一种智能通行卡及应用该卡的园区安全管理办法的制作方法

本发明涉及智能交通及安全管理领域，更具体地说，涉及一种智能通行卡及应用该卡的安全管理办法。

背景技术：

人类的社会活动具有社会集聚性，在日常的社会活动中根据活动的目的聚群活动，反映在现代社会中就是人们活动的各种场所、园区、社区等等。有一些封闭或半封闭性质的园区或社区对安全管理有较高的要求，例如园区或一些住宅小区、工业园区、单位园区等等。

但是，由于现在社会又需要人类活动具有较高的流动性，因此无论安全性要求多么高的园区总是会有外来人口和车辆进入，现在通行的管理方法是当外来人员在门口门岗进行登记后，由门口的管理人员对外来人员发放园区卡(应用于目前大多数的大学)或临时通行卡，即放行进入。而后就无法对访客的活动轨迹加以限制或者监控，园区通行卡尚具备一定程度上的权限限定作用(如目前大学中只有持园区卡才可进入图书馆等场所)，临时通行卡就只有在大门口处通行的作用。园区(在本发明的说明书中，园区包括一切需要执行安全管理的园区、社区、场所，包括但不限于园区、工业园、写字楼、景点等地方，下文中不再做特别说明)的管理人员对访客在园区内去了什么场所，是否有违规行为完全无法掌握，大多数情况下只能在出事以后调取监控来查清事实，起不到防患于未然的安全管理作用。

此外，现在大多数的园区已经实行了禁烟，访客在进入园区后是否违规抽烟，安全管理人员也完全无法监控，目前是只能依靠抽查摄像和群众举报来进行管理，漏洞多、效率低、收效小。

综上所述，社会的发展需要一种可以临时或一段时间内与访客的唯一id，如身份证号、车牌号、学生证等号码绑定，便于随身携带，可以监控到访客在园区内的运动轨迹，并且可以监控访客是否有违规行为以及对访客在园区内的活动范围进行限制和设定的设备或装置。

技术实现要素：

本发明的目的就在于解决上述技术问题，提供一种智能通行卡，此通行卡与传统通行卡尺寸相近，具有体积小，轻巧，便携等特点。这种通行卡可以根据进入园区内的车辆或者访客的类型，对其发放有合适权限的智能通行卡，通过智能通行卡，限制车辆或访客在学校内的活动范围。除此之外，还能够利用此通行卡监测访客的行为并追踪访客的位置。

上述发明目的是通过如下的技术方案加以实现的：

一种智能通行卡，包括通行卡本体和通行卡芯片，通行卡芯片上集成有智能装置，该智能装置包括：

a)rfid标签，每个rfid标签具有唯一的电子编码，附着在通行卡本体上标识该卡；

b)定位模块，并加上相关外围电路；

c)mems气体传感器，感应周边环境中需要监测的气体的浓度，当该气体的浓度超过阈值即向处理器模块发出信号，mems气体传感器具有体积小，能耗低等特点；

d)无线通讯模块，用于通过无线网络与远程通讯平台之间通过数据协议进行通讯，传输数据给上位机；

e)处理器模块，用于初步处理reid标签、定位模块、mems气体传感器及无线通讯模块这几个组成单元传送来的数据，将数据融合打包发送给无线通讯模块再发送给上位机；

f)供电单元，用于向各组成单元及处理器模块供应电力。

优选地，rfid标签为可读写的rfid标签。可读写的rfid标签应用范围更为广泛，且节约资源，不需要预先准备各种权限的通行卡让管理员在发放时进行选择，而是可以直接通过设备，对rfid标签写入信息。

更进一步地，所述rfid标签为电感耦合式rfid标签或电磁反向散射式rfid标签。这两种标签体积小，能耗低，特别适用于这种便携性要求较高的应用场合。

优选地，所述定位模块为惯性测量单元、gps定位模块、北斗定位模块以及前面所述无线通讯模块中的一种或几种的组合。惯性测量单元(imu)是一种电子设备，它使用加速度计和陀螺仪(有时还有磁力计)的组合来测量物体的加速度，角速率，有时还有物体周围的磁场。配备了惯性导航系统(ins)的imu能够提供不依赖于外部环境的短期稳定性位置信息，可应用于车辆定位和访客追踪中。但是imu存在位移误差、比例误差以及背景白噪声误差，且误差是不断累积的，所以不能用于长时间的定位。在室外，由于我们能够得到有效的gps数据，因此我们可以将gps和imu结合起来充分发挥两者的优势去提高车辆追踪和定位的精度和可靠性。imu的优势在于在短时间内保持较高的精度且不受外部环境的影响，而gps的优势在于它提供的绝对位置信息可以补偿imu随时间积累的误差从而保证长时间内的定位和追踪精度。北斗定位模块是给予对gps定位模块的补充，因为在国内，北斗未来的追踪精度可以预见会优于gps。当访客进入室内后，因为建筑物的遮挡，特别是多重的墙壁阻隔，gps在室内就会出现信号弱，甚至是无信号的情况，所以很难依靠gps和imu去实现定位。但是无线通讯模块可以通过扫描室内的ap接入点，获取到rssi值，然后融合rssi信息和imu信息去实现高精准的室内访客跟踪。所以，在这种情况下，无线通讯模块不仅可以完成数据传输的功能，还可以作为一种定位模块用于室内辅助定位。

优选地，mems气体传感器为香烟烟雾传感器或有毒气体传感器。mems

气体传感器可以根据需要监测的气体进行选择，较为常用的有香烟烟雾传感器(用于对访客吸烟等不文明行为的监测)、一氧化碳(煤气)传感器、可燃气体(如汽油)传感器(用于在一些较易发生有毒/有害气体泄露的园区，可以预防危险的发生)等等，可以是其中一种也可以是多种的组合。

优选地，所述处理器为单片机，所述供电单元为可充电式蓄电池。

优选地，所述通行卡上还设有用于控制各监控模块的开关。由于通行卡为卡片形式，出于轻薄便携的设计考虑，供电单元采用的蓄电池体积不可能很大，因此，出于节电考虑，有一些需要在一段时间内携带卡片(例如做成园区卡，学生需携带数年)，而使用者又长期活动在不需要监控的安全区域时，可以在管理员授权的前提下选择性地关闭一个或数个功能模块。

应用上述的智能通行卡的安全管理办法，包括如下操作步骤：

1)初始化，将通行卡内定位模块、无线通讯模块、mems气体传感器和处理器模块中的数据进行初始化；

2)标识，使用者领取通行卡时，管理员将使用者身份信息输入系统与待发放通行卡的rfid标签形成唯一对应关系；

3)设置，管理员根据实际需要对使用者持有的卡进行权限设置；

4)使用，使用者领取所述智能通行卡，在园区范围内根据权限进入允许进入的范围；

5)监控，定位模块和mems气体传感器将收集到的数据传送给处理器模块，处理器模块将收到的数据传输给上位机，再由上位机上进行估计轨迹追踪并分析周边有害气体浓度是否超标；

6)归还，使用者使用完毕，将卡片还回管理处，由管理员进行身份信息解绑和初始化。

优选地，上述管理办法中所述步骤5)中轨迹追踪的方法包括如下步骤：

i.开始；

ii.无线定位模块开始接收数据并将数据发送给处理器模块；

iii.处理器模块将访客的运动数据进行融合并打包；

iv.处理器模块通过无线通讯模块将上一步骤中的运动数据传回上位机进行分析；

v.上位机根据运动数据计算出访客的运动轨迹；

vi.结束。

优选地，上述管理办法中所述步骤5)中检测通行卡周边有害气体浓度的方法包括如下步骤：

i.开始；

ii.mems气体传感器开始接收数据并发送给处理器模块；

iii.处理器模块判断访客所处环境的有害气体浓度或者香烟烟雾气体的浓度是否超标，如果气体浓度值超标就向上位机发送信号；

iv.上位机根据接收到的信号给系统管理员发出警告；

v.结束。

与传统的通行卡相比，本发明的有益之处在于：

传统的通行卡只有一个内置无线射频识别(rfid)芯片的卡片，配合rfid的读卡器用来对园区内的访客或者车辆进行收费和准入管理，除此之外没有更多的功能属性。而本发明所述通行卡，可以通过定位模块去确定位置，用mems气体传感器去检测气体的浓度，并通过无线通讯模块将数据发送到上位机进行进一步处理。此通行卡不仅具有轻巧，便携等特点，还能够对于不同级别的访客开放不同的通行权限和活动范围权限，并且能够检测访客在园区的行为和位置，此通行卡对于维护园区安全有着重要的意义。

除此之外，本通行卡可以设置在现有的通行卡内，并且采用集成模块化设计，可以做成与现有的通行卡大小相近，甚至可以根据需要制作体积更小的异形卡，轻巧、简单、便携，应用广泛，使用方便。

附图说明

图1是本发明的智能通行卡的硬件实现框图。

图2是本发明实施例的对车辆或者访客进行追踪的流程图。

图3是本发明实施例的检测访客是否有吸烟行为的流程图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面根据附图结合具体实施例对本发明做进一步的说明。

如附图1所示的具体实施例一，包括通行卡本体和通行卡芯片，通行卡芯片上集成有智能装置，该智能装置包括具有唯一电子编码的rfid标签；gps和惯性单元定位模块，本具体实施例中的定位模块集成了；mems气体传感器(即香烟烟雾传感器)；无线网络与远程通讯平台之间通过数据协议进行通讯，传输数据给上位机的无线通讯模块；用于初步处理rfid标签、定位模块、mems气体传感器及无线通讯模块这几个组成单元传送来的数据，进行计算后分别向各组成单元发送信号的处理器模块；用于向各组成单元及处理器模块供应电力的供电单元。

gps和惯性单元定位模块、mems气体传感器、无线通讯模块、处理器模块和供电单元通过电路连接。

具体实施例二与具体实施例一的不同之处在于其定位模块还包括北斗定位模块及ap定位模块。

具体实施例三与具体实施例二的不同之处在于，其mems气体传感器为有害气体检测传感器。

具体实施例一的应用方法包括下面几个步骤：

1)初始化，将卡内定位模块、无线通讯模块、mems气体传感器和处理器模块中的数据进行初始化；

2)标识，使用者领卡时，管理员将使用者身份信息输入系统与待发放的卡的rfid标签形成唯一对应关系；

3)设置，管理员根据实际需要对使用者持有的卡进行权限设置；

4)使用，使用者领取所述智能通行卡，在园区范围内根据权限进入允许进入的范围；

5)监控，定位模块和mems气体传感器将收集到的数据传送给处理器模块，处理器模块将收到的数据传输给上位机，再由上位机上进行估计轨迹追踪并分析周边有害气体浓度是否超标；

6)归还，使用者使用完毕，将卡片还回管理处，由管理员进行身份信息解绑和初始化。

其中步骤5)包含两个子步骤，分别为轨迹追踪和有害气体检测，具体步骤包括：

轨迹追踪：

i.开始；

ii.无线定位模块开始接收数据并将数据发送给处理器模块并判断访客是处于室内还是室外；

iii.处理器模块将访客的运动数据进行融合并打包；

iv.处理器模块通过无线通讯模块将上一步骤中的运动数据传回上位机进行分析；

v.上位机根据运动数据计算出访客的运动轨迹；

vi.结束。

有害气体检测：

i.开始；

ii.mems气体传感器开始接收数据并发送给处理器模块；

iii.处理器模块判断访客所处环境的有害气体浓度是否超标，如果气体浓度值超标就向上位机发送信号；

iv.上位机根据接收到的信号系统管理员发出警告

v.结束。

下面以在校园，尤其是大学校园中的几个具体应用场景做进一步的说明：应用场景一，作为校园安全管理的临时通行卡

步骤1:当送货车辆进入校园的时候，给司机发放智能通行卡，为了维护校园安全和教学秩序，此智能通行卡不能访问学生宿舍区域和教学区域。

在本实例中，在给司机发放智能通行卡的时候，需要知道司机进学校的目的，从而发放有合适权限的通行卡，除此之外，在发卡后，借助辅助的摄像头等装置，工作人员需要将智能通行卡的rfid标签的id和司机的信息绑定在一起录入系统。

步骤2:对所有模块进行初始化，gps模块开始接收gps数据，惯性定位模块开始接收惯性定位数据，无线通讯模块开始扫描无线ap并获取rssi值，mems气体传感器开始检测空气中的烟雾气体浓度。

在实际操作中，车辆大多数时间是行驶在室外，gps信号和惯性定位数据已能够用来对车辆进行追踪，而无线通讯模块可能由于无法找到无线ap接入点从而获取不到rssi值。

步骤3：处理器将所接收到的运动数据和气体浓度数据打包传输给无线通讯模块。

步骤4：无线通讯模块将所接收的数据调制成无线信号通过无线网络传输到上位机。

在本应用场景中，无线网络能够覆盖学校的全部范围，因此数据基本能够实现实时的传输。即使无线通讯模块与无线网络突然断开时，也可以暂时将数据存储在无线通讯模块自带的缓存中，待连接到网络再将数据传输到上位机。

步骤5：上位机根据接收到的数据，计算出车辆行驶的轨迹，并且与学校内的地图进行对比，看看车辆是否进入了学生宿舍区域或者教学区域等这些没有权限进入的区域。还可以建模分析司机的驾驶行为，对于一些驾驶行为不文明的车辆和司机，为了维护校园安全，可以限制其进入校园。最后在车辆驶出校园时，回收智能通行卡。

在本应用场景中，需要提前将校园的地图存入系统中，将计算出车辆的行驶轨迹与校园的地图进行对比，主要是比较两个方面的内容，一方面是车辆是否行驶在有权限的活动范围内，另一方面就是车辆在行驶过程中有没有出现变道的情况。利用惯性定位模块收集的数据还能够判断司机的驾驶行为，可通过加速度的值判断司机是否有急加速，急刹车等行为，通过陀螺仪数据判断是否出现了急转弯的情况，还可以通过时间和运动轨迹判断是否出现了超速，严重超速，过长超速等情况，从而去判断司机的驾驶行为是否文明。当发现司机有不文明的驾驶行为或者车辆进入了没有权限的活动范围后，学校可以安排工作人员去拦截车辆。对于违反学校规定的司机和车辆，可以给予警告，罚款或者是加入“黑名单”等处罚措施。

应用场景二，作为校园安全卡使用：

步骤1：给在校学生发放智能通行卡。

在本实例中，可以给每一个在校学生发放一张智能通行卡，每一个学生的信息和智能通行卡的rfid标签的id值绑定在一起录入系统中。学生的通行卡由自己保管和携带。

步骤2：当学生离开宿舍时，打开通行卡上的所有模块，gps模块开始接收gps数据，惯性定位数据开始接收惯性定位数据，无线通讯模块开始扫描无线ap并获取rssi值，mems气体传感器开始检测空气中的烟雾气体浓度。

在本应用场景中，由于学生有很长时间是待在宿舍的，而宿舍是一个相对安全的场景，因此从节省功耗的角度考虑，在宿舍的时候可以考虑关掉模块节省能耗，在学生离开宿舍时开启模块。所以在本应用场景中应采用带有模块开关的智能通行卡。

步骤3：处理器将所接收到的运动数据打包传输给无线通讯模块。

步骤4：无线通讯模块将所接收的数据调制成无线信号通过无线网络传输到上位机。

在本实例中，无线网络能够覆盖学校的全部范围，因此数据基本能够实现实时的传输。即使无线通讯模块与无线网络突然断开时，也可以暂时将数据存储在无线通讯模块自带的缓存中，待连接到网络再将数据传输到上位机。

步骤5：上位机利用接收到的数据计算学生的运动轨迹和当前位置，并且建模分析学生当前的状态是不是处于异常状态中。

在本应用场景中，可以用gps数据，惯性定位数据和无线通讯模块接收到的rssi数据去追踪学生在校园内的运动轨迹。需要事先将学校的地图存入系统中，将学生的运动轨迹和地图进行对比，检测学生的状态是否异常。例如，在凌晨，系统中显示还有学生的位置停留在校园内的湖边或者是后山等异常区域，这个时候学校就可以安排工作人员根据系统中返回来的位置数据去寻找学生。

应用场景三，对进入图书的访客进行准入管理：

步骤1：在访客进入校园图书馆时，给访客发放智能通行卡，此通行卡的权限应包含图书区域，也就是说此通行卡能够打开图书馆的门禁系统。

在本实例中，图书馆是学校的一个重要资源，并不是所有的访客都有权限能够进入，工作人员在发放智能通行卡的时候也需要将访客的信息和通行卡的rfid标签号绑定在一起录入系统中，访客领取智能通行卡时需要交一定的押金或者扣押证件。

步骤2：惯性定位模块开始接收惯性定位数据，无线通讯模块开始扫描无线ap并获取rssi值，传感器开始检测空气中的烟雾气体浓度。

在本应用场景中，图书馆是一个室内的环境并且是禁烟的，可以利用接收到的惯性定位数据和无线通讯模块扫描无线ap接入点的rssi数据来对访客进行定位，同时气体传感器开始检测的烟雾气体浓度值。

步骤3：处理器将所接收到的运动数据和烟雾气体浓度数据打包传输给无线通讯模块。

步骤4：无线通讯模块将所接收的数据调制成无线信号通过无线网络传输到上位机。

本应用场景的场景是在图书馆，大多数的图书馆都是覆盖着无线网络的，因此数据能够实时的传输到上位机。

步骤5：上位机接收到运动数据和烟雾气体浓度数据，并且建立模型分析访客是否有吸烟行为，当访客出现吸烟行为时，根据得到的运动数据，确定访客当前的位置，找到访客制止他的吸烟行为。

在本应用场景中，检测访客是否有吸烟行为，是根据气体传感器传输回来的烟雾气体浓度判断，如果检测到的气体浓度大于预先设置的阈值，则认为访客有吸烟行为，如果检测的气体浓度小于阈值，则认为访客没有吸烟行为。根据传输回来的运动数据，我们可以实时的计算出访客当前所处的位置。当检测到访客有吸烟行为时，图书馆会立即派工作人员找到访客并制止他的吸烟行为。

步骤6：在访客离开图书馆时，回收智能通行卡。

在本应用场景中，通行卡和访客的信息是绑定在一起并记录在系统中的，当访客离开图书馆，归还通行卡时出现人卡信息不一致的情况是不能打开图书馆门禁的。除此之外，当访客在图书馆中有不文明的或者是违反图书馆规定的行为的时候，可以将这些行为添加到访客的记录中，情节恶劣者加入“黑名单”。

应用场景四，管理进入校园公共区域(如操场)的访客行为：

步骤1：给进入操场的校外访客发放智能通行卡。

学校作为精神文明建设的高地，秉承资源共享的原则，很多高校的操场是对于社会人员开放的。但是在实际开放过程中，却会产生一些问题，主要的问题有以下三点：访客在操场大声喧哗，扰乱校园秩序；访客在使用操场的过程中有吸烟，乱扔垃圾等不文明的行为；在高峰期，访客与学生，教职工一起锻炼，容易产生场地争执。为了更好的实现对操场的管理，维护社会安全，可以利用智能通行卡对进入操场的校外访客进行管理。在本实例中，可以给每一个进入操场的校外访客发放一张智能通行卡，工作人员在发放智能通行卡的时候也需要将访客的信息和通行卡的rfid标签号绑定在一起录入系统中，访客领取智能通行卡时需要交一定的押金或者扣押证件。

步骤2：智能通行卡的所有模块初始化并开始接收运动数据和气体浓度数据，将数据传输给处理器。

近些年来，“毒操场”事件频发，利用通行卡上的气体传感器，不仅可以检测香烟烟雾气体的浓度，还可以检测操场中的有毒气体浓度值。

步骤3：处理器将所接收到的运动数据和气体浓度数据打包传输给无线通讯模块。

步骤4：无线通讯模块将所接收的数据调制成无线信号通过无线网络传输到上位机。

在本实例中，无线网络能够覆盖学校的全部范围，因此数据基本能够实现实时的传输。即使无线通讯模块与无线网络突然断开时，也可以暂时将数据存储在无线通讯模块自带的缓存中，待连接到网络再将数据传输到上位机。

步骤5：上位机根据接收到的数据，可以实时的监控到操场的人数，还能够检测到访客的行为，操场的管理人员可以根据接收到的数据实时对操场管理。

在本应用场景中，我们可以收到每一个通行卡的信息，因此我们可以在系统中看到使用操场的人数，如果人数过多，可以对进入操场的人流进行一个控制。通过mems气体传感器，我们可以检测到是否有吸烟行为和操场的有毒气体是否超标。除此之外，由于在系统中有每一个进入操场的访客的消息，当发现访客有不文明的行为时，我们不仅可以根据运动轨迹追踪到访客的位置实时的制止他的行为，我们还可以在系统中将他加入校园的“黑名单”。

步骤6：回收智能通行卡，回收智能通行卡的时候人卡信息须一致。

应用场景五，作为记录学生在学校内的运动轨迹的智能卡使用：

步骤1：给学生发放智能通行卡。

在实际生活中，有些学生希望知道自己在校期间的运动轨迹，分析自己在校期间的行为习惯，从而实现更好的自我管理。针对这一部分同学，我们可以在征求他们的同意后，给他们发放智能通行卡，全天候的追踪他们的运动轨迹。每一个学生的信息和智能通行卡的rfid标签的id值绑定在一起录入系统中。

步骤2：当学生在校园里移动时，打开通行卡上的所有模块，gps模块开始接收gps数据，惯性定位数据开始接收惯性定位数据，无线通讯模块开始扫描无线ap并获取rssi值。

在本应用场景中，由于学生有很长时间是待在宿舍，图书馆，教学楼，健身房等区域的，他们只需要知道他们在这些区域内停留了多久，以及他们在学校内的移动轨迹，因此从节省功耗的角度考虑，在这些区域内部的时候可以考虑关掉模块节省能耗，只有当学生在校园内移动的时候才开启模块。所以在本应用场景中应采用带有模块开关的智能通行卡。

步骤3：处理器将所接收到的运动数据打包传输给无线通讯模块。

步骤4：无线通讯模块将所接收的数据调制成无线信号通过无线网络传输到上位机。

在本实例中，无线网络能够覆盖学校的全部范围，因此数据基本能够实现实时的传输。即使无线通讯模块与无线网络突然断开时，也可以暂时将数据存储在无线通讯模块自带的缓存中，待连接到网络再将数据传输到上位机。

步骤5：上位机利用接收到的数据计算学生的运动轨迹和当前位置并存入数据库。

在本应用场景中，我们需要计算出学生的运动轨迹，并且将对应的数据保存在数据库中，学生可以通过账号下载自己在校期间的运动轨迹，并进行更深层次的分析和总结，从而达到自我管理的目的。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在除校园以外的其它环境，均同理包括在本发明的专利保护范围内。