基于RFID及多传感器融合技术的展馆监控管理系统设计

唐山世界园唐山世界园艺艺博博览览会数字化方案会数字化方案 基于基于 RFID 及多传感器融合技术的展馆监控系及多传感器融合技术的展馆监控系 统统 方方 案案 建建 议议 书书 河北中科汇达科技有限公司 2014 年 1 月 16 日 目目 录录 一、系一、系统统方案概述方案概述 .1 二、系二、系统统背景背景1 三、技三、技术术基基础础2 四、系四、系统设计统设计目目标标及技及技术术路路线线 .3 4.1 系系统设计统设计目目标标 .3 4.2 技技术术路路线线5 五五软软硬件硬件设计设计方案方案 6 5.1 硬件硬件设计设计6 5.1.1 系统结构6 5.1.2 系统工作流程.7 5.1.3 读卡器位置设置7 5.1.4 多传感器系统.8 5.2 软软件件设计设计8 六、附六、附录录： RFID技技术术背景背景 12 1 一、系一、系统统方案概述方案概述 本系统设计基于 RFID、BP-神经网络算法神经网络算法及多传感器融合技术的展馆监控管理 系统。通过射频芯片 RFID 门票替换现有纸质门票，通过在展馆重点区域安置相关通过在展馆重点区域安置相关 的温度、湿度、风速等无线传感器，完成多传感器信息融合的在线监控系统，来实的温度、湿度、风速等无线传感器，完成多传感器信息融合的在线监控系统，来实 现对展馆人员流量及分布情况进行实时监控。通过现对展馆人员流量及分布情况进行实时监控。通过 BP-神经网络算法对人员流量进神经网络算法对人员流量进 行分析、预测；重点区域人员密集度监控及分流方案；危情、险情监控及预警，应行分析、预测；重点区域人员密集度监控及分流方案；危情、险情监控及预警，应 急措施及预案；对高值物品进行状态监控。通过利用高科技手段完成展馆在线全监急措施及预案；对高值物品进行状态监控。通过利用高科技手段完成展馆在线全监 控，为展馆管理人员提供可视化管理手段，为展馆规划和日常管理工作提供科学依控，为展馆管理人员提供可视化管理手段，为展馆规划和日常管理工作提供科学依 据。据。 关关键词键词：RFID 技术；人员流量监测；危情预警；预测分析；环境监测 核心设计思想：在展馆中固定位置增加 RFID 读卡器，人员采用 RFID 电子门票， 实现在展馆各个区域读取游客信息，将信息汇总至服务器进行分析汇总；对环境进 行监测；对重点展品进行监测。 二、系二、系统统背景背景 旅游环境容量是旅游景区可持续发展的一个重要指标，而对景区的游客量的实 时有效监控则成为保护景区生态和可持续发展的重要基础。当前各景区多采用纸质 门票，无法做到对景区的人员分布及流量进行实时监控，也无法做出流量预测分析 及应急预案。景区部分热门景点是人们拍照留念的地方，这些地方人员密集度高， 容易出现险情，需要适当的引导及分流。自然风景旅游区一般处于比较偏僻地区， 存在高火灾风险，多地质灾害，因此对环境的监测是维护景区安全的重要方面，而 传统的监测方式是通过人员定期检查，此方法实效性差。另外景区还存在大量贵重 的展品或文物，需要用高科技手段对这些文物进行监管。 利用 RFID 电子门票可实现远距离获取游客个体位置信息，对景区出入口及重 点区域进行实时监控。采用 BP-神经网络算法在对景区游客量实时监控的同时，对 人员流量进行分析、预测，为景区管理人员的决策提供科学依据。景区部分热门景 点人员分布密集，这些区域的流量分布需要特殊监管；通过环境容量分析，设定人 员密集度；通过引导及预警机制，及时分流热点区域的人员，保证游客安全。旅游 2 景区一般存在高火灾风险，所以对环境的监测成为景区安全措施的重要方面，通过 无线传感器网络将景区的各景点温度、湿度、风向等数据汇总融合到主服务器；通 过信息融合算法，对险情及潜在危险发出预警及报警信号。由于景区往往存在许多 贵重物品，将 RFID 芯片附着到物品表面，当贵重物品发生非法移动时及时报警， 并可跟踪被盗物品的行踪。 本系统是最新的物联网及 RFID 技术在生产生活中的应用，符合培育战略性新 兴产业要求，本系统应用于展馆的实际管理中去，并会为展馆的运营带来经济和社 会效益，能够培育成战略性的新兴产业，提高产品核心竞争力。 三、技三、技术术基基础础 RFID、无线传感等技术在信息智能处理领域中获得广泛应用，在展馆监控管理 中也得到了初步应用，本系统所涉及到的技术如下。 RFID 是射频识别技术的英文(Radio Frequency Identification)的缩写。射频识别 技术是 20 世纪 90 年代开始兴起的一种自动识别技术。该技术在世界范围内正被广 泛应用，而在我国起步较晚，与先进国家相比存在很大的差距，研究和发展射频识 别技术及其应用刻不容缓，任务紧迫。 神经网络的研究内容相当广泛，反映了多学科交叉技术领域的特点。目前，神 经网络的主要研究工作集中在：（1）生物原型研究。 （2）建立理论模型。即根据 生物原型的研究，建立神经元、神经网络的理论模型。其中包括概念模型、知识模 型、物理化学模型、数学模型等。 （3）网络模型与算法研究。在理论模型研究的基 础上构造具体的神经网络模型，以实现计算机模拟或准备制作硬件，其中包括网络 学习算法的研究。这方面的工作也称为技术模型研究。 （4）人工神经网络应用系统。 在网络模型与算法研究的基础上，利用人工神经网络组成实际的应用系统，例如， 完成某种信号处理或模式识别的功能、构造专家系统、制成机器人等。 BP (Back Propagation)是基于误差反向传播算法的人工神经网络。BP 神经网络 算法的学习过程，由信息的正向传播和误差的反向传播组成。输入层各神经元负责 接收来自外界的输入信息，并传递给中间层各神经元；中间层是内部信息处理层， 负责信息变换，根据信息变化能力的需求，中间层可以设计为单隐层或者多隐层结 3 构；最后一个隐层传递到输出层各神经元的信息，经进一步处理后，完成一次学习 的正向传播处理过程，由输出层向外界输出信息处理结果。当实际输出与期望输出 不符时，进入误差的反向传播阶段。误差通过输出层，按误差梯度下降的方式修正 各层权值，向隐层、输入层逐层反传。周而复始的信息正向传播和误差反向传播过 程，是各层权值不断调整的过程，也是神经网络学习训练的过程。该算法成功地解 决了求解非线性连续函数的多层前馈神经网络权重调整问题。 多传感器信息融合又称数据融合，是对多种信息的获取、表示及其内在联系进 行综合处理和优化的技术，将系统获取的多传感器信息进行合成，形成一种对外部 环境或被测对象某一特征的表达方式。传感器信息融合技术从多信息的视角进行处 理及综合，得到各种信息的内在联系和规律，从而剔除无用的和错误的信息，保留 正确的和有用的成分，最终实现信息优化。单一传感器只能获得环境或被测对象的 部分信息段，而多传感器信息经过融合后能够完善地、准确地反映环境的特征。经 过融合后的传感器信息具有以下特征：信息冗余性、信息互补性、信息实时性、信 息获取的低成本性。 人员流量监控：当前采用 RFID 电子门票的系统逐渐增多，但多用于 RFID 的 便捷管理，没有深入完成基于 RFID 的人员流量监控，人员密集度分析。 环境监测：当前利用 RFID 及多传感器技术实现环境监测的系统比较常见，但 主要应用在森林防火，温度检测，气象相关信息监测，用在景区整体环境监测的应 用较少。 高值高危物品监控：当前景区对重要物品的监控限于人为主观的监控，相对工 作量大，利用 RFID 技术在完成高值高危用品的监控系统也有应用，但是用于景区 重点保护对象监控及预警的应用案例不多。 综上所述，RFID 及无线传感器的应用可以向展馆管理扩展，并可在人员流动 监控，环境监测，以及高值高危物品监控等方面重点发展，应用前景十分广阔，并 能够提供一个全面安全的展馆监控管理系统。 四、系四、系统设计统设计目目标标及技及技术术路路线线 4 4.1 系统设计目标系统设计目标 系统提供一种基于 RFID 的展馆监控管理系统，采用 RFID 技术对展馆旅客流 量、展览作品进行监控，引入 BP-神经网络算法对游客流量进行分析、预测；采用 ZigBee 技术将温度、湿度、风速传感器组成无线传感器网络，对自然环境进行实时 监测；结合软件管理系统为工作人员提供可视化服务，为游客救援、排除险情以及 贵重展品追踪提供便利条件。 系统主要模块包括用户管理模块、游客管理模块、人员分布在线地图显示模块、 警报管理模块，展馆高值高危物品监控管理、展馆险情预警模块、游客流量监控管 理、气象环境监测管理模块等，下面就主要的几个模块进行分析介绍。 A、展馆人员监控、展馆人员监控 采用 RFID 的电子门票替换现有纸质门票，在游客购票的时候，通过读取身份 证中的信息与电子门票进行关联，使人员信息的自动可识别。通过在旅游线路上安 装 RFID 读卡器，自动获取过往游客的信息，可以实现指定游客的定位和浏览轨迹 查询业务功能，则这项功能尤其可以帮助快速寻找家庭出游中的失散的老年人和小 孩旅游者。 B、展馆游客流量及环境容量实时监控、展馆游客流量及环境容量实时监控 对某一个时间点或时间段内景点的游客容量进行统计和分析，以实现指定景点 的环境容量的监控和分析。同时，也可对整个展馆的游客流量和环境容量按各种时 间粒度进行时段分析。并通过计算机辅助决策功能实现对展馆游客的管理，比如通 过对环境容量过载的景点暂时限制售票等措施来进行游客分流。 针对展馆情况建立 BP-神经网络学习模型，通过设定各层输入内容及学习次数， 作出一个最佳分预测分析算法。通过当前的游客的流量及重点区域人员密集度情况， 采用算法对展馆及重点区域人员流量及密集度进行预测分析，及时进行预警及分流。 C、重点展品监控、重点展品监控 当前展馆对重要展品的监控限于人为主观的监控，工作量大，利用 RFID 技术 在可用于展馆重点保护展品的监控及预警，在文物上放置 RFID 芯片，利用定位算 5 法实时测定物品的位置、移动方向，如果超出系统允许的范围则发出警报。通过此 技术建立景区安全防护网络体系，集监控、报警、预警于一体。 D、自然环境险情预警、自然环境险情预警 通过无线多传感器技术，引入温度、湿度、风向等传感器，对展馆的实时监测 并分析处理数据，完成危情险情警示，对紧急情况做出应急措施, 对存在的潜在风 险作出预警，防患于未然。对展馆防火、空间监测、展馆温度湿度监控、气象等进 行全面监控，建立传感器分布模型，确定传感器放置位置及节点数量、完成信息汇 集及信息融合算法，通过对多点的数据分析，经过融合后能够完善地、准确地反映 环境的特征，判断出被监控区域的真实情况，作出合理的报警或预警提示。 4.2 技术路线技术路线 系统技术路线图如图 1 所示，下面就技术路线进行简要介绍。 （1）通过 RFID 电子门票的应用及在展馆关键位置安装 RFID 读卡器，完成全 程监控，通过一定算法，完成人员分布及流量在线实时显示，设定每个区域人数限 制，超过限制时报警，即刻完成分流报警功能。 （2）通过对展馆重点部位的流量监控及利用 BP-神经网络算法，通过训练完成 景区及重点区域人流量分析预测，及时提出预案，保证展馆景点安全，符合展馆负 载要求。 （3）通过无线多传感器技术，引入温度、湿度、风向等传感器，研究展馆传 感器放置方式，通过信息融合算法，将展馆的实时数据分析处理，完成危情险情警 示，对紧急情况做出应急措施, 对存在的潜在风险作出预警，防患于未然。 （4）通过 RFID 技术对高值、高危物品进行监控，利用定位算法实时测定物品 的位置、移动方向，如果超出系统允许范围则警报。 预期目标：预期目标： 完成展馆人员流量监测及预测、重点区域密度监测，高值物品监控、险情预警 及应急方案等模块； 完成一个基于上述研究成果的 RFID 及多传感器展馆监控系统。 6 技术创新能力：技术创新能力： 研究多传感器融合算法；研究重点区域人流量密集度分析，采用 BP-神经网络 算法作出预警处理；研究贵重物品定位服务，对存在危险、可