一種基于半有源RFID技術的泳池定位救生系統

來佳立　楊登輝　季瑞松

摘 要：在大型游泳館向人們開放的過程中，曾發生過多起安全事故，存在諸多管理問題。為解決這一問題，文章提出了一種基于半有源RFID技術的泳池定位救生系統。該系統采用低頻激勵器、RFID閱讀器、雙頻RFID標簽、攝像頭和上位機搭建實驗系統，經過測試證明，該系統定位信息和圖像抓取實時、準確，系統穩定可靠。

關鍵詞：半有源RFID；低頻激勵器；雙頻RFID標簽；泳池定位救生系統

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）08-00-02

0 引 言

物聯網的概念從開始提出，到現在被大眾所理解和接受，可謂是時間短、發展迅速。事實上，物聯網技術涉及到人們日常生活的方方面面，如車輛智能鑰匙，當持有智能鑰匙的車主人靠近車輛時，車門即可自動打開，使人們在感嘆高科技的同時，會發現這也正好驗證了物聯網的“物”與“物”相連的理念。RFID作為物聯網技術的一種，可通過無線電訊號的方式識別特定目標并獲取該目標的相關信息，而無需直接接觸[1]。識別方式可根據產品形態分為無源RFID、有源RFID和半有源RFID。無源RFID產品發展最早，也發展最成熟，它是利用閱讀器發射能量激活標簽，并接收標簽反射回來的能量，達到獲取標簽信息的目的；有源RFID產品是最近幾年慢慢發展起來的，標簽可以主動發射能量，與閱讀器進行信息交換，通信距離遠；半有源RFID技術[2]是近兩年剛剛起步的技術，它結合了有源RFID及無源RFID的優勢，利用低頻近距離精確定位，微波遠距離通信，方式靈活，應用面廣。

本文提出的一種新的泳池定位救生系統正是基于半有源RFID技術，采用閱讀器、低頻激勵器、雙頻標簽、攝像頭和上位機組成的泳池定位救生系統，已經實施并取得了很好的實際使用效果，對解決大型游泳池人員定位救生[2]，具有很好的應用前景。

1 泳池定位救生系統設計

基于半有源RFID技術的泳池定位救生系統，包括有源RFID閱讀器、125 kHz低頻激勵器、雙頻半有源RFID標簽、攝像頭及上位機；其中，雙頻半有源RFID標簽佩戴在游泳者的手腕上，并配置SOS求救報警按鍵，其雙頻為125 kHz和2.45 GHz；有源RFID閱讀器包括處理器、數據存儲器，2.45 GHz通信模塊；125 kHz低頻激勵器包括處理器、電源模塊、2.45 GHz通信模塊、125 kHz發射天線；攝像頭負責采集游泳者圖像信息；上位機負責對閱讀器上報的數據信息進行分析處理，并通過顯示器顯示出來，接收到SOS求救報警信號可及時進行報警提示。

圖1所示是泳池定位救生系統示意圖，當持有雙頻標簽的人員進入125 kHz低頻激勵器的覆蓋區后，雙頻標簽被喚醒，2.45 GHz開始工作。當標簽成功接收到激勵信息后，標簽由被動125 kHz接收狀態切換到主動2.45 GHz發射并接收狀態，同時將自身ID和喚醒自己的激勵器ID信息發送給有源RFID閱讀器，有源RFID閱讀器在接收到信息后和標簽握手，并將信息打包上報到上位機，最終由上位機根據激勵器ID和標簽ID，通過邏輯映射判斷游泳者實時位置和狀態[3]，切換相應的攝像頭，顯示該游泳者的實時畫面。在低頻125 kHz低頻激勵器激勵雙頻標簽的時候，激勵器將通信信道、激勵器ID等信息以OOK調制方式調制在由MCU產生的125 kHz載波上形成激勵信號，并按照一定周期不斷地向外發送，雙頻標簽[4]進入激勵區即被喚醒。

2 125 kHz低頻激勵的硬件設計

125 kHz低頻激勵技術作為本文泳池定位救生系統的核心技術，激勵區域的邊沿控制是決定定位是否準確的前提，激勵半徑大小直接決定著定位能否實現。125 kHz低頻優點是波長長，不容易被遮擋和吸收，但缺點就是不容易發射，也就是說激勵距離很難做遠。要提高通信距離，就只能提高激勵器發射信號的功率。

圖2所示是125 kHz低頻激勵器的設計框圖，圖中包括電源部分、125 kHz諧振電路和2.45 GHz收發模塊。其工作原理是由處理器PWM調制出125 kHz信號，由OOK調制經125 kHz諧振電路發射出去，實現125 kHz信號覆蓋。其中125 kHz諧振電路即橋式放大電路，實質就是一個由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，可達到最大且與電壓源同相，諧振時回路呈現純電阻特性。

通過調節電壓激勵電路的輸入電壓值或125 kHz天線的大小可以調節激勵半徑的大小，本設計的125 kHz低頻激勵器的激勵半徑為1～7 m可調。

3 雙頻標簽低功耗設計

一般的有源RFID標簽只有2.45 GHz單頻，采用周期喚醒方式與閱讀器進行通信，為達到標簽的使用壽命，低功耗設計一般都是延長喚醒間隔，減短喚醒后發射狀態時間并且不會與閱讀器進行應答確認，發射完畢后立即進入深睡眠模式[6]，也無法進行發射時的碰撞檢測，更不能進行精確定位。本文中的雙頻標簽是將125 kHz和2.45 GHz結合起來，用于低頻喚醒、定位和高頻數據通信，標簽被125 kHz喚醒后進行信息上報，并與閱讀器握手通信，檢測到沖突時做延時上報。雙頻標簽的低功耗設計一方面是軟件低功耗設計，優化時槽和沖突檢測算法，硬件方面采用業界公認的低功耗NORDIC微處理器和125 kHz接收芯片，待機電流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 語

本文提出了基于半有源RFID技術的泳池定位救生系統，重點講解了125 kHz低頻激勵器的工作原理和雙頻標簽低功耗設計。可以通過所述定位救生系統很方便地進行大型游泳館的安全管理，通過上位機服務器可以實時觀察游泳池內每一個佩戴雙頻半有源RFID標簽的游泳者的位置和情況，包括游泳者安全狀態和圖像信息，節約人力成本、減少發生意外事故的響應時間、確保游泳者的生命安全，具有很高的應用前景和社會價值。

參考文獻

[1] Klaus Finkenzeller.射頻識別技術[M].北京：電子工業出版社，2006.

[2]王文峰，耿力.基于射頻識別的實時定位系統技術研究[J].信息技術與標準化，2007（7）：21-24.

[3]張穎，李凱，王建偉.一種有源RFID局域定位系統設計[J].電子設計工程，2012（5）：68-70.

[4] CHOI J，LEE W. Comparative evaluation of probabilistic and deterministic tag anti-collision protocols for RFID networks[A].2007：38-49.

[5] HIMMESLSTOSS F A，EDELMOSER K H.High dynamic class-D power amplifier[J].IEEE Transactions on Consumer Electronics，1998（4）：1329-1333.

[6] Jochen Essel，Daniel Brenk，Juergen Heidrich.A highly efficient UHF RFID frontend approach[A].2009：1-4.