一種基于無源射頻識別的智能門禁系統(tǒng)

(首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京世紀(jì)壇醫(yī)院，北京 100038)

0 引言

目前，安全門禁系統(tǒng)經(jīng)常使用的識別人員權(quán)限并控制其訪問的技術(shù)，是無源射頻識別(RFID)技術(shù)。但是，采用這種技術(shù)的門禁系統(tǒng)較難阻止未經(jīng)授權(quán)的人員將授權(quán)人員限制在禁區(qū)內(nèi)[1-2]。實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)(RTLS)可以在室內(nèi)區(qū)域?qū)崟r(shí)識別、定位和追蹤人員，已被廣泛用于安全防范系統(tǒng)[3]。然而，常規(guī)的超高頻(UHF)基于RFID的RTLS在室內(nèi)環(huán)境中，會遭受多路徑入侵和干擾。此外，無源射頻識別系統(tǒng)在實(shí)際中常因帶寬受限導(dǎo)致識別和定位性能的嚴(yán)重惡化。為了提高識別的可靠性和定位精度，減少多路徑效應(yīng)的影響是一個關(guān)鍵問題[4-6]。解決這一問題的方法之一是專門研究天線設(shè)計(jì)，使其輻射模式極窄，以盡量減少不必要的讀數(shù)。文獻(xiàn)[7]采用天線分集技術(shù)降低多徑入侵的副作用。文獻(xiàn)[8]提出使用天線波束掃描來克服多徑反射對定位精度的影響的設(shè)計(jì)思路。文獻(xiàn)[9]將計(jì)算機(jī)視覺(CV)系統(tǒng)與RFID系統(tǒng)結(jié)合起來，以克服有限帶寬和固有多徑信道特性的限制。由于計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的飛快進(jìn)步，提高了視覺識別的可靠性和定位精度，并且能夠以低成本提供可靠的物體、人員跟蹤[10]，所以可將其用于門禁系統(tǒng)中。

綜上，提出了一種混合超高頻RFID和計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)，用于識別、定位和跟蹤檢測區(qū)域的RFID標(biāo)簽。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

為了滿足安全訪問控制的要求，提出了一種基于RFID和計(jì)算機(jī)視覺(CV)的混合系統(tǒng)架構(gòu)，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

訪問控制系統(tǒng)在門的前面設(shè)置有一個檢測區(qū)域。RFID子系統(tǒng)包括具有2個天線和多個半靜態(tài)標(biāo)簽的UHF RFID讀取器。天線安裝在檢測區(qū)域上方靠近天花板的兩側(cè)。授權(quán)人員佩戴嵌有半透明標(biāo)簽的徽章。計(jì)算機(jī)視覺子系統(tǒng)包含深度彩色相機(jī)，該相機(jī)安裝在檢測區(qū)域上方的天花板中以檢索深度信息。檢測區(qū)域是由RFID天線和深度彩色攝像機(jī)的感測范圍覆蓋的重疊區(qū)域。計(jì)算機(jī)視覺子系統(tǒng)識別是否有人員進(jìn)入檢測區(qū)域，而RFID子系統(tǒng)識別每個人是否被授權(quán)。

1.2 RFID子系統(tǒng)的部署

RFID讀取器讀取檢測區(qū)域中人佩戴的半身標(biāo)簽的唯一電子產(chǎn)品代碼(EPC)，以確定該人是否被授權(quán)[11]。如圖2所示，天線附近配備了2個金屬反射器來限制無線電收發(fā)的方向。此外，RFID讀寫器的功率也必須通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)置讓天線讀寫范圍覆蓋該區(qū)域的一半。如果天線從標(biāo)簽讀取到EPC，則認(rèn)為是一個人出現(xiàn)在檢測區(qū)域。如果功率水平過高，則RFID閱讀器天線的收發(fā)范圍將超過檢測區(qū)域，導(dǎo)致檢測區(qū)域外的另一個授權(quán)人員被檢測到，導(dǎo)致錯誤檢測。

圖2 2個金屬反射器和RFID天線的設(shè)置

1.3 計(jì)算機(jī)視覺子系統(tǒng)和人數(shù)統(tǒng)計(jì)

由于未經(jīng)授權(quán)的人員不能被射頻識別系統(tǒng)檢測到，但可以跟隨被授權(quán)人員進(jìn)入檢測區(qū)域。因此，使用CV系統(tǒng)來捕獲檢測區(qū)域內(nèi)的人員圖像，并識別檢測區(qū)域中的人數(shù)，其中包括授權(quán)和未授權(quán)的人員。如果所有人員都被授權(quán)，那么2個計(jì)數(shù)結(jié)果應(yīng)該是相同的。

由于射頻識別天線的覆蓋范圍難以控制[12]，因此基于必須將攝像機(jī)的檢測范圍與射頻識別天線檢測區(qū)域相匹配的考慮，需要將檢測區(qū)域設(shè)置為計(jì)算機(jī)視覺子系統(tǒng)和RFID子系統(tǒng)共同覆蓋的區(qū)域。

對于CV系統(tǒng)，如果使用普通彩色攝像機(jī)，人的陰影可能會提前出現(xiàn)在檢測區(qū)域[13]，而授權(quán)人員尚未進(jìn)入檢測區(qū)域，因此RFID子系統(tǒng)無法檢測到授權(quán)人員的任何EPC。系統(tǒng)會產(chǎn)生錯誤的檢測結(jié)果。為了解決頻繁的錯誤檢測問題，本文采用了深度彩色攝像機(jī)來估計(jì)基于深度圖像的人的數(shù)量。如圖3所示，黃色點(diǎn)(顏色較淺)表示人體，綠色點(diǎn)(顏色較深)表示人體的位置。

圖3 深度彩色攝像機(jī)圖像

為了準(zhǔn)確地檢測區(qū)域中的人員數(shù)量，本文定義了檢測區(qū)域的前后區(qū)域。如圖4所示，人們按照前方區(qū)域、檢測區(qū)域和后方區(qū)域的順序移動。CV子系統(tǒng)捕獲人員的圖像并決定圖像屬于這3個區(qū)域中的哪一個。CV系統(tǒng)還對人員的數(shù)量進(jìn)行估計(jì)。

圖4 CV子系統(tǒng)對檢測區(qū)域位置的定義

當(dāng)人進(jìn)入感應(yīng)區(qū)域時(shí)，深度彩色攝像機(jī)根據(jù)預(yù)定義的范圍向CV子系統(tǒng)發(fā)送輪廓信息。CV子系統(tǒng)為一個人選擇合理尺寸的圖像輪廓。如果輪廓太小，不能被定義為預(yù)定義范圍內(nèi)的人，那么它將被過濾掉。為圖像的每個選定輪廓計(jì)算重心(CoG)，以確定該人位于哪個區(qū)域。

1.4 檢測未經(jīng)授權(quán)的尾隨

為了檢測未授權(quán)的尾隨，主系統(tǒng)需要根據(jù)RFID子系統(tǒng)和CV子系統(tǒng)的檢測結(jié)果做出決定，如圖5所示。由于CV子系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)處理速度要快于RFID子系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)處理速度，當(dāng)授權(quán)人員進(jìn)入檢測區(qū)域時(shí)，在接收到來自RFID子系統(tǒng)的授權(quán)消息之前，主系統(tǒng)就從CV子系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)，并判斷這是一個未經(jīng)授權(quán)的人，導(dǎo)致一個錯誤的檢測結(jié)果。在本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，RFID子系統(tǒng)和CV子系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間分別為175 ms和33 ms。因此，必須在數(shù)據(jù)傳輸之前添加CV子系統(tǒng)中的延遲時(shí)間(td)。

圖5 尾隨檢測的流程

CV子系統(tǒng)將結(jié)果提交給主系統(tǒng)，這表明一個人進(jìn)入檢測區(qū)域(CV結(jié)果= 1)。主系統(tǒng)進(jìn)一步確定它是否從RFID子系統(tǒng)接收授權(quán)數(shù)據(jù)(RFID結(jié)果= 1)或不接收(RFID結(jié)果= 0)。通過計(jì)算CV結(jié)果與RFID結(jié)果之間的差異，主系統(tǒng)能夠檢測尾隨事件。

由于UHF RFID的多路徑效應(yīng)，當(dāng)授權(quán)人員離開檢測區(qū)域并進(jìn)入后方區(qū)域時(shí)，RFID讀取器繼續(xù)讀取EPC。因此，當(dāng)一個授權(quán)人員和一個未經(jīng)授權(quán)的人進(jìn)入檢測區(qū)域時(shí)，RFID子系統(tǒng)會繼續(xù)提交授權(quán)數(shù)據(jù)(RFID結(jié)果= 1)，而CV子系統(tǒng)也會將真實(shí)值(CV結(jié)果= 1)提交給系統(tǒng)表示未經(jīng)授權(quán)的人員進(jìn)入檢測區(qū)域的主系統(tǒng)被授權(quán)。為了防止這樣的錯誤決定，當(dāng)授權(quán)人進(jìn)入后區(qū)時(shí)，系統(tǒng)會臨時(shí)禁用授權(quán)的EPC。該機(jī)制有效地抵消了超高頻RFID的多路徑干擾特性，提高了尾隨檢測的準(zhǔn)確性。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)環(huán)境設(shè)置如圖6a所示。其中，檢測區(qū)域被設(shè)置在金屬門的前方，以增加多路徑效應(yīng)的影響。在檢測區(qū)域上方的兩側(cè)設(shè)置2個帶有金屬反射器的RFID全向天線。在檢測區(qū)域上部署深度彩色攝像機(jī)。如圖6b所示，胸部的人員佩戴了半身式的UHF RFID胸牌標(biāo)簽用于識別。

門前的通道限于1次通過1個人。如圖7所示，在門前劃定一個狹窄的檢測區(qū)域(寬185 cm，長50 cm)，使得1次只能有1個人進(jìn)入檢測區(qū)域。

圖7 檢測區(qū)域的設(shè)置

進(jìn)行了2項(xiàng)實(shí)驗(yàn)：授權(quán)檢測和未經(jīng)授權(quán)的尾隨。首先，測試檢測區(qū)域的人員是否未經(jīng)授權(quán)。當(dāng)檢測到未經(jīng)授權(quán)的人時(shí)，系統(tǒng)返回正值；當(dāng)未檢測到未經(jīng)授權(quán)的人時(shí)，系統(tǒng)返回負(fù)值。如表1所示，結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地檢測單人情況下的權(quán)限。

表1 授權(quán)檢測結(jié)果 %

第2個實(shí)驗(yàn)測試了不同移動距離之間的尾隨檢測的性能。如果一個未經(jīng)授權(quán)的人員尾隨另一個授權(quán)人員，系統(tǒng)返回一個正值。否則，如果尾隨也被授權(quán)，則返回一個負(fù)值。測試結(jié)果如表2所示。

表2 尾隨檢測結(jié)果 %

由表2可知，對于未經(jīng)授權(quán)的尾隨，所有成功率都在92%以上。在編制人員尾隨情況下，成功率分別為91%, 83%和78%，間隔分別為80 cm, 70 cm和60 cm。當(dāng)2個人之間的距離變短時(shí)，系統(tǒng)判斷的準(zhǔn)確性降低。這表明尾隨的RFID信號可以被前面的人員屏蔽，并且提高了誤報(bào)率。

3 結(jié)束語

基于解決提高RFID訪問控制系統(tǒng)可靠性和未授權(quán)尾隨的訪問控制問題，提出了一種智能安全訪問控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)包含RFID子系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)視覺子系統(tǒng)。在所提出的RFID子系統(tǒng)中，使用2個金屬反射器來限制RFID閱讀器天線的收發(fā)范圍，以減少多路徑效應(yīng)。在所提出的計(jì)算機(jī)視覺子系統(tǒng)中，使用深度彩色相機(jī)來獲取圖像的深度信息，以計(jì)算實(shí)際人員數(shù)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能提高射頻識別的準(zhǔn)確率并有效解決未授權(quán)的尾隨問題。未來的工作將集中在解決多人通過通道的非授權(quán)尾隨的情況。此外驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)也需要在一個更復(fù)雜的環(huán)境中進(jìn)行，以提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。