基于RFID及多传感器融合技术的展馆监控管理系统设计Word文档格式.docx
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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。
关键词：
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、系统背景
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、技术基础
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（RadioFrequencyIdentification）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（BackPropagation）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、系统设计目标及技术路线
4.1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
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
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
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
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
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：
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。
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、可疑的情况及时作出报警处理。
社会效益：
直观的可视化技术能准确地显示展馆人流量及密集度分析，为展馆环境承载能力及人流管理的科学决策提供参考；
及时的高危高值物品监控及防灾预警体系，可在保护环境资源，实现展馆可持续发展上带来显著的经济效益，并对展馆的科学管理提供决策依据；
可为展馆提供整套解决方案，提升旅游单位的整体管理水平。
图1系统技术路线图
五软硬件设计方案
5.1硬件设计
5.1.1系统结构
系统硬件构成主要分为RFID系统和多传感器系统两部分，整体硬件组成如图2所示。
图2系统硬件构成图
5.1.2系统工作流程
游客随身携带RFID电子门票，通过在旅游线路上安装RFID读卡器，读取电子门票ID号，从而获取游客位置；
历史文物附着RFID芯片，通过临近RFID读卡器获取位置移动信息。
将获取数据信息存入数据库，由计算机取出数据库信息加以整合分析，系统工作流程如图3所示。
5.1.3读卡器位置设置
在景区的进出口外侧和内侧各安放一个RFID读卡器，并设置它们的监控范围不重叠。
将游客于某景区的进入状态分为：
准备进入、进入、离去，并将景区的外侧读卡器采用统一的外侧读卡器类型标志，同样对内侧读卡器也采用统一的内侧读卡器类型标志，一个游客如果在某个景点的外侧不管有多少次被读卡器检测到，系统都只会保持其原来状态，或离去，或准备进入。
5.1.4多传感器系统
系统中主要引入温度、湿度和风速三种传感器，需要根据景区实际情况建立传感器分布模型，确定传感器放置位置及节点数量。
通过传感装置采集温度、湿度和风速数据，使用ZigBee技术组建无线传感器网络传递数据信息。
ZigBee是一种短距离、自组织、低功耗、低成本的无线通信技术，主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。
系统设计的ZigBee无线传感器网络由协调器、路由器和传感器节点组成。
传感器节点负责采集并发送数据；
路由器在中间起中转作用；
协调器负责数据的收集，也称为收集节点。
传感器节点硬件构成如图4所示。
图4ZigBee传感器节点硬件构成
由于景区气象信息采集点分布广泛，故系统采用如图1所示的树状网络结构。
收集节点和路由节点均为FFD（fullfunctiondevice），具有路由与中继功能，可以同网络中的任何设备通信；
而传感器节点采用RFD（reducedfunctiondevice），相互间不能直接通信，只能通过FFD节点通信。
5.2软件设计
系统提供一种基于RFID的旅游景区监控管理系统，采用RFID技术对景区旅客流量、历史文物进行监控，引入BP-神经网络算法对游客流量进行分析、预测；
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、排除险情以及文物追踪提供便利条件。
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，景区高值高危物品监控管理、景区险情预警模块、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。
系统主要功能模块图如图5所示。
图5系统主要功能模块图
1、基本信息管理模块
主要完成用户管理，读卡器的添加、删除、修改以及芯片的添加、删除、修改等管理功能。
2、游客流量监控管理模块
主要完成游客流量地图显示、游客信息管理和警报信息管理功能。
电子地图实时显示各景点游客流量及游客信息；
设置各景点的人员容量，超载时相应区域报警；
采用BP-神经网络算法完成对重点区域的人员流量及密集度预测分析，针对景区情况建立BP-神经网络学习模型，通过设定各层输入内容及学习次数，做出一个最佳预测分析算法，结合预测结果给出密集区域人员分流方案。
此外，该模块应实现游客历史线路回溯功能，方便险情发生时救援工作的开展。
3、历史文物监控管理模块
主要完成历史文物地图显示、历史文物信息管理和警报信息管理功能。
电子地图实时显示各景点历史文物信息，文物位置改变时相应区域报警：
（1）读卡器检测不到该景点对应文物芯片信息时报警；
（2）读卡器检测到非法景点文物信息时报警，并为工作人员提供文物追踪路径。
4、气象环境监控管理模块
主要完成气象环境地图显示、气象环境信息管理和警报信息管理功能。
电子地图实时显示各景点气象信息，采用一定的信息融合算法对多点的数据进行分析，判断被监控区域的真实气象情况，做出合理的报警或预警提示。
绘制监控景点的气象曲线图，方便管理人员把握气象状况，及时排除险情。
该系统主要用于景区环境的监测，因此景区地理环境的特殊性和复杂性是系统建立过程中必须要考虑的因素。
为了有效地降低系统在偏僻、崎岖、地形复杂和危险地区的部署和维护难度，系统可采用B/S架构进行开发，从而有效避免上述问题。
效果图见图6景点人流量监控分流运行效果展示图、图7气象信息监控管理页面。
图6景点人流量监控分流运行效果展示图
图7气象信息监控管理页面
RFID技术背景
1、RFID技术介绍
RFID是Radio
Frequency
Identification的缩写，即射频识别。
RFID技术是一种非接触式自动识别技术，它是通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据。
它能对相距几厘米到几十米范围内的物体进行识别，而且可以批量读取、可识别静止和运动状态下的物体、设备、车辆和人员，从而成为了自动识别领域一颗耀眼的新星。
RFID是一项易于操控，简单实用且特别适合用于自动化控制的灵活性的应用技术，识别工作无须人工干预，它既可支持只读工作模式也可支持读写工作模式，且无需接触或瞄准；
可自由工作在各种恶劣环境下：
短距离射频产品不怕油渍、灰尘污染等恶劣的环境，可以替代条码，例如用在工厂的流水线上跟踪物体；
长距射频产品多用于交通上，识别距离可达几十米，如自动收费或识别车辆身份等。
其所具备的独特优越性是其它识别技术无法比拟的。
条形码是一种已经应用非常广泛的自动识别技术，但RFID与之相比优势非常明显，条形码及RFID示意图如图2所示。
RFID的主要优势及特性有以下几个方面：
读取方便快捷：
数据的读取无需光源，甚至可以透过外包装来进行。
有效识别距离更长，采用自带电池的主动标签时，有效识别距离可达到30米以上；
识别速度快：
标签一进入磁场，阅读器就可以即时读取其中的信息，而且能够同时处理多个标签，实现批量识别；
穿透性和无屏碍阅读：
条形码扫描机必须在近距离而且没有物体阻挡的情况下，才可以辨读条形码。
RFID能够穿透纸张、木材和塑料等非金属和非透明的材质，进行穿透性通信，不需要光源，读取距离更远。
但不透过金属等导电物体进行识别。
数据容量大：
维条形码的容量是50Bytes，二维条形码最大容量可储存2到3000字符，RFID最大的容量则有数MegaBytes。
随着记忆载体的发展，数据容量也有不断扩大的趋势。
未来物品所需携带的资料量会越来越大，对标签所能扩充容量的需求也相应增加。
使用寿命长，应用范围广：
其无线电通信方式，使其可以应用于粉尘、油污等高污染环境和放射性环境，而且其封闭式包装使得其寿命大大超过印刷的条形码；
传统条形码的载体是纸张，因此容易受到污染，但RFID对水、油和化学药品等物质具有很强抵抗性。
此外，由于条形码是附于塑料袋或外包装纸箱上，所以特别容易受到折损；
RFID卷标是将数据存在芯片中，因此可以免受污损，RFID抗污染能力和耐久性强。
标签数据可动态更改：
利用编程器可以向电子标签里写入数据，从而赋予RFID标签交互式便携数据文件的功能，而且写入时间比打印条形码更短；
更好的安全性：
RFID电子标签不仅可以嵌入或附着在不同形状、类型的产品上，而且可以为标签数据的读写设置密码保护，从而具有更高的安全性；
：
由于RFID承载的是电子信息，其数据内容可经由密码保护，使其内容不易被伪造及变编造，安全性更高。
动态实时通信：
标签以每秒50～100次的频率与阅读器进行通信，所以只要RFID标签所附着的物体出现在解读器的有效识别范围内，就可以对其位置进行动态的追踪和监控。
体积小型化、形状多样化：
RFID不需要为读取精确度而配合纸张的固定尺寸和印刷品质，更适合往小型化与多样形态发展，以方便嵌入或附着在不同形状、类型的产品上。
图2传统的条形码技术向RFID转变
2、RFID系统组成
最基本的RFID系统由三大部分组成：
（1）电子标签（Tag）
电子标签又称为射频标签、应答器，一般由耦合元件（天线）及专用芯片组成。
电子标签是射频识别系统真正的数据载体，每个标签具有唯一电子编码（ID号），而且标签一般保存有约定格式的电子数据。
在实际应用中，RFID标签通常贴在不同类型、不同形状的物体表面，甚至嵌入到物体内部，因此会根据需要做成不同形状。
各种形状的RFID示意图如图3所示。
图3各种形状的RFID设备
（2）
阅读器（Reader）
读取（有时还可以写入）标签信息的设备，可设计为手持式或固定式；
阅读器可无接触地读取并识别电子标签中所保存的电子数据，从而达到自动识别物体的目的。
通常阅读器与电脑相连，所读取标签信息被传到电脑上进行下一步处理。
图4各种形状的RFID阅读器
（3）
天线（Antenna）：
在标签和读取器间传递射频信号。
天线是一种以电磁波形式把无线电收发机的射频信号接收或辐射出去的装置。
天线样式如图5所示。
图5天线样式
（4）RFID中间件（RFIDMiddleware）:
RFID中间件是将底层RFID硬件和上层企业应用结合在一起的粘合剂。
虽然原则上的中间件是横向的软件技术，但在RFID系统中，为使其更适用于特定行业，RFID中间件往往会针对行业做一定的适配工作。
在RFID系统这种具体情况下，中间件层除通常的功能外，还有以下特定功能：
·
使阅读/写入更加可靠
把数据通过读卡器网络推或者拉到正确位置（类似路由器）
监测和控制读卡器
提供安全读/写操作
降低射频干扰
处理标签型和读卡器型事件
应用通知
接受并且转发来自应用的中断指令
给用户提供异常告警
3、RFID的工作原理
RFID系统在实际应用中，电子标签附着在待识别物体的表面，电子标签中保存有约定格式的电子数据。
阅读器通过天线发送出一定频率的射频信号，当标签进入磁场时产生感应电流从而获得能量，发送出自身编码等信息，被读取器读取并解码后送至电脑主机进行相关处理。
RFID系统工作原理图如图6、7所示，RFID技术系统应用说明如图8所示。
图6RFID读写器工作原理图
图7RFID读写器工作原理图
图8RFID技术系统应用说明
4、RFID工作频率技术参数
毫无疑问，射频标签的工作频率是其最重要的特点之一。
射频标签的工作频率不仅决定着射频识别系统工作原理（电感耦合还是电磁耦合）、识别距离，还决定着射频标签及读写器实现的难易程度和设备的成本。
工作在不同频段或频点上的射频标签具有不同的特点。
射频识别应用占据的频段或频点在国际上有公认的划分，即位于ISM波段之中。
典型的工作频率有：
125kHz，133kHz，13.56MHz，27.12MHz，433MHz，902~928MHz，2.45GHz，5.8GHz等。
从应用概念来说，射频标签的工作频率也就是射频识别系统的工作频率。
1、低频段射频标签
低频段射频标签，简称为低频标签，其工作频率范围为30kHz~300kHz。
典型工作频率有：
125KHz，133KHz。
低频标签一般为无源标签，其工作能量通过电感耦合方式从阅读器耦合线圈的辐射近场中获得。
低频标签与阅读器之间传送数据时，低频标签需位于阅读器天线辐射的近场区内。
低频标签的阅读距离一般情况下小于1米。
低频标签的典型应用有：
动物识别、容器识别、工具识别、电子闭锁防盗（带有内置应答器的汽车钥匙）等。
与低频标签相关的国际标准有：
ISO11784/11785（用于动物识别）、ISO18000-2（125-135kHz）。
低频标签有多种外观形式，应用于动物识别的低频标签外观有：
项圈式、耳牌式、注射式、药丸式等。
典型应用的动物有牛、信鸽等。
低频标签的主要优势体现在：
标签芯片一般采用普通的CMOS工艺，具有省电、廉价的特点；
工作频率不受无线电频率管制约束；
可以穿透水、有机组织、木材等；
非常适合近距离的、低速度的、数据量要求较少的识别应用（例如：
动物识别）等。
低频标签的劣势主要体现在：
标签存贮数据量较少；
只能适合低速、近距离识别应用；
与高频标签相比：
标签天线匝数更多，成本更高一些。
2、中高频段射频标签
中高频段射频标签的工作频率一般为3MHz~30MHz。
典型工作频率为：
13.56MHz。
该频段的射频标签，从射频识别应用角度来说，因其工作原理与低频标签完全相同，即采用电感耦合方式工作，所以宜
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