報警。 3.2.8 火警消防點名 火警消防點名主要用于在火警時即時清點人數，對整 體人數、各預定消防疏散點、火場等進行人數統計，及時 了解人員逃生情況，對于火場滯留人員及時采取救援措施。 火警消防點名，可使用電子圍欄區域定義消防疏散點 進行報警。但本系統提供最常用和靈活的手段是區域統計 功能。在火警發生時，利用區域統