基于RFID的新型交互式生命搜救仪器

摘要：RFID技术是近年来发展非常迅速的一门新技术，它利用射频信号自动识别目标对象并获取相关信息。文章介绍了RFID标中集成脉搏传感器，它体积小以便于人们随身携带，通过无源待机有源激活的策略降低功耗，采用了码分多址的时隙ALOHA方法避免碰撞，最终实现了地震搜救中的交互应答，提高了搜救效率。
关键词：射频识别；标签；读写器；ALOHA

0 引言
    目前国内外投入使用的生命探测仪主要有四种：光学型、音频型、红外型和雷达型。它们各具特色，下面给出简要的介绍。
    光学生命探测仪类似于医用光学纤维内窥镜，它利用可以任意弯曲的金属蛇皮管使前端的镜头通过建筑废墟的缝隙，照明并观察废墟下的情况，并通过蛇皮管中的光学纤维束将图像传回，借以发现被掩埋在废墟下面的人。这种生命探测仪体积小、使用方便，但探测距离短，而且在废墟无缝隙的情形下无法使用。
    音频生命探测仪的主要原理是采用几个高灵敏度拾音器加上高倍信号放大、特殊滤波等技术侦听废墟瓦砾下是否有幸存者的呼吸声、呻吟声或敲击刻划声等音频和振动信息，以发现被掩埋在废墟下面的人。但这种仪器要求在比较安静的环境下使用才能获得好的信噪比，所以实际应用效果并不令人满意。
    红外生命探测仪利用红外辐射测量生命体温，可以不必接触被测生命体，测量距离可近到几厘米，远到几十米。同样这种仪器受环境影响很大。
    雷达生命探测仪是近年来国内外研究的热点，它基于多普勒生物雷达原理。它发射能够穿透非金属建筑材料的超宽谱微波束，对废墟下的空间进行扫描。这种特殊的高频电磁波能够被人体进行呼吸或心跳运动的胸廓表面反射，利用这些活动造成的反射波相位差来解析出心跳或呼吸等微弱信号，从而发现被掩埋的生命。雷达型生命探测仪探测效果也较好，但它是基于探测并分辨极其微弱的生命信号的。在实际救援时，废墟下的不明情况和现场的各种干扰使得判别是否存在极其微弱的生命信息非常困难。
    由于现有生命探测仪存在各种各样的问题，因此急需开发一种能应对恶劣环境的实用型生命探测仪。而近年来，迅速发展的RFID技术为探讨新型生命探测技术提供了可行的思路。本文将基于RFID技术设计新型的交互式生命探测仪器。

1 RFID交互式搜救仪器原理
    RFID技术是利用空间电磁感应或者电磁传播来进行通信，以达到非接触自动识别被标识物体的目的。基本工作方法是将RFID标签安装在被识别物体上，当被标识物体进入RFID系统读写器的读写范围时，标签和读写器之间进行非接触式信息通讯，标签向读与器发送自身信息如ID号等，读写器接收这些信息并进行解码，传输给后台终端进行处理，然后将处理后的数据通过读写器返回标签，完成整个信息处理、数据修改过程。
    完整的RFID系统包括RFID数据采集端、标签、读写器、天线、中间件或者接口、应用系统等。狭义的RFID系统包括标签、读写器和天线，由于生命探测器应该为手持移动设备，故狭义RFID系统更适合应用。本系统整体框图如图1所示。

2 交互式搜救仪器功能实现
2．1 RFID标签的设计
    由于灾害的突发性、未知性，必须保证即使在日常生活中人们也要携带RFID标签，而不是在灾害发生后才去准备。因此设计能被大多数人接受的RFID标签是这种生命探测仪普及的关键。目前大规模集成电路的工艺完全能将集成了脉搏传感器的RFID标签设计成具有很小体积的芯片，然后加上漂亮的外壳装饰，完全能做成小工艺品的效果。这样可作为随身的配饰，例如像汽车电子钥匙那样挂在钥匙链上，或者嵌入到皮带扣或装饰性的扣子内。所以RFID标签能以人们乐意的形式作为工艺品佩带，而且不会感到有任何不便，这是RFID生命探测仪投入实用的先决条件。
    根据标签的供电形式，RFID系统可分为有源、无源和半有源系统。有源系统的标签使用标签内部的电池来供电，主动发射信号，系统识别距离较长，可达几十米甚至上百米。有源标签的电池寿命理论上能够达到3-5年，但是根据电池的质量、使用的环境等因素，寿命会大幅缩减。无源射频标签不含电池，它利用读写器发射的电磁波进行耦合来为自己提供能量，它的重量轻、体积小，寿命可以非常长，成本低廉。可以制成各种各样的薄卡或者挂扣卡，识别距离可达到十米左右。半有源系统的标签带有电池，但是电池只起到对标签内部电路供电的作用，标签本身并不发射信号。在本系统中我们采用无源待机有源激活的策略降低功耗。
    RFID标签主要组成部分如图2所示。其中无源模块只负责接收激活信号，有源模块负责与读写器通信。系统采用广播方式激活标签，当无源激活模块检测到激活信号后，获取能量并将解调得到的数据进行校验，确认是约定的激活信号后，逻辑控制电路生成有源待机模块的数字电源开关控制信号。数字电源开关负责整个有源模块供电的开和关，未接收到激活信号时，数字电源处于关闭状态，整个有源模块处于待机状态，能耗极小；被无源模块激活后，数字电源转为开放状态，有源模块上电工作，采集人体的脉搏信息，同标识信息一起通过RF发射前端发往读写器。这样一来可以保证无源激活模块在探测到搜救人员到达RFID射频覆盖区域后，才激活有源模块发送求救信息。一方面，RFID标签不做无用功(附近无搜救人员)，大部分时间处于待机状态，节约电池能量，延长待机时间；另一方面，当确定附近有搜救人员时，有源模块可主动发出比较强的求救信号，提高了被发现的概率。

2．2 读写器与RFID标签交互的实现
    读写器是地面搜救人员手持的移动终端，与RFID标签的交互过程如图3所示。它首先广播无源模块的激活信号，若在RFID有效射频覆盖区内存在被掩埋的人员，掩埋人员身上的RFID标签就激活有源模块，主动发送求救信息：读写器接收到求救信息，判断出掩埋人员的存活状态，做出是否施救的决定。由于读写器和标签共享同一无线信道，多个标签也可能进入同一射频覆盖区，必然存在信道争用问题，即会发生碰撞。利用排队论及抗噪声技术可实现防碰撞技术，本文采用了基于码分多址的时隙ALOHA方法，当然还有许多研究者提出了新的有效算法可解决多标签碰撞问题。若需要施救，则可进一步定位掩埋人员的位置，关于RFID定位，也已有比较成熟的算法可供使用，本文对防碰撞技术及RFID定位技术均不做详细讨论。

    读写器的天线有激活信号发射天线A和接收信号天线B之分，也可以为同一天线；读写器对激活信号具有控制功能，在收到某标签返回的信号后可以继续发送激活信号激活其它标签，也可以停止发送激活信号；读写器应能提供通用的接口模块，如USB、RS232、SPI、无线网络接口等，以便与PC或其它读写器进行通信；考虑到易操作性，读写器应具有方便的人机交互界面，使用LCD彩色屏提供直观的显示功能及可视化的功能菜单界面，读写器的主要模块构成如图4所示。

2．3 防碰撞算法
    从读写器节点发送信息到各被搜救用户节点，采用广播方式，在UHF频带使用413．475MHz的频率，占用100kHz的信道，读写器发送的任何信息，正常情况下各被搜救用户终端控制器都能接收到。从各被搜救用户节点到中央节点，采用随机的竞争方式，以407．350MHz的频率，也占用100kHz信道。如果各被搜救用户不同时发送信息，读写器可以正确收到；如果各被搜救用户同时发送信息，则会发生冲突，使信息不可识别，必须重发。显然，信息的冲突会降低传输效率。但是考虑到各被搜救用户的数据报文较短(即占用信道时间较短)，发送信息有突发性和断续性，因此这种随机性访问网络方式还是可行的。
    通过划分相等的时间片，每个时间片对于一个帧，指定被搜救用户在每个时间的开始端发送信息，每个时间片的长度，要合理设计。因为从各个被搜救用户的报文分组到达读写器系统的传输延迟不同，最大的报文分组长度相关于第一个报文分组首部到达时刻与最后一个报文分组尾部到达时刻之时间差值，由这个先后到达的时间差值，选择每个时间片的宽度。对拥有中等数量用户的系统，时间片法的传输效率约为36．8％，如果被搜救用户数量较少，传输效率还可提高。

3 结论
    本文提出的基于RFID技术的交互式生命探测仪主要由携带在人身上的无源激活有待机源RFID标签和救援人员手持可移动的嵌入式读写器组成。提出将当前流行的RFID技术应用于生命探测领域，并分析了其可行性。给出了RFID标签的几种制作思路，使人们将RFID标签作为佩饰随身携带，更好地应对突发性灾难。被掩埋在废墟中的人员可通过RFID有源模块主动发射较强的求救信号，提高地面救援人员发现受困者的概率。针对传统的有源RFID标签功耗大，电池寿命短的缺点，引入了无源激活模块。当探测不到附近有激活信号时，切断有源模块的供电，使有源模块处于待机状态，基本没有能耗；当探测到附近的激活信号，即救援人员在射频覆盖范围内时，给有源模块供电，向读写器发射大功率的求救信号，合理利用了电池的有限能量。将脉搏传感器集成到RFID标签中，实时监视受困人员的生存状态，避免了救援人员盲目的解救，将更多的精力投入到对幸存者的救援工作中。设计了嵌入式读写器，具有便携、可移动及简单的人机交互等特点。在不影响人们日常生活的同时，通过RFID标签的普及会极大地提高灾后的搜救效率。