一種基于半有源RFID技術(shù)的泳池定位救生系統(tǒng)

來(lái)佳立　楊登輝　季瑞松

摘 要：在大型游泳館向人們開(kāi)放的過(guò)程中，曾發(fā)生過(guò)多起安全事故，存在諸多管理問(wèn)題。為解決這一問(wèn)題，文章提出了一種基于半有源RFID技術(shù)的泳池定位救生系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用低頻激勵(lì)器、RFID閱讀器、雙頻RFID標(biāo)簽、攝像頭和上位機(jī)搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)測(cè)試證明，該系統(tǒng)定位信息和圖像抓取實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

關(guān)鍵詞：半有源RFID；低頻激勵(lì)器；雙頻RFID標(biāo)簽；泳池定位救生系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2015）08-00-02

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)的概念從開(kāi)始提出，到現(xiàn)在被大眾所理解和接受，可謂是時(shí)間短、發(fā)展迅速。事實(shí)上，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)涉及到人們?nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷?，如車輛智能鑰匙，當(dāng)持有智能鑰匙的車主人靠近車輛時(shí)，車門(mén)即可自動(dòng)打開(kāi)，使人們?cè)诟袊@高科技的同時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)這也正好驗(yàn)證了物聯(lián)網(wǎng)的“物”與“物”相連的理念。RFID作為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的一種，可通過(guò)無(wú)線電訊號(hào)的方式識(shí)別特定目標(biāo)并獲取該目標(biāo)的相關(guān)信息，而無(wú)需直接接觸[1]。識(shí)別方式可根據(jù)產(chǎn)品形態(tài)分為無(wú)源RFID、有源RFID和半有源RFID。無(wú)源RFID產(chǎn)品發(fā)展最早，也發(fā)展最成熟，它是利用閱讀器發(fā)射能量激活標(biāo)簽，并接收標(biāo)簽反射回來(lái)的能量，達(dá)到獲取標(biāo)簽信息的目的；有源RFID產(chǎn)品是最近幾年慢慢發(fā)展起來(lái)的，標(biāo)簽可以主動(dòng)發(fā)射能量，與閱讀器進(jìn)行信息交換，通信距離遠(yuǎn)；半有源RFID技術(shù)[2]是近兩年剛剛起步的技術(shù)，它結(jié)合了有源RFID及無(wú)源RFID的優(yōu)勢(shì)，利用低頻近距離精確定位，微波遠(yuǎn)距離通信，方式靈活，應(yīng)用面廣。

本文提出的一種新的泳池定位救生系統(tǒng)正是基于半有源RFID技術(shù)，采用閱讀器、低頻激勵(lì)器、雙頻標(biāo)簽、攝像頭和上位機(jī)組成的泳池定位救生系統(tǒng)，已經(jīng)實(shí)施并取得了很好的實(shí)際使用效果，對(duì)解決大型游泳池人員定位救生[2]，具有很好的應(yīng)用前景。

1 泳池定位救生系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于半有源RFID技術(shù)的泳池定位救生系統(tǒng)，包括有源RFID閱讀器、125 kHz低頻激勵(lì)器、雙頻半有源RFID標(biāo)簽、攝像頭及上位機(jī)；其中，雙頻半有源RFID標(biāo)簽佩戴在游泳者的手腕上，并配置SOS求救報(bào)警按鍵，其雙頻為125 kHz和2.45 GHz；有源RFID閱讀器包括處理器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，2.45 GHz通信模塊；125 kHz低頻激勵(lì)器包括處理器、電源模塊、2.45 GHz通信模塊、125 kHz發(fā)射天線；攝像頭負(fù)責(zé)采集游泳者圖像信息；上位機(jī)負(fù)責(zé)對(duì)閱讀器上報(bào)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析處理，并通過(guò)顯示器顯示出來(lái)，接收到SOS求救報(bào)警信號(hào)可及時(shí)進(jìn)行報(bào)警提示。

圖1所示是泳池定位救生系統(tǒng)示意圖，當(dāng)持有雙頻標(biāo)簽的人員進(jìn)入125 kHz低頻激勵(lì)器的覆蓋區(qū)后，雙頻標(biāo)簽被喚醒，2.45 GHz開(kāi)始工作。當(dāng)標(biāo)簽成功接收到激勵(lì)信息后，標(biāo)簽由被動(dòng)125 kHz接收狀態(tài)切換到主動(dòng)2.45 GHz發(fā)射并接收狀態(tài)，同時(shí)將自身ID和喚醒自己的激勵(lì)器ID信息發(fā)送給有源RFID閱讀器，有源RFID閱讀器在接收到信息后和標(biāo)簽握手，并將信息打包上報(bào)到上位機(jī)，最終由上位機(jī)根據(jù)激勵(lì)器ID和標(biāo)簽ID，通過(guò)邏輯映射判斷游泳者實(shí)時(shí)位置和狀態(tài)[3]，切換相應(yīng)的攝像頭，顯示該游泳者的實(shí)時(shí)畫(huà)面。在低頻125 kHz低頻激勵(lì)器激勵(lì)雙頻標(biāo)簽的時(shí)候，激勵(lì)器將通信信道、激勵(lì)器ID等信息以O(shè)OK調(diào)制方式調(diào)制在由MCU產(chǎn)生的125 kHz載波上形成激勵(lì)信號(hào)，并按照一定周期不斷地向外發(fā)送，雙頻標(biāo)簽[4]進(jìn)入激勵(lì)區(qū)即被喚醒。

2 125 kHz低頻激勵(lì)的硬件設(shè)計(jì)

125 kHz低頻激勵(lì)技術(shù)作為本文泳池定位救生系統(tǒng)的核心技術(shù)，激勵(lì)區(qū)域的邊沿控制是決定定位是否準(zhǔn)確的前提，激勵(lì)半徑大小直接決定著定位能否實(shí)現(xiàn)。125 kHz低頻優(yōu)點(diǎn)是波長(zhǎng)長(zhǎng)，不容易被遮擋和吸收，但缺點(diǎn)就是不容易發(fā)射，也就是說(shuō)激勵(lì)距離很難做遠(yuǎn)。要提高通信距離，就只能提高激勵(lì)器發(fā)射信號(hào)的功率。

圖2所示是125 kHz低頻激勵(lì)器的設(shè)計(jì)框圖，圖中包括電源部分、125 kHz諧振電路和2.45 GHz收發(fā)模塊。其工作原理是由處理器PWM調(diào)制出125 kHz信號(hào)，由OOK調(diào)制經(jīng)125 kHz諧振電路發(fā)射出去，實(shí)現(xiàn)125 kHz信號(hào)覆蓋。其中125 kHz諧振電路即橋式放大電路，實(shí)質(zhì)就是一個(gè)由L、C組成的振蕩選頻電路[5]，選出需要的頻率分量并濾除不需要的頻率分量，諧振條件為： ωL-1/ωC=0，回路電流I=IO=VS/R，可達(dá)到最大且與電壓源同相，諧振時(shí)回路呈現(xiàn)純電阻特性。

通過(guò)調(diào)節(jié)電壓激勵(lì)電路的輸入電壓值或125 kHz天線的大小可以調(diào)節(jié)激勵(lì)半徑的大小，本設(shè)計(jì)的125 kHz低頻激勵(lì)器的激勵(lì)半徑為1～7 m可調(diào)。

3 雙頻標(biāo)簽低功耗設(shè)計(jì)

一般的有源RFID標(biāo)簽只有2.45 GHz單頻，采用周期喚醒方式與閱讀器進(jìn)行通信，為達(dá)到標(biāo)簽的使用壽命，低功耗設(shè)計(jì)一般都是延長(zhǎng)喚醒間隔，減短喚醒后發(fā)射狀態(tài)時(shí)間并且不會(huì)與閱讀器進(jìn)行應(yīng)答確認(rèn)，發(fā)射完畢后立即進(jìn)入深睡眠模式[6]，也無(wú)法進(jìn)行發(fā)射時(shí)的碰撞檢測(cè)，更不能進(jìn)行精確定位。本文中的雙頻標(biāo)簽是將125 kHz和2.45 GHz結(jié)合起來(lái)，用于低頻喚醒、定位和高頻數(shù)據(jù)通信，標(biāo)簽被125 kHz喚醒后進(jìn)行信息上報(bào)，并與閱讀器握手通信，檢測(cè)到?jīng)_突時(shí)做延時(shí)上報(bào)。雙頻標(biāo)簽的低功耗設(shè)計(jì)一方面是軟件低功耗設(shè)計(jì)，優(yōu)化時(shí)槽和沖突檢測(cè)算法，硬件方面采用業(yè)界公認(rèn)的低功耗NORDIC微處理器和125 kHz接收芯片，待機(jī)電流3 uA，工作電流5mA，采用兩顆2032紐扣電池供電，使用壽命2年左右。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了基于半有源RFID技術(shù)的泳池定位救生系統(tǒng)，重點(diǎn)講解了125 kHz低頻激勵(lì)器的工作原理和雙頻標(biāo)簽低功耗設(shè)計(jì)?？梢酝ㄟ^(guò)所述定位救生系統(tǒng)很方便地進(jìn)行大型游泳館的安全管理，通過(guò)上位機(jī)服務(wù)器可以實(shí)時(shí)觀察游泳池內(nèi)每一個(gè)佩戴雙頻半有源RFID標(biāo)簽的游泳者的位置和情況，包括游泳者安全狀態(tài)和圖像信息，節(jié)約人力成本、減少發(fā)生意外事故的響應(yīng)時(shí)間、確保游泳者的生命安全，具有很高的應(yīng)用前景和社會(huì)價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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[3]張穎，李凱，王建偉.一種有源RFID局域定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2012（5）：68-70.

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