基于RFID的新型交互式生命搜救儀器

呂慧慧

摘 要：RFID技術是近年來發(fā)展非常迅速的一門新技術，利用射頻信號自動識別目標對象并獲取相關信息。本文介紹了RFID標簽中集成脈搏傳感器，它體積小以便于人們隨身攜帶，通過無源待機有源激活的策略降低功耗，采用了碼分多址的時隙ALOHA方法避免碰撞，最終實現(xiàn)了地震搜救中的交互應答，提高了搜救效率。

關鍵詞：RFID；無源待機；有源激活

中圖分類號：TP391.44 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）04-0020-02

強烈地震等突發(fā)性自然災害往往造成巨大的人員傷亡。在救援現(xiàn)場，由于無法判明被掩埋者的具體位置以及存活狀態(tài)，使救援工作變得極其困難。每次大地震的死亡和失蹤人員中，有相當比例的人直到生命的最后一息都未被發(fā)現(xiàn)。因此，如何運用各種生命救援信息技術在黃金時間搜救出幸存者，最大程度地減少生命損失，是救援工作壓倒一切的重點。

1 生命探測儀和RFID現(xiàn)狀

1.1 現(xiàn)有主流生命探測儀

目前國內外投入使用的生命探測儀主要有4種：光學型、音頻型、紅外型和雷達型。它們各具特色，但也存在各種各樣的問題。

光學型生命探測儀體積小、使用方便，但探測距離短.而且在廢墟無縫隙的情形下無法使用。

音頻型生命探測儀要求在比較安靜的環(huán)境下使用才能獲得好的信噪比，所以實際應用效果并不令人滿意。紅外型生命探測儀受環(huán)境影響很大。雷達型生命探測儀在實際救援時，廢墟下的不明情況和現(xiàn)場的各種干擾使得判別是否存在極其微弱的生命信息非常困難。

因此急需開發(fā)一種能應對惡劣環(huán)境的實用型生命探測儀。而近年來，迅速發(fā)展的RFID技術為探討新型生命探測技術提供了可行的思路。本文將基于RFID技術設計新型的生命探測儀器。

1.2 RFID技術的現(xiàn)狀

射頻識別（RFID， Radio Frequency Identification）技術是近年來發(fā)展非常迅速的一門新技術，利用射頻信號自動識別目標對象并獲取相關信息，依靠電磁耦合原理交換能量與數(shù)據(jù)信息。RFID標簽具有體積小、容量大、壽命長、可重復使用等特點，可支持快速讀寫、非可視識別、移動識別、多目標識別、定位及長期跟蹤管理。隨著相關技術的不斷完善和成熟，RFID產業(yè)將成為一個新興的高技術產業(yè)群，被評為未來的明星產業(yè)。RFID技術被廣泛應用于工業(yè)自動化、商業(yè)自動化、交通運輸控制管理等眾多領域：汽車、火車等交通監(jiān)控；高速公路自動收費系統(tǒng)；停車場管理系統(tǒng)；物品管理；流水線生產自動化；安全出入檢查；倉儲管理；動物管理；車輛防盜等。

根據(jù)RFID的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢來看，今后RFID標簽的價格將越來越低，應用越來越廣泛。RFID技術的標準也將進一步的完善和推廣。因此本文選擇RFID技術開發(fā)生命探測儀器是完全可行而且有效的。

2 RFID交互式搜救儀器原理

2.1 RFID技術的工作方法

RFID技術的基本工作原理：標簽進入磁場后，接收解讀器發(fā)出的射頻信號，憑借感應電流所獲得的能量發(fā)送出存儲在芯片中的產品信息（無源標簽或被動標簽），或者由標簽主動發(fā)送某一頻率的信號（Active Tag，有源標簽或主動標簽），解讀器讀取信息并解碼后，送至中央信息系統(tǒng)進行有關數(shù)據(jù)處理。

2.2 基于RFID技術的生命探測器設計

本RFID系統(tǒng)，它主要由無源激活有源待機并集成了脈搏傳感器的RFID標簽和讀寫器構成，克服了當前生命探測儀多是被動式的問題，且將無源RFID標簽和有源RFID標簽相結合，設計方向讀寫器的小型化：便攜、輕量。RFID標簽發(fā)送給讀寫器的數(shù)據(jù)準確表達人的某些關鍵生命特征信息，提高救援效率。

系統(tǒng)整體結構如圖1所示。

3 系統(tǒng)的硬件設計

3.1 RFID標簽的設計

無源激活模塊負責檢測激活信號并生成數(shù)字電源開關控制信號；電源供電采用了兩級開關，其中物理開關可以是位于標簽外部用戶可控的硬件開關，當發(fā)生災難時打開物理開關，此時有源模塊的供電狀態(tài)完全取決于數(shù)字電源開關；無源激活模塊只需要解調功能而不需要調制功能，另外還包括獲取能量的電路，如整流電路、諧振電路、電荷泵及電源管理等模塊；存儲激活標識碼的存儲器和邏輯控制電路模塊。

有源模塊的核心是一個微處理器。它的主要作用是采集脈搏傳感器的數(shù)據(jù)，濾波處理及數(shù)據(jù)運算，調制發(fā)送。有源模塊還包括電池、硬件和數(shù)字電源開關；射頻發(fā)射前端及功率放大模塊；集成的脈搏傳感器等。

RFID標簽無源激活有源待機模塊硬件設計示例如圖2所示。

3.2 RFID讀寫器的設計

讀寫器要求是便攜，多功能，系統(tǒng)復雜。因此讀寫器的處理器應具有較強的處理能力。所以基于ARM的嵌入式平臺是實現(xiàn)讀寫器的最佳選擇。讀寫器的構成可分為模擬部分和數(shù)字部分。模擬部分產生超高頻的激活信號，以啟動無源標簽；另外還要接收并解調來自有源模塊的主動求救信號。數(shù)字部分負責信號的編碼與解碼、校對與有源模塊通信的ID號、執(zhí)行反碰撞算法及人員定位、信息的顯示表達和報警提示等。讀寫器硬件設計示例如圖3所示。

3.3 系統(tǒng)的工作流程

無源喚醒有源待機的RFID標簽首先工作在待機模式，功耗幾乎為零。救援人員手持讀寫器向射頻覆蓋區(qū)域內廣播激活信號，無源激活模塊的天線A接收射頻信號，若強度不夠則繼續(xù)待機；若強度足夠提供整個無源激活模塊的所有電路工作需要的電壓，則時鐘產生電路從射頻信號中提取時鐘供邏輯控制電路使用。解調無源激活射頻信號得到激活標識碼，與無源模塊存儲的校驗碼進行比較，確定是否正確收到了激活信號，若不是，則繼續(xù)待機；若是，則由無源激活模塊的邏輯控制模塊給出數(shù)字電源的“開放”控制信號，激活有源模塊進入上電工作狀態(tài)。有源模塊的微控制器采集脈搏傳感器的數(shù)據(jù)，判斷出攜帶此標簽的人的存活狀態(tài)。然后連同存儲的通信校驗ID，經過調制成為求救信號，由射頻發(fā)射模塊發(fā)往讀寫器。讀寫器接收到求救信號，解調后先取出校驗ID比較，若符合，則根據(jù)存活狀態(tài)做出是否救援的決定；若不符合，則丟棄數(shù)據(jù)；以此做出是否施救的決定。

4 結語

本文提出的基于RFID技術的交互式生命探測儀主要由攜帶在人身上的無源激活有源待機RFID標簽和救援人員手持可移動的嵌入式讀寫器組成，并分析了其可行性。被掩埋在廢墟中的人員可通過RFID有源模塊主動發(fā)射較強的求救信號，提高地面救援人員發(fā)現(xiàn)受困者的概率。針對傳統(tǒng)的有源RFID標簽功耗大，電池壽命短的缺點，引入了無源激活模塊。將脈搏傳感器集成到RFID標簽中，實時監(jiān)視受困人員的生存狀態(tài)，避免了救援人員盲目的解救，使更多的精力投入到對幸存者的救援工作中。設計了嵌入式讀寫器，具有便攜、可移動及簡單的人機交互等特點，極大地提高災后的搜救效率。

參考文獻

[1]張凌，劉珺，陳敏.新型生命救援信息技術的研究探討[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2009（4）：95-96.

[2]Matsuno，F(xiàn)umitoshi， Hirose，Shigeo， Akiyama，Iwaki，etc.Introduction of mission unit on information collection by on-rubble mobile platforms of development of rescue robot systems（DDT）project in Japan[C].2006SICE-ICASE International Joint Conference.