地铁施工人员定位系统的研究与实现.pdf

第 2 期摘要：在地铁隧道等施工环境发生事故后，如何快速、准确、高效地查询到被困人员的位置分布，是当下研究人员要从技术上解决的一个重难点问题。传统的卫星定位效果不佳，针对这一问题，设计了基于 RFID 技术的地下人员定位系统，该系统采用 LANDMARC 算法，由阅读器、电子标签等组成的硬件系统和由物资管理平台、人员管理平台等组成的软件系统构成，可以实现对地铁施工人员的精准定位。关键词：RFID 技术；地铁；人员定位系统；LANDMARC中图分类号：TP274文献标志码：A0引言在地铁施工过程中，由于地下施工环境复杂恶劣，现场作业人员的安全难以得到有效保障。而一旦发生事故，如果不能及时与地铁施工人员沟通，营救时就很难掌握施工人员的分布状况，造成抢险效率低、搜救困难大等问题1。随着计算机技术和通信技术的发展，基于射频识别 RFID（Ra原dio Frequency Identification）技术的隧道人员管理系统以安装容易、实时无线通信、定位精度高、成本低等优势，成为室内定位技术的发展趋势。2本文设计了一种基于 RFID 技术的地铁施工人员定位系统，该系统可以实现对施工人员与物资的实时定位与管理，掌握其位置及活动轨迹，尤其是在发生坍塌等事故时有助于开展紧急抢救。根据地铁的特性，本系统采用 LANDMARC 核心定位算法，实验表明，该系统能够实现对施工人员的实时定位，并且能够实时反映其运动轨迹，对于保障施工人员安全作业，提高生产效率具有重要作用。1系统整体架构设计本文设计的地铁人员定位系统主要由地下部分和地上部分组成。地下部分主要包含定位标签、阅读器、LoRa 终端节点、LoRa 网关节点和工业以太环网。地上部分主要包含核心交换机、以太网、服务器、备用服务器和上位机。系统总体结构框图见图 1。该系统的主要管理对象为地铁内的施工人员与物资，系统的主要功能分为人员信息查询、人员信息修改、人员实时定位、人员考勤管理等部分，系统总体功能如图 2 所示。该系统除了可以在地铁施工单位广泛使用外，在工业生产、电子商务仓储等需要对工作人员以及生产物资进行实时精确管控的场所同样适用，并且能带来较好的经济效果。3人员信息查询地下空间施工人员管理平台人员信息修改人员考勤管理人员实时定位图 1系统总体结构框图文章编号：员远苑猿鄄圆园圆圆（圆园23）02鄄0001鄄06第 25 卷第 2 期河 北 软 件 职 业 技 术 学 院 学 报灾燥造援25晕燥援2圆园23 年 6 月允燥怎则灶葬造 燥枣 匀藻遭藻蚤 杂燥枣贼憎葬则藻 陨灶泽贼蚤贼怎贼藻Jun援圆园23地铁施工人员定位系统的研究与实现石范锋，单丹（扬州工业职业技术学院 信息工程学院，江苏 扬州 225002）收稿日期：圆园23原03原01基金项目：2021 年江苏省高等教育教改研究重点课题“基于 岗课赛证 融通的高职院校 ICT 人才培养研究与实践”（2021JSJG159）作者简介：石范锋（1982-），男，江苏海门人，副研究员，博士研究生，主要研究方向为工业互联网；单丹（1982-），男，江苏兴化人，副教授，博士，主要研究方向为工业互联网。河 北 软 件 职 业 技 术 学 院 学 报第 25 卷2系统硬件设计2.1阅读器的硬件设计阅读器主要包含 STM32F103VE 主控芯片、SX1278LoRa433MHz 无 线 模 块、nRF24L012.4GHz 无 线 射 频 模 块、DS1302 时 钟 模 块、LCD12864 液晶显示模块、按键输入模块、电源管理模块和外部存储器模块。阅读器的结构框图见图 3。2.1.1主控制器硬件设计主控制器是整个阅读器硬件设计的核心，主控芯片选择的是 STM32F103VE 型号 32 位低功耗微控制器。主控芯片最小系统主要由 3.3V 电源电路、晶振电路以及复位电路组成。42.1.2无线转发模块硬件设计无线转发模块主要负责将阅读器封装好的信息转发至网关节点。由于阅读器是采用电池供电，且隧道内网关无法布置非常密集，所以要同时兼顾功耗与距离。SX1278 LoRa 模块具有传输距离远、功耗低且传输稳定性强的特点，具有较强的穿透性，能够满足隧道通信要求。2.1.3无线射频模块硬件设计无线射频模块主要是负责阅读器与电子标签之间的无线数据通信，必须保证在恶劣环境下通信的可靠性，且电子标签与阅读器的数量较多，所以射频模块成本不能太高。2.4GHz 无线射频模块硬件采用的是 nRF24L01 芯片，性价比相对较高。图 3阅读器结构框图图 2系统总体功能2第 2 期2.1.4液晶显示模块硬件设计阅读器除了具有电子标签信息扫描转发功能外，还应该提供标签信息显示功能，以便物资管理人员对物资进行核对以及进出库管理。液晶显示模块选用的是 LCD12864 模块，该模块显示数据清晰。2.1.5时钟模块硬件设计阅读器打包上传数据包含时间信息，所以需要时钟芯片提供实时时钟信息。时钟模块采用DS1302 时钟芯片。2.1.6外部存储器硬件设计若在阅读器信息上传时出现网络瘫痪现象，阅读器必须将当前扫描电子标签的信息进行存储，并在网络通畅时，将这些信息重新上传至 Lo原Ra 网关。外部存储器选择的是 FM24CL64B 铁电存储器。2.1.7电源模块硬件设计基于隧道内的特殊条件，采用本安型磷酸铁锂电池。电源模块主要由 CN3058 搭建的电池 USB充电电路、TPS63031 搭建的 3.3V 稳压电路以及分立元件搭建的一键开机电路等组成。2.1.8键盘输入硬件设计在本设计中，阅读器除了有读取、转发电子标签信息功能外，还应该具备对电子标签信息进行修改的功能。文中采用矩阵键盘的方式进行按键扫描工作。2.2电子标签的硬件设计电子标签主要由主控芯片模块、无线射频模块和按键模块组成，具有体积小、超低功耗等特点。电子标签的结构框图见图 4。2.2.1主控制器硬件设计电子标签主控制器选型的主要原则是：功 耗 低，体 积 小，可 靠 性 高。本 设 计 选 择 了MSP430F2012 16 位 MCU5。2.2.2无线射频模块硬件设计电子标签的无线射频模块主要作用是与阅读器进行通信。无线射频模块的选型与阅读器的一致，为 nRF24L01 芯片。3系统软件设计3.1阅读器的软件设计阅读器的软件设计部分主要包含系统初始化、广播发送读卡指令、运行防碰撞算法、数据打包和数据转发等6，阅读器的工作流程见图 5。3.2电子标签的软件设计电子标签的主要功能是当阅读器发送读卡指令后，将存储器内的有用信息发送至阅读器端。电子标签的主要步骤有：系统初始化、运行防碰撞算法、发送标签信息等，电子标签的工作流程见图 6。图 4电子标签结构框图图 5阅读器工作流程石范锋，单丹：地铁施工人员定位系统的研究与实现3河 北 软 件 职 业 技 术 学 院 学 报第 25 卷3.3上位机的软件设计上位机软件采用的是 Browser/Server 模式，该模式的架构如图 7 所示。后台部分采用基于structs2 的 Web 技术将数据从数据库中调出，并处理成 JSON 数据格式。7前台部分采用 EasyUI 以及ECharts 前端显示技术，将处理好的数据显示给用户。图 8 展示了人员管理平台界面。以简洁的表格形式，提供了地铁施工人员在每个区域的初次上报时间、末次上报时间以及所在区域等详细信息。该平台可对地铁施工人员进行实时追踪，实现对地铁施工人员的科学化管理。84LANDMARC 定位算法的应用以 Win CE 和 EVC 为开发环境设计开发了便携式煤矿井下人员检测系统，该系统可用于对煤矿井下人员的定位、搜索和管理，为煤矿生产提供有效的安全保障，以信息化手段提高煤矿的安全生产能力。2014 年美国密歇根州立大学 Lionel M.Ni 和清华大学刘云浩提出了 LANDMARC（Location I原dentification based on Dynamic Active RFID Cali原bration）定位系统，该系统首次加入了成本相对较低的参考标签，以提高系统的定位精度。9因为待测标签与参考标签接收信号的强度同时受外部环境的影响，所以待测标签的信号强度变化与参考标签的信号强度变化可以相互抵消。因此，该系统可以提供适应性较强的位置信息服务。LANDMARC 定位算法的核心思想是根据参考标签的已知固定坐标来推测待测标签的坐标，阅读器可以同时获取参考标签和待测标签的信号强度数值，通过一定的方法计算出两者之间的相关程度，最后选出 k 个合适的参考标签来计算待测标签的位置。10LANDMARC 系统主要由 RFID图 6电子标签工作流程图 7上位机架构4第 2 期图 8人员管理平台界面阅读器、参考标签以及待测标签三部分组成，示意图见图 9。本系统所用的定位算法流程见图 10，核心步骤如下：（1）获取所有参考标签的位置；（2）通过 RFID 读卡器读取待测标签和所有参考标签的信号强度数值；（3）计算待测标签与所有参考标签的关联度，并从小到大排序；图 9LANDMARC 定位算法示意图图 10定位算法流程石范锋，单丹：地铁施工人员定位系统的研究与实现5河 北 软 件 职 业 技 术 学 院 学 报第 25 卷（4）挑选 k 个邻近参考标签，计算其加权参数；（5）计算出待测标签的坐标。5实验与结论在 MATLAB 仿真环境中，在参考标签范围内随机生成 1000 个待测目标，将待测目标的真实坐标与本文设计的定位算法求出待测目标的坐标进行对比，求出该定位系统的平均误差等指标，平均误差为 0.499 米，最大误差为 1.371 米。实验结果表明，本文设计的基于 RFID 技术的地铁施工人员定位系统具有较高的定位精度，可以满足对地铁施工人员的全方位监管。参考文献：1 张望.基于 5G 及蓝牙定位的地铁施工临时通信技术研究 J.铁道建筑技术，2022（9）：126-130.2 吴雅琴，轩兴栋，张玉婷，等.基于 KNN 算法的室内定位系统的设计与实现 J.物联网技术，2022，12（12）：35-37+42.3 刘涛.无线通信与 RFID 定位的智能仓储系统设计 J.电子世界，2021（6）：158-159.4 张帝，董飞，高彬，等.基于嵌入式实时操作系统的智能矿灯设计 J.工矿自动化，2018，44（2）：23-27.5 张帝，权悦，国海，等.基于 LoRa 与 RTThread 的多功能矿灯设计 J.工矿自动化，2021，47（6）：96-102.6 王治.基于 RFID 的仓库物资管理系统 J.电子测试，2022（19）：107-110.7 杨波，贺明.医院后勤物资管理系统的设计与实现研究J.数字通信世界，2022（12）：38-40.8 高彬，丁恩杰，董飞，等.基于矿山物联网的井下物资管理系统设计 J.工矿自动化，2018，44（1）：99-103.9 段飞，王庆利.基于 RSSI 优化的 LANDMARC 室内定位算法的研究 J.沈阳工程学院学报（自然科学版），2022，18（2）：80-85.10 谢亚琴，王超.基于不同邻近标签数选择的LANDMARC定位算法研究 J.南京信息工程大学学报（自然科学版），2019，11（5）：621-624.The Research and Implementation ofSubway Construction Personnel PositioningSystemSHI Fan鄄feng,SHAN Dan（College of Information Engineering,Yangzhou PolytechnicInstitute,Yangzhou Jiangsu 225002,China）Abstract:How to quickly,accurately and efficiently find outthe location distribution of trapped people after accident insubway tunnels and other construction environments is an im原portant and difficult problem for researchers to solve techni原cally.The traditional satellite positioning effect is not good.Aiming at this problem,this paper designs an undergroundpersonnel positioning system based on RFID technology.Thesystem adopts LANDMARC algorithm and is composed of ahardware system consisting of readers and electronic tags,anda software system consisting of a material management plat原form and a personnel management platform,and can accurate原ly locate subway construction personnel.Key words:RFID technology;subway;personnel positioningsystem;LANDMARC6