基于433 MHz無線通信與虹膜識(shí)別的礦用唯一性檢卡裝置

張煒， 付元， 劉昕

(1.北京理工大學(xué) 機(jī)電學(xué)院， 北京 100081； 2.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司， 北京 100013； 3.煤科院節(jié)能技術(shù)有限公司， 北京 100013)

0 引言

為實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦井下工作人員的有效管理，根據(jù)AQ 1048—2007《煤礦井下作業(yè)人員管理系統(tǒng)使用與管理規(guī)范》中相關(guān)條款規(guī)定，各個(gè)人員出入井口應(yīng)設(shè)置檢測(cè)識(shí)別卡工作是否正常和唯一性檢測(cè)的裝置[1]?；谏鲜鲆?guī)范要求和煤礦安全生產(chǎn)管理中對(duì)攜帶多張識(shí)別卡、攜帶錯(cuò)誤識(shí)別卡、未攜帶識(shí)別卡等違規(guī)行為的檢測(cè)需求，研究人員對(duì)礦用唯一性檢卡裝置進(jìn)行了大量研究。

研究人員提出了利用基于掌紋與指紋、人臉圖像、步態(tài)、虹膜等生物特征的唯一性檢測(cè)技術(shù)對(duì)本人攜帶本卡進(jìn)行檢測(cè)[2-4]。然而，由于礦工長(zhǎng)期勞作，掌紋與指紋易被磨損，影響識(shí)別效果。井下煤塵較多，導(dǎo)致礦工的人臉易受污染，影響人臉識(shí)別效果。為了保證識(shí)別精度，步態(tài)識(shí)別需采集完整的步態(tài)圖像作為識(shí)別特征，造成檢測(cè)通道過長(zhǎng)，難以適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)需求，不易推廣。虹膜識(shí)別的應(yīng)用場(chǎng)景不受礦井環(huán)境限制，且虹膜特征不易損壞，因此虹膜識(shí)別適合在礦用唯一性檢卡裝置中使用[5-7]。

針對(duì)出入井人員攜帶多張識(shí)別卡、攜帶錯(cuò)誤識(shí)別卡、未攜帶識(shí)別卡的情況，現(xiàn)有礦用唯一性檢卡裝置對(duì)其檢測(cè)效果不是很理想，主要是因?yàn)槭軝z測(cè)區(qū)域外識(shí)別卡干擾，現(xiàn)有裝置不能對(duì)檢測(cè)區(qū)域內(nèi)識(shí)別卡數(shù)量進(jìn)行正確檢測(cè)[8]。433 MHz無線通信技術(shù)支持各種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一對(duì)多點(diǎn)等無線數(shù)據(jù)傳輸方式[9-12]，定向天線可以把信號(hào)能量集中在某個(gè)方向，從而保障某個(gè)方向的信號(hào)強(qiáng)度增強(qiáng)[13-14]。因此，433 MHz無線通信技術(shù)與定向天線結(jié)合可確定檢卡裝置的檢測(cè)區(qū)域，使得433 MHz無線信號(hào)只覆蓋到檢測(cè)區(qū)域內(nèi)的識(shí)別卡。

本文結(jié)合433 MHz無線通信與虹膜識(shí)別設(shè)計(jì)了一種礦用唯一性檢卡裝置。該裝置利用虹膜識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)本人攜帶本卡檢測(cè)；采用433 MHz無線通信技術(shù)與定向天線對(duì)檢測(cè)區(qū)域內(nèi)識(shí)別卡進(jìn)行檢測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)出入井人員攜帶多張識(shí)別卡、攜帶錯(cuò)誤識(shí)別卡、未攜帶識(shí)別卡等違規(guī)行為檢測(cè)。

1 裝置硬件設(shè)計(jì)

礦用唯一性檢卡裝置由區(qū)域標(biāo)志模塊、讀卡基站、識(shí)別卡數(shù)量檢測(cè)模塊、虹膜檢測(cè)模塊、閘機(jī)、語(yǔ)音報(bào)警模塊、供電模塊和交換機(jī)組成，如圖1所示。區(qū)域標(biāo)志模塊包括433 MHz無線通信模塊與定向天線：通過調(diào)節(jié)定向天線的發(fā)射功率，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)區(qū)域范圍實(shí)時(shí)配置；433 MHz無線通信模塊通過定向天線向檢測(cè)區(qū)域內(nèi)識(shí)別卡發(fā)送檢測(cè)區(qū)域標(biāo)志符，以排除區(qū)域外識(shí)別卡的干擾。讀卡基站讀取檢測(cè)區(qū)域內(nèi)的識(shí)別卡信息。識(shí)別卡數(shù)量檢測(cè)模塊主要用于接收讀卡基站的信息并進(jìn)行識(shí)別卡數(shù)量檢測(cè)，將識(shí)別卡數(shù)量檢測(cè)結(jié)果存儲(chǔ)在中間數(shù)據(jù)庫(kù)。虹膜檢測(cè)模塊主要實(shí)現(xiàn)虹膜信息的采集、注冊(cè)與識(shí)別，通過控制模塊實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音報(bào)警與閘機(jī)開啟。供電模塊主要向區(qū)域標(biāo)志模塊、讀卡基站、虹膜檢測(cè)模塊、識(shí)別卡數(shù)量檢測(cè)模塊、交換機(jī)等供電。交換機(jī)主要實(shí)現(xiàn)讀卡基站、識(shí)別卡數(shù)量檢測(cè)模塊、虹膜檢測(cè)模塊的信息交互。

圖1 礦用唯一性檢卡裝置組成

2 裝置軟件設(shè)計(jì)

礦用唯一性檢卡裝置的軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包括識(shí)別卡數(shù)量檢測(cè)程序、虹膜信息檢測(cè)程序和虹膜信息與識(shí)別卡信息匹配檢測(cè)程序3個(gè)部分。

2.1 識(shí)別卡數(shù)量檢測(cè)程序

一般在井口部署2臺(tái)唯一性檢卡裝置，一臺(tái)用作入井檢卡，另一臺(tái)用作出井檢卡。為了減少2臺(tái)裝置互相干擾、檢測(cè)區(qū)域外識(shí)別卡對(duì)檢測(cè)結(jié)果的干擾，采用433 MHz無線通信模塊與定向天線對(duì)識(shí)別卡數(shù)量進(jìn)行檢測(cè)。識(shí)別卡數(shù)量檢測(cè)流程如圖2所示。待檢人員進(jìn)入檢測(cè)區(qū)域后，首先，通過433 MHz通信模塊發(fā)送檢測(cè)區(qū)域標(biāo)志符，識(shí)別卡獲取該檢測(cè)區(qū)域標(biāo)志符，并將標(biāo)志符嵌入到電文數(shù)據(jù)的字段中。然后，讀卡基站讀取識(shí)別卡的電文數(shù)據(jù)，判斷電文數(shù)據(jù)的檢測(cè)區(qū)域標(biāo)志符是否與配置的檢測(cè)區(qū)域標(biāo)志符相等。若相等，則將識(shí)別卡信息與當(dāng)前時(shí)間信息寫入映射表，否則不處理該電文數(shù)據(jù)。最后，在映射表中查詢距當(dāng)前時(shí)間2 s內(nèi)寫入的識(shí)別卡數(shù)量，若查詢到的識(shí)別卡數(shù)量大于1，則將查詢到的識(shí)別卡的多卡標(biāo)志置為1，否則置為0，并寫入中間數(shù)據(jù)庫(kù)的結(jié)果表。

圖2 識(shí)別卡數(shù)量檢測(cè)流程

2.2 虹膜信息檢測(cè)程序

虹膜信息檢測(cè)流程：采集工作人員的虹膜信息，并將其與該工作人員的識(shí)別卡信息進(jìn)行綁定；采集檢測(cè)區(qū)域內(nèi)待檢人員的虹膜信息，識(shí)別該虹膜信息對(duì)應(yīng)的工作人員基礎(chǔ)信息，并查詢?cè)摴ぷ魅藛T的識(shí)別卡信息，為虹膜信息與識(shí)別卡信息匹配檢測(cè)提供依據(jù)。

2.3 虹膜信息與識(shí)別卡信息匹配檢測(cè)程序

虹膜信息與識(shí)別卡信息匹配檢測(cè)流程如圖3所示。若中間數(shù)據(jù)庫(kù)的結(jié)果表中不包括根據(jù)虹膜信息查詢到的識(shí)別卡信息，則判斷為待檢人員未攜帶識(shí)別卡；若中間數(shù)據(jù)庫(kù)的結(jié)果表中包括根據(jù)虹膜信息查詢到的識(shí)別卡信息但不一致，則判斷為待檢人員攜帶錯(cuò)誤識(shí)別卡；若中間數(shù)據(jù)庫(kù)的結(jié)果表中識(shí)別卡信息與根據(jù)虹膜信息查詢到的識(shí)別卡信息一致，且該識(shí)別卡信息中多卡標(biāo)志為1，則判斷為待檢人員攜帶多張識(shí)別卡,為0則判斷為待檢人員攜帶了1張識(shí)別卡，且為本人的識(shí)別卡。

圖3 虹膜信息與識(shí)別卡信息匹配檢測(cè)流程

3 裝置測(cè)試

3.1 測(cè)試指標(biāo)

選用多卡檢測(cè)率、多卡漏檢率、錯(cuò)卡檢測(cè)率、無卡檢測(cè)率、正確卡檢測(cè)率、多卡虛警率、錯(cuò)卡虛警率、無卡虛警率、檢測(cè)時(shí)間為測(cè)試指標(biāo)。

多卡檢測(cè)率指待檢人員攜帶多張識(shí)別卡被正確檢測(cè)的概率；多卡漏檢率指待檢人員攜帶了多張識(shí)別卡未被正確檢測(cè)的概率；錯(cuò)卡檢測(cè)率指待檢人員攜帶別人的識(shí)別卡被正確檢測(cè)的概率；無卡檢測(cè)率指待檢人員沒有攜帶識(shí)別卡被正確檢測(cè)的概率；正確卡檢測(cè)率指待檢人員攜帶本人識(shí)別卡成功通過檢測(cè)的概率；多卡虛警率指待檢人員未攜帶多張識(shí)別卡被檢測(cè)成多卡的概率；錯(cuò)卡虛警率指待檢人員未帶錯(cuò)卡被檢測(cè)成錯(cuò)卡的概率；無卡虛警率指待檢人員攜帶了識(shí)別卡被檢測(cè)成無卡的概率。

3.2 測(cè)試方法

(1) 多卡檢測(cè)。100名實(shí)驗(yàn)人員，每個(gè)實(shí)驗(yàn)人員攜帶2張識(shí)別卡通過礦用唯一性檢卡裝置的檢測(cè)區(qū)域。

(2) 錯(cuò)卡檢測(cè)。100名實(shí)驗(yàn)人員，每個(gè)實(shí)驗(yàn)人員攜帶別人的識(shí)別卡通過礦用唯一性檢卡裝置的檢測(cè)區(qū)域。

(3) 無卡檢測(cè)。100名實(shí)驗(yàn)人員均不攜帶識(shí)別卡通過礦用唯一性檢卡裝置的檢測(cè)區(qū)域。

(4) 正確卡檢測(cè)。100名實(shí)驗(yàn)人員攜帶本人識(shí)別卡通過礦用唯一性檢卡裝置的檢測(cè)區(qū)域。

(5) 檢測(cè)時(shí)間。測(cè)試人員進(jìn)入礦井入口時(shí)，礦用唯一性檢卡裝置立即對(duì)其進(jìn)行識(shí)別，并開始計(jì)時(shí)；閘機(jī)開啟或語(yǔ)音報(bào)警時(shí)，停止計(jì)時(shí)。停止計(jì)時(shí)的時(shí)間與開始計(jì)時(shí)的時(shí)間差為檢測(cè)時(shí)間。

3.3 測(cè)試結(jié)果

測(cè)試結(jié)果見表1?？煽闯龆嗫z測(cè)、錯(cuò)卡檢測(cè)、無卡檢測(cè)與正確卡檢測(cè)的準(zhǔn)確率均為100%，且平均檢測(cè)時(shí)間均不超過2 s。

表1 測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)論

(1) 通過調(diào)節(jié)定向天線的發(fā)射功率，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)區(qū)域范圍實(shí)時(shí)配置；433 MHz無線通信模塊通過定向天線向檢測(cè)區(qū)域內(nèi)識(shí)別卡配置檢測(cè)區(qū)域標(biāo)志符，以排除區(qū)域外識(shí)別卡干擾，對(duì)檢測(cè)區(qū)域內(nèi)識(shí)別卡數(shù)量進(jìn)行檢測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)出入井人員攜帶多張識(shí)別卡、攜帶錯(cuò)誤識(shí)別卡、未攜帶識(shí)別卡等違規(guī)行為檢測(cè)。

(2) 對(duì)檢測(cè)區(qū)域內(nèi)待檢人員的虹膜信息進(jìn)行識(shí)別，并查詢?cè)撊藛T的識(shí)別卡信息，根據(jù)虹膜信息查詢到的識(shí)別卡信息與中間數(shù)據(jù)庫(kù)的結(jié)果表信息進(jìn)行對(duì)比，實(shí)現(xiàn)本人攜帶本卡的檢測(cè)。

(3) 測(cè)試結(jié)果表明，針對(duì)攜帶多張識(shí)別卡、攜帶錯(cuò)誤識(shí)別卡、未攜帶識(shí)別卡與本人攜帶本卡的情況，基于433 MHz無線通信與虹膜識(shí)別的礦用唯一性檢卡裝置的檢測(cè)準(zhǔn)確率均為100%，且平均檢測(cè)時(shí)間均不超過2 s。