有源RFID景區(qū)觀光車(chē)播報(bào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐廣偉 劉紹凱 潘宇

摘要：由于很多景區(qū)地理環(huán)境復(fù)雜，受天氣和環(huán)境的影響，傳統(tǒng)的定位技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)景點(diǎn)精確定位和精確播報(bào)功能。文章利用有源RFID技術(shù)優(yōu)勢(shì)結(jié)合景區(qū)的環(huán)境特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了景區(qū)觀光車(chē)播報(bào)系統(tǒng)。播報(bào)系統(tǒng)由有源RFID標(biāo)簽、車(chē)載閱讀器、手持式閱讀器和播報(bào)軟件組成。系統(tǒng)通過(guò)安裝在景點(diǎn)的RFID標(biāo)簽與景點(diǎn)進(jìn)行一一綁定，車(chē)載閱讀器接收到RFID標(biāo)簽信息后通知播報(bào)軟件播報(bào)對(duì)應(yīng)景點(diǎn)的視頻和語(yǔ)音，實(shí)現(xiàn)對(duì)景點(diǎn)的精確播報(bào)、到站提醒等功能，增強(qiáng)了游客的觀光體驗(yàn)，提高了景區(qū)的現(xiàn)代化管理服務(wù)水平。

關(guān)鍵詞：RFID；景區(qū)；播報(bào)；閱讀器

中圖分類號(hào)：TP311

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)（Radio Frequency Identification，RFID）是自動(dòng)識(shí)別技術(shù)的一種，通過(guò)無(wú)線射頻方式進(jìn)行非接觸雙向數(shù)據(jù)通信，利用無(wú)線射頻方式對(duì)記錄媒體（電子標(biāo)簽或射頻卡）進(jìn)行讀寫(xiě)，從而達(dá)到識(shí)別目標(biāo)和數(shù)據(jù)交換的目的，被認(rèn)為是21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ男畔⒓夹g(shù)之一。

1 觀光車(chē)到站播報(bào)系統(tǒng)存在的問(wèn)題

近年來(lái)，隨著旅游業(yè)的快速發(fā)展，越來(lái)越多的景點(diǎn)配備旅游觀光車(chē)，特別是大型旅游景點(diǎn)。旅游觀光車(chē)的配備使許多景點(diǎn)可以無(wú)縫連接，節(jié)省了游客的體力及觀光時(shí)間，可使游客在短時(shí)間游覽盡可能多的景點(diǎn)。同時(shí)，旅游觀光車(chē)也可以減少乘客舟車(chē)勞頓的疲勞，增強(qiáng)游客觀光體驗(yàn)。然而，多數(shù)觀光車(chē)沒(méi)有到站播報(bào)系統(tǒng)，使游客不能對(duì)即將前往的景點(diǎn)有詳細(xì)的了解，因此，游客在乘坐觀光車(chē)的同時(shí)能夠獲取對(duì)景點(diǎn)介紹的需求變得尤為迫切。由于很多景區(qū)地處大山深處，云層厚，天氣多變，GPS信號(hào)差且不穩(wěn)定，使用傳統(tǒng)的GPS位置信息進(jìn)行報(bào)站不可行，因此設(shè)計(jì)者根據(jù)有源RFID的特點(diǎn)開(kāi)發(fā)了本觀光車(chē)播報(bào)系統(tǒng)。

2 射頻識(shí)別技術(shù)

射頻識(shí)別技術(shù)依據(jù)其標(biāo)簽的供電方式可分為3類，即無(wú)源RFID、有源RFID和半有源RFID。

2.1 無(wú)源RFID

無(wú)源RFID出現(xiàn)時(shí)間最早，最成熟，其應(yīng)用也最為廣泛，無(wú)源RFID主要工作在較低頻段125 kHz、13.56 MkHz等，其典型應(yīng)用包括公交卡、二代身份證、食堂餐卡等。無(wú)源RFID優(yōu)點(diǎn)為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、故障率低、使用壽命較長(zhǎng)，缺點(diǎn)為有效識(shí)別距離通常較短，一般用于近距離的接觸式識(shí)別。

2.2 有源RFID

有源RFID通過(guò)外接電源供電，主動(dòng)向射頻識(shí)別閱讀器發(fā)送信號(hào)，其體積相對(duì)較大，擁有較長(zhǎng)的傳輸距離與較高的傳輸速度，主要工作在900 MHz、2.45 GHz、5.8 GHz等較高頻段，且具有可以同時(shí)識(shí)別多個(gè)標(biāo)簽的功能。有源RFID的遠(yuǎn)距性、高效性使得它在一些需要高性能、大范圍的射頻識(shí)別應(yīng)用場(chǎng)合里必不可少。

2.3 半有源RFID

半有源RFID又稱低頻激活觸發(fā)技術(shù)。在通常情況下，半有源RFID產(chǎn)品處于休眠狀態(tài)，僅對(duì)標(biāo)簽中保持?jǐn)?shù)據(jù)的部分進(jìn)行供電，因此耗電量較小，可維持較長(zhǎng)時(shí)間。當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入射頻識(shí)別閱讀器識(shí)別范圍后，閱讀器先現(xiàn)以125 kHz低頻信號(hào)在小范圍內(nèi)精確激活標(biāo)簽使之進(jìn)入工作狀態(tài)，再通過(guò)2.4 GHz微波與其進(jìn)行信息傳遞^［1］。

3 設(shè)計(jì)原理

景區(qū)觀光車(chē)播報(bào)系統(tǒng)的最重要功能就是觀光車(chē)經(jīng)過(guò)每個(gè)站點(diǎn)或者景點(diǎn)就播放相應(yīng)景點(diǎn)的視頻和語(yǔ)音介紹，并且可以站點(diǎn)報(bào)站。實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)景點(diǎn)精確播報(bào)的方法有很多種，其中一種就是觀光司機(jī)人為操作，即將到達(dá)景點(diǎn)時(shí)，司機(jī)通過(guò)按鈕播放該景點(diǎn)的視頻或者語(yǔ)音介紹，但是這樣增加了司機(jī)的工作量，而且駕駛過(guò)程中操作極不安全。另一種傳統(tǒng)的方法是觀光車(chē)通過(guò)GPS定位技術(shù)獲取對(duì)應(yīng)景點(diǎn)的地理信息，就播放該景點(diǎn)或者站點(diǎn)的視頻或者語(yǔ)音信息。但是由于很多自然景區(qū)地處大山深處，天氣多變，云層較厚，GPS信號(hào)差，使用GPS定位進(jìn)行景點(diǎn)播報(bào)非常不準(zhǔn)確，容易造成錯(cuò)報(bào)、誤報(bào)、系統(tǒng)穩(wěn)定性差等問(wèn)題，使用傳統(tǒng)GPS定位技術(shù)進(jìn)行景點(diǎn)播報(bào)可行性不高。一種最簡(jiǎn)單有效的方案是結(jié)合有源RFID技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，每個(gè)景點(diǎn)安放一個(gè)有源RFID標(biāo)簽，有源RFID標(biāo)簽的編號(hào)與每個(gè)景點(diǎn)進(jìn)行綁定，在觀光車(chē)上安裝RFID閱讀器，RFID閱讀器將讀到的有源RFID標(biāo)簽編號(hào)信息發(fā)送給播報(bào)軟件，播報(bào)軟件根據(jù)有源RFID標(biāo)簽編號(hào)播放對(duì)應(yīng)景點(diǎn)的視頻信息，達(dá)到精確播報(bào)的目的。這樣通過(guò)有源RFID技術(shù)可以不受天氣和自然環(huán)境影響，能夠穩(wěn)定準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)對(duì)景點(diǎn)的播報(bào)。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)組成

有源RFID景區(qū)觀光車(chē)播報(bào)系統(tǒng)是由播報(bào)軟件、RFID閱讀器和有源RFID標(biāo)簽組成。播放軟件支持安裝在Windows和LINUX兩種操作系統(tǒng)，出于對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性考慮，推薦軟件安裝在LINUX操作系統(tǒng)上。RFID采用2.45 GHz有源RFID，距離最遠(yuǎn)可達(dá)100多m，而且可以調(diào)整有源標(biāo)簽的發(fā)射功率來(lái)調(diào)整RFID閱讀器接收標(biāo)簽數(shù)據(jù)的距離，避免距離較近的兩個(gè)景點(diǎn)或者站點(diǎn)RFID識(shí)別區(qū)域出現(xiàn)重疊。有源RFID標(biāo)簽采用大容量可充電電池，并且具有電池電量檢測(cè)功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池電量的實(shí)時(shí)檢測(cè)，如果電量不足時(shí)將該電量信息發(fā)送給RFID閱讀器，提示管理員及時(shí)更換電池，電量不足時(shí)也進(jìn)行聲光報(bào)警提示。同時(shí)，標(biāo)簽為節(jié)省電量有實(shí)時(shí)時(shí)鐘，設(shè)置在景區(qū)關(guān)閉的時(shí)間段內(nèi)標(biāo)簽將進(jìn)行休眠，直到第二天固定時(shí)間喚醒，然后進(jìn)行工作，這樣可有效延長(zhǎng)電池的使用時(shí)間。RFID標(biāo)簽在工作情況下，采用低功耗設(shè)計(jì)，盡可能延長(zhǎng)電池電量的使用時(shí)間，減少更換時(shí)間，減少管理者的工作量。RFID閱讀器主要是對(duì)RFID標(biāo)簽數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取并將標(biāo)簽數(shù)據(jù)發(fā)送給播報(bào)軟件，所以RFID閱讀器采用外接全向天線，可以安放在車(chē)頂或者車(chē)子的前部，能夠更快更好地接收標(biāo)簽發(fā)送的數(shù)據(jù)信息。同時(shí)RFID閱讀器可以通過(guò)網(wǎng)口或者串口將標(biāo)簽數(shù)據(jù)發(fā)送給播報(bào)軟件，達(dá)到對(duì)景點(diǎn)精確播放的目的。播報(bào)軟件安裝在LINUX車(chē)載電腦上，當(dāng)接收到RFID閱讀器發(fā)送的RFID標(biāo)簽編號(hào)時(shí)，根據(jù)編號(hào)播放該編號(hào)對(duì)應(yīng)的景點(diǎn)視頻或者語(yǔ)音信息。有源RFID景區(qū)觀光車(chē)播報(bào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理如圖1所示。

4.2 播報(bào)軟件設(shè)計(jì)

播報(bào)軟件是根據(jù)RFID閱讀器收到的RFID標(biāo)簽編號(hào)播放對(duì)應(yīng)的視頻或者語(yǔ)音，主要的技術(shù)難點(diǎn)是兩個(gè)標(biāo)簽之間微波信號(hào)不能有重疊，否則會(huì)造成誤報(bào)，這就需要使用手持式閱讀器給有源標(biāo)簽設(shè)置發(fā)射功率來(lái)調(diào)整射頻發(fā)送距離。首先要將有源標(biāo)簽工作模式撥到管理配置模式，在管理模式下標(biāo)簽可以進(jìn)行射頻數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，這樣標(biāo)簽與閱讀器之間可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互。操作手持式閱讀器掃描界面搜尋周?chē)臉?biāo)簽信息，通過(guò)操作界面選擇要進(jìn)行配置的標(biāo)簽，然后點(diǎn)擊進(jìn)行配置，建立鏈路通信，再對(duì)該標(biāo)簽參數(shù)進(jìn)行配置、時(shí)間同步等操作。配置完成后，將標(biāo)簽的工作模式開(kāi)關(guān)撥到正常工作模式，標(biāo)簽就可以定時(shí)發(fā)送標(biāo)簽信息。具體配置流程如圖2所示。

另一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)是觀光車(chē)經(jīng)過(guò)景點(diǎn)A、景點(diǎn)B和景點(diǎn)C，從景點(diǎn)A到B，再?gòu)木包c(diǎn)B到C，從景點(diǎn)A到B時(shí)，播放景點(diǎn)B介紹，從景點(diǎn)B到C播放景點(diǎn)C介紹。與之相反，從景點(diǎn)C到景點(diǎn)B播放景點(diǎn)B的介紹，從景點(diǎn)B到景點(diǎn)A播放景點(diǎn)A的介紹，即播報(bào)系統(tǒng)對(duì)收到的同一個(gè)標(biāo)簽信息對(duì)應(yīng)有兩種或者多種視頻或者語(yǔ)音進(jìn)行播報(bào)，且觀光車(chē)可能中途折返，景區(qū)岔路較多，所以需要對(duì)觀光車(chē)的行進(jìn)方向進(jìn)行判定。播報(bào)系統(tǒng)通過(guò)在每個(gè)岔口和特定位置安裝有源RFID標(biāo)簽，再結(jié)合有源標(biāo)簽編號(hào)的有序設(shè)置開(kāi)發(fā)一套對(duì)觀光車(chē)行進(jìn)方向判斷及快速尋找對(duì)應(yīng)視頻簡(jiǎn)單有效的算法，達(dá)到快速正確播報(bào)的目的。

為保證無(wú)線數(shù)據(jù)的安全性，防止不法分子對(duì)數(shù)據(jù)的破壞或者竊取，本系統(tǒng)在有源RFID標(biāo)簽和閱讀器之間采用DES/AES國(guó)際算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行安全加密^［1］，同時(shí)使用MD5算法對(duì)無(wú)線數(shù)據(jù)的完整性進(jìn)行保護(hù)，防止數(shù)據(jù)的丟失或者篡改。標(biāo)簽和閱讀器出廠時(shí)，都預(yù)置了算法和密鑰。

4.3 有源RFID的硬件設(shè)計(jì)

有源RFID標(biāo)簽硬件設(shè)計(jì)最主要的優(yōu)點(diǎn)是功耗低，體積小，便于安裝。有源RFID標(biāo)簽硬件部分主要包括主控芯片、2.4 G芯片、可充電電池和PCB天線^［2］，有源標(biāo)簽的硬件如圖3所示。

主控芯片采用超低功耗芯片，主要功能是控制2.4 G芯片工作和休眠。主控芯片具有電壓檢測(cè)功能，可以對(duì)電池電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。低于設(shè)定電壓時(shí)，主控芯片將進(jìn)行指示燈提醒并將該信息發(fā)送給閱讀器，以便及時(shí)更換電池。主控芯片還有實(shí)時(shí)時(shí)鐘功能，用來(lái)定時(shí)喚醒主控芯片休眠或者工作，以便降低功耗，使電池使用時(shí)間盡可能長(zhǎng)，減少更換電池的周期。

2.4 G芯片是射頻收發(fā)芯片，主要完成無(wú)線射頻數(shù)據(jù)的收發(fā)功能。2.4 G天線采用PCB天線，可以使標(biāo)簽的體積在兼顧性能及干擾的情況下做到最小化。工作模式撥碼開(kāi)關(guān)主要是用來(lái)給標(biāo)簽設(shè)置工作模式，本播報(bào)系統(tǒng)的有源RFID標(biāo)簽?zāi)Ｊ接袃煞N：一種是正常工作模式，另一種是配置模式。工作模式就是標(biāo)簽正常工作，在該模式下標(biāo)簽無(wú)線射頻只發(fā)送數(shù)據(jù)不接收數(shù)據(jù)，定時(shí)休眠，定時(shí)喚醒工作，工作時(shí)定時(shí)發(fā)送標(biāo)簽數(shù)據(jù)；配置模式是在出廠時(shí)或者更換電池時(shí)，需將標(biāo)簽撥到配置模式，標(biāo)簽無(wú)線射頻功能既能發(fā)送數(shù)據(jù)又能接收數(shù)據(jù)，手持式閱讀器通過(guò)無(wú)線射頻來(lái)設(shè)置標(biāo)簽編號(hào)、射頻信道及功率等參數(shù)以及同步標(biāo)簽時(shí)間。聲光指示模塊主要是用來(lái)指示標(biāo)簽的工作狀態(tài)，并在標(biāo)簽異常時(shí)進(jìn)行聲光提示。

有源RFID閱讀器有兩種：車(chē)載閱讀器和手持式閱讀器。車(chē)載閱讀器安裝在觀光車(chē)內(nèi)，是觀光車(chē)播報(bào)系統(tǒng)中重要的設(shè)備之一；手持式閱讀器主要是用來(lái)配置標(biāo)簽參數(shù)及同步時(shí)間，在維護(hù)管理中使用。因?yàn)檐?chē)載閱讀器和手持式閱讀器的應(yīng)用場(chǎng)景和功能不同，所以兩款閱讀器的硬件設(shè)計(jì)也不完全相同。車(chē)載閱讀器硬件設(shè)計(jì)主題架構(gòu)與有源標(biāo)簽相似，也是有主控芯片、2.4 G射頻芯片等，但車(chē)載閱讀器不需要電池供電，是通過(guò)外部電源供電，所以增加電源管理相關(guān)部分。車(chē)載閱讀器主要功能是快速將接收到的標(biāo)簽信息發(fā)送給上位機(jī)，所以對(duì)性能要求比較高，而且要提供多種通信接口，如網(wǎng)口、RS232、TTL以及USB接口，但對(duì)功耗要求不高，所以車(chē)載閱讀器主控芯片采用ARM公司的Cortex-M3系列高性能芯片。為增加車(chē)載閱讀器接收標(biāo)簽距離和準(zhǔn)確度，車(chē)載閱讀器2.4 G天線采用外接高增益天線，并安裝在觀光車(chē)的頂部或者車(chē)的前部無(wú)遮擋^［3］。手持式閱讀器設(shè)計(jì)和車(chē)載閱讀器硬件類似，也是主控芯片和2.4 G芯片。由于是手持式，為在操作上和使用上要智能和便捷，所以手持式閱讀器采用安卓操作系統(tǒng)，手持式主控芯片采用Cortex-A53系統(tǒng)芯片，內(nèi)存2 GB，支持USB2.0和USB3.0，3.5寸觸摸顯示屏和大容量電池，并安裝自行開(kāi)發(fā)的2.4 G有源標(biāo)簽配置管理系統(tǒng)軟件，并配有大容量可充電電池，且2.4 G天線也采用內(nèi)置高增益全向天線^［4］。

5 結(jié)語(yǔ)

該播報(bào)系統(tǒng)已在國(guó)內(nèi)幾大知名景點(diǎn)安裝使用，本系統(tǒng)可穩(wěn)定、可靠、準(zhǔn)確地進(jìn)行播報(bào)，使游客在乘坐觀光車(chē)的同時(shí)能了解景點(diǎn)的介紹及到站播報(bào)，觀光體驗(yàn)更好。該播報(bào)系統(tǒng)也使景區(qū)節(jié)約了人力成本，減輕了觀光車(chē)司機(jī)的工作量，使得景區(qū)的管理更加智能化和人性化。另外，在景點(diǎn)播報(bào)中間可進(jìn)行廣告推廣，增加了景區(qū)的經(jīng)濟(jì)效益。本播報(bào)系統(tǒng)自從推廣使用以來(lái)，得到了廣大游客和景區(qū)管理者的一致好評(píng)。

參考文獻(xiàn)

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（編輯 王雪芬）

Design of active RFID scenic spot sightseeing car broadcasting system

Xu Guangwei， Liu Shaokai， Pan Yu

（No.30 Institute of CETC， Chengdu 610041， China）

Abstract： Due to the complex geographical environment of many scenic spots and the influence of weather and environment， traditional positioning techniques cannot achieve precise positioning and broadcasting functions for scenic spots. The article utilizes the advantages of active RFID technology and combines the environmental characteristics of scenic spots to develop a scenic spot sightseeing vehicle broadcasting system. The broadcasting system consists of active RFID tags， car readers， handheld readers， and broadcasting software. The system binds the RFID tags installed in the scenic spots one by one with the scenic spots. After receiving the RFID tag information， the car reader notifies the broadcasting software to broadcast the corresponding video and voice of the scenic spots， achieving precise broadcasting and arrival reminders for the scenic spots， enhancing the tourist experience and improving the modern management and service level of the scenic spots.

Key words： RFID; scenic spot; broadcasting; reader