一種基于半有源RFID技術(shù)的泳池定位救生系統(tǒng)

引 言

物聯(lián)網(wǎng)的概念從開始提出，到現(xiàn)在被大眾所理解和接受， 可謂是時間短、發(fā)展迅速。事實上，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，車門即可自動打開，使人們在感嘆高科技的同時，會發(fā)現(xiàn)這也正好驗證了物聯(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，可通過無線電訊號的方式識別特定目標(biāo)并獲取該目標(biāo)的相關(guān)信息，而無需直接接觸 [1]。識別方式可根據(jù)產(chǎn)品形態(tài)分為無源 RFID、有源 RFID 和半有源 RFID。無源 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)簽反射回來的能量， 達到獲取標(biāo)簽信息的目的；有源 RFID 產(chǎn)品是最近幾年慢慢發(fā)展起來的，標(biāo)簽可以主動發(fā)射能量，與閱讀器進行信息交換， 通信距離遠 ；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 及無源 RFID 的優(yōu)勢，利用低頻近距離精確定位，微波遠距離通信，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、低頻激勵器、雙頻標(biāo)簽、攝像頭和上位機組成的泳池定位救生系統(tǒng)，已經(jīng)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(yīng)用前景。

1 泳池定位救生系統(tǒng)設(shè)計

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 低頻激勵器、雙頻半有源 RFID 標(biāo)簽、攝像頭及上位機 ；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(fā)射天線 ；攝像頭負責(zé)采集游泳者圖像信息 ；上位機負責(zé)對閱讀器上報的數(shù)據(jù)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(tǒng)示意圖，當(dāng)持有雙頻標(biāo)簽的人員進入125 kHz低頻激勵器的覆蓋區(qū)后，雙頻標(biāo)簽被喚醒，2.45GHz 開始工作。當(dāng)標(biāo)簽成功接收到激勵信息后，標(biāo)簽由被動125kHz接收狀態(tài)切換到主動 2.45GHz發(fā)射并接收狀態(tài)， 同時將自身ID和喚醒自己的激勵器 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，并將信息打包上報到上位機，最終由上位機根據(jù)激勵器ID 和標(biāo)簽 ID，通過邏輯映射判斷游泳者實時位置和狀態(tài)[3]，切換相應(yīng)的攝像頭，顯示該游泳者的實時畫面。在低頻 125kHz低頻激勵器激勵雙頻標(biāo)簽的時候，激勵器將通信信道、激勵器ID等信息以O(shè)OK調(diào)制方式調(diào)制在由MCU 產(chǎn)生的 125kHz載波上形成激勵信號，并按照一定周期不斷地向外發(fā)送，雙頻標(biāo)簽[4] 進入激勵區(qū)即被喚醒。

2 125 kHz低頻激勵的硬件設(shè)計

125 kHz 低頻激勵技術(shù)作為本文泳池定位救生系統(tǒng)的核心技術(shù)，激勵區(qū)域的邊沿控制是決定定位是否準(zhǔn)確的前提， 激勵半徑大小直接決定著定位能否實現(xiàn)。125 kHz 低頻優(yōu)點是波長長，不容易被遮擋和吸收，但缺點就是不容易發(fā)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(fā)射信號的功率。

圖 2 所示是 125 kHz 低頻激勵器的設(shè)計框圖，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， 由OOK 調(diào)制經(jīng) 125 kHz 諧振電路發(fā)射出去，實現(xiàn) 125 kHz 信號覆蓋。其中125 kHz 諧振電路即橋式放大電路，實質(zhì)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(xiàn)純電阻特性。

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

3 雙頻標(biāo)簽低功耗設(shè)計 

一般的有源 RFID 標(biāo)簽只有 2.45 GHz 單頻，采用周期喚 醒方式與閱讀器進行通信，為達到標(biāo)簽的使用壽命，低功耗 設(shè)計一般都是延長喚醒間隔，減短喚醒后發(fā)射狀態(tài)時間并且不會與閱讀器進行應(yīng)答確認，發(fā)射完畢后立即進入深睡眠模 式 [6]，也無法進行發(fā)射時的碰撞檢測，更不能進行精確定位。 本文中的雙頻標(biāo)簽是將 125 kHz 和 2.45 GHz 結(jié)合起來，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 行信息上報，并與閱讀器握手通信，檢測到?jīng)_突時做延時上報。 雙頻標(biāo)簽的低功耗設(shè)計一方面是軟件低功耗設(shè)計，優(yōu)化時槽 和沖突檢測算法，硬件方面采用業(yè)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 5 mA，采用兩顆 2032 紐扣電池供電，使用壽命 2 年左右。 

4 結(jié) 語

本文提出了基于半有源 RFID 技術(shù)的泳池定位救生系統(tǒng)， 重點講解了 125 kHz 低頻激勵器的工作原理和雙頻標(biāo)簽低功 耗設(shè)計?？梢酝ㄟ^所述定位救生系統(tǒng)很方便地進行大型游泳 館的安全管理，通過上位機服務(wù)器可以實時觀察游泳池內(nèi)每 一個佩戴雙頻半有源 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)時間、確保游泳者的生命安全，具有很高的應(yīng) 用前景和社會價值。