一种基于RFID的智能安全帽周边环境信息采集系统及方法

一种基于rfid的智能安全帽周边环境信息采集系统及方法
技术领域
1.本发明属于物联网技术应用领域，涉及智能安全帽的周边环境信息采集方法。


背景技术：

2.随着计算机以及物联网技术的发展，rfid(radio frequency identification) 技术得到了持续的发展，不同的应用类型在不断地增加，目前在跌倒监测领域，rfid技术也获得了很多研究者的注意。根据世界卫生组织的数据，跌倒是全球第二大意外伤害和死亡原因。每年有3730多万人因跌倒而受伤，64.6万人因为跌倒直接或间接导致死亡。而工地施工时，跌倒带来的安全问题尤为严重，应该引起足够的重视。为了保证工人的安全，有必要及时发现跌倒事件。
3.另一方面，针对无源的无线传感器研究已经持续了很久，目前的无线传感器可以传输诸如光强、温度、压力等信息，甚至是需要更多能量的图像信息。在过去的研究中，人们从诸如wifi和rfid阅读器信号中收集能量，用这些能量驱动图像传感器。嵌入式视觉应用的需求和数码摄影不同，数码摄像追求高像素，力求清晰度更高，而嵌入式视觉应用中，获取像素点后进行处理、灵活获取、随机像素访问等比单纯的像素数更加重要，过多的像素反而会带来问题，因为生成的大量数据会减慢帧速率，并且增大处理器的负担。大多数商用图像传感器不适合嵌入式视觉应用，主要是因为尺度和复杂度的问题：有源像素传感器和ccd通常都需要精确的快门操作，并且要使用图像传感器驱动时序的复杂接口。在编写特定应用程序时，需要将算法和图像传感器的算法同步。


技术实现要素：

4.本发明针对工地环境实时监测，以及施工时可能出现的工人跌倒、滑落等安全问题，提供一种基于可编程无源rfid标签的智能安全帽周边环境信息采集系统及方法，在该系统和方法中，标签在和rfid阅读器保持通信的同时可以持续从信号中获取能量，收集附近的环境信息，比如温度、光强，以及头盔移动的加速度。当检测到佩戴头盔的工人发生跌倒等危险情况的时候，标签可以利用存储的能量，从图像感应器中获取周围环境的灰度图像，并将该图像信息发送给rfid阅读器。
5.本发明具体采用如下技术方案：一种基于rfid的智能安全帽周边环境信息采集系统，其特征在于包括多种传感器、可编程无源rfid标签、rfid阅读器及管理后台，所述多种传感器及可编程无源rfid标签安装在智能安全帽中，所述多种传感器由所述可编程无源rfid标签提供能量；所述可编程无源rfid标签通过所述多种传感器获取智能安全帽所处环境数据及智能安全帽移动加速度数据，并将获取的数据进行存储及处理后通过无线射频信号发送给所述rfid阅读器，所述rfid阅读器将数据传输给所述管理后台进行数据管理；所述多种传感器包括图像传感器，当所述管理后台通过数据分析检测到异常情况发生，所述可编程无源rfid标签启动所述图像传感器获取智能安全帽所处环境的灰度图像信息。
6.一种如前述的基于rfid的智能安全帽周边环境信息采集系统的采集方法，其特征在于包括如下步骤：步骤1:数据传输准备；1）启动线程通信；2）检测是否有socket连接，如果有则接收保存文件，如果是配置文件则更新配置，若果不是则安装驱动；3）启动数据读取线程，配置rfid阅读器，准备读写可编程无源rfid标签数据； 步骤2: rfid阅读器启动，发送询问信号给范围内的可编程无源rfid标签，可编程无源rfid标签获取充足能量后开始工作；1)可编程无源rfid标签从接收到的射频信号中获取能量，如果能量不充足，则进入睡眠状态，持续吸收能量，当能量充足时，转入工作状态；2)可编程无源rfid标签进入工作状态后，通过各种传感器持续获取智能安全帽所处环境数据及智能安全帽移动加速度数据并存入内置的存储区中；步骤3：可编程无源rfid标签和rfid阅读器进行交互，传输数据；1)可编程无源rfid标签开始接受rfid阅读器命令，检测数据是否符合要求；如果不符合则抛弃命令继续获取rfid阅读器命令；2)如果接收的数据符合要求，根据rfid阅读器的命令和可编程无源rfid标签的状态转换状态；3)可编程无源rfid标签发送答复信息给rfid阅读器，将获取的数据发送给rfid阅读器；步骤4：rfid阅读器将读取的数据发送给管理后台服务器，保存到数据库进行数据管理；步骤5: 当管理后台通过数据分析检测到异常情况发生，通过rfid阅读器发送命令给可编程无源rfid标签，启动图像传感器获取智能安全帽所处环境的灰度图像信息。
7.本发明有益效果：低成本：本发明使用的可编程无源rfid标签符合epc class1 generation2标准，可以使用商用rfid阅读器进行通信，不需要专门定制阅读器。在本发明实施例中具体采用wisp标签，不需要任何定制的芯片，使得标签制作成本大大降低。同时可编程无源rfid标签的可编程特性使得系统更加灵活，方便添加或修改对应的功能。
8.易于维护：可编程无源rfid标签不需要考虑供能问题例如充电、更换电池等。在部署好之后，在不出现差错时可以长时间使用，使用过程中也不需要进行常规的检查等操作，使用便捷。
9.实时性：可编程无源rfid标签读取环境信息是实时、持续进行的，和rfid阅读器之间的交互也是实时、持续进行的，所以管理后台能够实时获取智能安全帽所处环境信息，没有较大的延迟时间，在安全问题尤为重要的工地应用场景下，这种实时性是必要的。
10.扩展性：该系统硬件部署便捷，当新的智能头盔需要部署的时候，阅读器可以方便地将其信息读取到后端服务器，随时可以添加新的头盔id记录，当大量新的智能头盔投入使用时，可以很方便地对其进行测试运行。由于可编程无源rfid标签的可编程性，对功能的扩展修改也很方便，系统管理更便捷。
附图说明
11.图1为实施例一的基于rfid的智能安全帽周边环境信息采集系统框图；图2为实施例二的wisp标签工作流程图；图3是实施例二的中间件程序流程图。
具体实施方式
12.实施例一一种基于rfid的智能安全帽周边环境信息采集系统，如图1所示，包括安装在智能安全帽中的多种传感器和可编程无源rfid标签，以及rfid阅读器及管理后台。可编程无源rfid标签从接收到的射频信号中获取能量并进行能量存储，不需要额外供能，并可为多种传感器提供能量。可编程无源rfid标签通过多种传感器获取智能安全帽所处环境数据及智能安全帽移动加速度数据，并将获取的数据进行存储及处理后通过无线射频信号发送给rfid阅读器，rfid阅读器将数据传输给管理后台进行数据管理。
13.所述多种传感器包括温度传感器、亮度传感器、加速度传感器及图像传感器，其中，温度传感器、亮度传感器、加速度传感器是可编程无源rfid标签自带的内置传感器。图像传感器采用112
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112分辨率的灰度像素centeye图像传感器，其输出值是光强的函数，该传感器内置两个暂存器，分别为行暂存器和列暂存器。该图像传感器在设计时考虑了嵌入式视觉应用，具有以下优势：1.接口是异步接口，方便使用。
14.2.像素电路没有快门，并且总是根据光照的强度产生输出，可以以任意速率对像素进行采样。
15.3.图像传感器十分灵活，可以选择抓取整个像素阵列或者只抓取一个像素窗口。
16.利用这种图像传感器，可以利用较少的能量对工人跌倒等异常情况发生时的环境图像信息进行采集，只需要从rfid信号中获取能量，利用rfid进行信息的无线传输。
17.本实施例使用一种可编程的rfid标签wisp（wireless identification and sensing platform，无线识别传感平台）来收集环境数据并和阅读器进行交互。该标签可以嵌入各种传感器，包括温度传感器、亮度传感器、加速度传感器，以及本发明中用到的图像传感器。通过对该标签进行编程，当管理后台通过数据分析监测到工人跌倒等异常情况发生时，可以通过rfid阅读器发送命令给可编程无源rfid标签，启动图像传感器获取智能安全帽所处环境的灰度图像信息，实现轻量级的系统部署成本即可以无线采集工地环境相关信息。
18.wisp是近几年发展起来的一款可编程rfid标签。本实施例使用的是其第五代版本tb-wisp5.1，该版本搭载了一颗msp430fr5969微控制芯片，可以用其驱动该标签上配备的各种传感器装置，并将传感器收集的传感信息处理后通过特高频载波波段（902-928mhz）发送给阅读器天线，通信时采用epc class1generation2通信协议。
19.wips5标签内部包括四个主要模块：能量收集模块、控制模块、传感器模块和信号发射模块。其中能量收集模块通过标签内置天线接收阅读器天线发出的射频能量并将其转化为电能，存储在标签内部的储能电容中以实现无源性，因此应用灵活便捷。传感器模块负责获取周边环境信息，并将这些信息存入到标签内置的存储器中，标签将环境信息发送给
阅读器，阅读器将这些信息传入管理后台进行处理。
20.能量收集模块包括三个主要部分：适配网络，整流器和能量收集器，通过标签内置天线接收阅读器天线发出的射频能量并将其转化为电能，存储在标签内部的储能电容中以实现无源性，因此应用灵活便捷。
21.传感器模块负责获取周边环境信息，包括温度传感器、亮度传感器、加速度传感器，wips5标签将这些传感器以及另外配置的图像传感器采集的信息存入到标签内置的存储器中。
22.控制模块除了标签自带的微控制芯片，还额外增加一片igloo nano，agln250v2 fpga芯片来实现状态机控制。为了获取图像帧，该fpga芯片通过设定行值和列值扫描像素点，将灰度值记录下来。
23.信号发送模块用来将获取的传感信息（包括环境信息和加速度信息）发送给rfid阅读器。本实施例将获取的环境信息写入标签的存储区域中，由于存储区域大小有限，在存储区域满的时候需要将一部分数据删除。信息在被存储起来时，会分配一个字段专门用来存储该信息获取的时间戳，每次删除数据时，先删除最久存储的数据，保留最近获取的数据。信号发送模块将数据发送给阅读器。在检测到佩戴者出现跌倒等异常情况时，信号发送模块将图像传感器采集的灰度图像数据发送给阅读器。
24.wisp设备在工作时，分为工作状态和休眠状态，当由外部供电或者内部储能电容能量充足时，处于工作状态；当无外部供电并且内部储能电容能量不足时，将切换到休眠状态，由能量收集模块收集到足够能量后，再返回工作状态继续工作。在工作状态下，wisp将持续用传感器收集环境信息存入自身fram中，并随时接受来自阅读器的通讯请求中断。
25.实施例二本实施例提供实施例一的采集系统的采集方法，采集方法主要包括三个部分，wisp标签及rfid阅读器之间的通信部分、中间件程序部分和管理后台数据管理部分。
26.wisp标签和阅读器构成了采集系统的前端部分，主要用来获取安全帽所处环境诸如光强、温度、安全帽移动加速度等信息，管理后台构成了数据管理的后端部分，中间件程序是连接前端和后端的纽带，中间件程序将驱动前端工作，并将前端获取的数据存入后端数据库中，供管理后台使用，管理后台采用b/s架构。
27.wisp开发和传感器配置wisp底层软件开发，是进行msp430的嵌入式开发，通过对msp430编程，实现wisp的标签功能，并能够控制传感器对周围环境进行采集。嵌入式开发主要实现标签的盘存功能、读写功能、能量管理、传感器控制等功能。wisp标签工作流程图如图2所示。wisp的能量管理是当其能量不足时，wisp转入休眠状态，当能量充足时，重新唤醒wisp使其工作。wisp初始化完成后，开始接受阅读区信号，并将信号处理成“01”比特串并保存在寄存器中，当接收的比特数符合epc c1g2标准的规定时，将比特数组转化成字符数组。wisp采用epc c1g2协议，wisp的状态转换也遵循该协议规范。wisp主程序在初始化时，将wisp的初始状态设为ready。当wisp处理完阅读器发送的信号后，将其转化为字符数值，保存到cmd[]数组中。主程序通过cmd[]数组里记录的命令来转换wisp状态，并执行相应的命令操作。
[0028]
wisp标签工作流程具体包括：步骤1、wisp标签初始化；
步骤2、wisp标签从接收到的射频信号中获取能量，如果能量不充足，则进入睡眠状态，持续吸收能量，当能量充足时，转入工作状态；步骤3、wisp标签进入工作状态后，通过各种传感器持续获取智能安全帽所处环境数据及智能安全帽移动加速度数据并存入内置的存储区中；步骤4、wisp标签开始接受rfid阅读器命令，检测数据是否符合要求；如果不符合则抛弃命令继续获取rfid阅读器命令；步骤5、如果接收的数据符合要求，根据rfid阅读器的命令和wisp标签的状态转换状态；步骤6、wisp标签发送答复信息给rfid阅读器，将获取的数据发送给rfid阅读器。
[0029]
当wisp处于准备（ready）状态时，只执行query和select命令，其他命令发送过来时，则仍然保持ready状态，忽略该命令。当命令传来时，根据标准协议规定，cmd[0]&0xf0等于0x80时，表示该命令为query命令，执行handle_query(nextstate)方法。此方法会获取阅读器发送的q值，并在-1内选取一个随机数，置于时隙计时器中，同时wisp状态转为仲裁状态。当时隙计数器为0时，wisp进行应答，发送一个rn16给阅读器，并将wisp状态转为reply状态。当时select命令时，wisp执行handle_select()方法，方法调用后，wisp仍处于准备（ready）状态。
[0030]
当wisp处于attribute状态时，只接受query命令、select命令、queryrep、queryadjust命令，只有select命令让wisp返回ready状态，其他命令在时隙计数器不为0时，都不会改变wisp状态。
[0031]
当时隙计数器为0后，wisp向阅读器发送一个rn16，并转入应答（reply）状态，当收到阅读器发送来的正确的ack命令时，会转入确认状态。若收到错误的ack命令，则仍处于应答状态。
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wisp在确认（acknowledged）状态时，收到req_rn命令，若wisp没有访问密码，则转到安全（secured）状态，在安全状态下，wisp可以随意读写其中的数据；若wisp存在访问密码，则wisp转到开（open）状态，在开状态下，阅读器使用access命令可以将wisp从开状态转为安全状态。
[0033]
总而言之，wisp在不同的状态下，接收的命令对其状态的转换的影响都参照epc c1g2协议。
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传感器方面，wisp本身内置有温度、光强、加速度计等传感器，可以采集相关的环境信息。本发明在wisp原有传感器的基础上，加装一种centeye公司生产的适用于嵌入式视觉应用的图像传感器，该传感器可以实现112
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112分辨率的灰度值随机像素访问，可以获取每个像素的原始模拟信号。该传感器中有两个寄存器，分别是行寄存器和列寄存器，可以输出对应像素点的原始信号，该信号值是光强的函数，由光强计算得到。本发明使用该图像传感器获取特殊情况下安全帽附近的环境图像信息。
[0035]
中间件程序中间件程序需要接收来自管理后台服务器传输的配置信息和阅读器驱动程序，因此阅读器与后台服务器的通信采用socket通信。java的socket编程采用java api中封装好的两个类serversocket和socket。为了能够及时接受来自服务器主动发送的阅读器配置信息和驱动程序等数据，将中间件程序作为服务器端，而管理后台服务器则作为客户端，这样
可以不必使用轮询的方式时刻发送请求给后台服务器以查看后台服务器是否有数据发送。
[0036]
中间件程序为了接收来自后台服务器发送的文件，创建了fileutil类，定义了filereceive()方法，该方法使用java的网络输入流来接受从后台服务器发送的文件信息。该方法首先创建一个list来接收传输的文件，然后创建网络输入流，并用数据输入流管道包装网络输入流。由于后台服务器发送文件中，先用writeutf()方法发送文件名，多个文件名用“；”隔开，因此创建完数据输入流后，则需要用dis.readutf()方法接收到文件名字符串，然后将字符串按照“；”分隔开，并在设定的文件夹中创建文件，当文件为xml格式时，保存在“e:\java\xml”中，如果是其他格式，则保存在“e：\java\xin10”。最后创建一个2048byte的缓冲区buf用来接收数据，并创建一个randomaccessfile对象raf来将数据写入到新建的文件中去。由于后台在发送文件中，会在发送每个文件的开始，通过writeutf()传输发送文件的长度，所以在中间件程序中定义一个整形的num变量通过readutf()接收文件长度，并将num变量作为该文件是否接收完成的标识。本程序采用confthread的线程来时刻监听后台服务器，confthread采用实现java的runnable接口，confthread定义一个类型为serversocket公共变量ss，用来打开端口、创建socket连接，confthread线程实现的run()方法中，则是时刻监听有无socket连接，若有从后台服务器传来的socket连接，则开始接收文件，并根据文件的类型通知阅读器管理模块处理这些文件。
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管理后台系统设计与实现管理后台系统采用j2ee标准，按照mvc模式开发。为了方便后期维护和系统更新，采用ssh架构进行开发。structs2在ssh架构中作为动作跳转和过滤器，spring则是注入对象，并实现事务的管理，hibernate则是连接数据库，并对数据库进行操作，采用ssh架构使得整个设计变得更加灵活，降低了整个逻辑的复杂性，提高了编程效率，对于后期维护、调整和更新而言减少了大量工作量。后台管理系统主要是为了实现实时采集数据的管理，可以实现对头盔环境数据的查看和更新。当头盔监测到特殊情况时，获取到的周边环境图像会存储到特定的文件夹。其他诸如温度、光强等常规数据按照获取的时间戳数据进行排序，按照时间顺序存储到数据库中。
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如图3所示中间件程序工作包括如下步骤：步骤1：中间件程序启动，准备数据传输；1)启动线程通信；2)检测是否有socket连接，如果有则接收保存文件，如果是配置文件则更新配置，若果不是则安装驱动；3)启动数据读取线程，配置rfid阅读器，准备读写wisp标签数据；步骤2:rfid阅读器启动，发送询问信号给范围内的wisp标签，wisp标签获取充足能量后开始工作；1)wisp标签从接收到的射频信号中获取能量，如果能量不充足，则进入睡眠状态，持续吸收能量，当能量充足时，转入工作状态；2)wisp标签进入工作状态时，通过各种传感器持续获取智能安全帽所处环境数据及智能安全帽移动加速度数据并存入内置的存储区中；步骤3：wisp标签与rfid阅读器进行通信，传输数据；1)wisp标签开始接受rfid阅读器命令，检测数据是否符合要求；如果不符合则抛
弃命令继续获取rfid阅读器命令；2)如果接收的数据符合要求，根据rfid阅读器的命令和wisp标签的状态转换状态；3)wisp标签发送答复信息给rfid阅读器，将获取的数据发送给rfid阅读器；步骤4：rfid阅读器将读取的数据发送给管理后台服务器，保存到数据库进行数据管理；步骤5：当管理后台通过数据分析检测到异常情况发生，通过rfid阅读器发送命令给wisp标签，启动图像传感器获取智能安全帽所处环境的灰度图像信息。