一种基于半有源RFID技术的泳池定位救生系统

引 言

物联网的概念从开始提出，到现在被大众所理解和接受， 可谓是时间短、发展迅速。事实上，物联网技术涉及到人们日常生活的方方面面，如车辆智能钥匙，当持有智能钥匙的车主人靠近车辆时，车门即可自动打开，使人们在感叹高科技的同时，会发现这也正好验证了物联网的“物”与“物”相连的理念。RFID 作为物联网技术的一种，可通过无线电讯号的方式识别特定目标并获取该目标的相关信息，而无需直接接触 [1]。识别方式可根据产品形态分为无源 RFID、有源 RFID 和半有源 RFID。无源 RFID 产品发展最早，也发展最成熟，它是利用阅读器发射能量激活标签，并接收标签反射回来的能量， 达到获取标签信息的目的；有源 RFID 产品是最近几年慢慢发展起来的，标签可以主动发射能量，与阅读器进行信息交换， 通信距离远 ；半有源 RFID 技术[2] 是近两年刚刚起步的技术， 它结合了有源 RFID 及无源 RFID 的优势，利用低频近距离精确定位，微波远距离通信，方式灵活，应用面广。

本文提出的一种新的泳池定位救生系统正是基于半有源RFID 技术，采用阅读器、低频激励器、双频标签、摄像头和上位机组成的泳池定位救生系统，已经实施并取得了很好的实际使用效果，对解决大型游泳池人员定位救生[2]，具有很好的应用前景。

1 泳池定位救生系统设计

基于半有源 RFID 技术的泳池定位救生系统，包括有源RFID 阅读器、125 kHz 低频激励器、双频半有源 RFID 标签、摄像头及上位机 ；其中，双频半有源 RFID 标签佩戴在游泳者的手腕上，并配置 SOS 求救报警按键，其双频为 125 kHz 和 2.45 GHz；有源 RFID 阅读器包括处理器、数据存储器，2.45 GHz 通信模块 ；125 kHz 低频激励器包括处理器、电源模块、2.45 GHz 通信模块、125 kHz 发射天线 ；摄像头负责采集游泳者图像信息 ；上位机负责对阅读器上报的数据信息进行分析处理，并通过显示器显示出来，接收到SOS 求救报警信号可及时进行报警提示。

图 1 所示是泳池定位救生系统示意图，当持有双频标签的人员进入125 kHz低频激励器的覆盖区后，双频标签被唤醒，2.45GHz 开始工作。当标签成功接收到激励信息后，标签由被动125kHz接收状态切换到主动 2.45GHz发射并接收状态， 同时将自身ID和唤醒自己的激励器 ID信息发送给有源 RFID 阅读器，有源 RFID阅读器在接收到信息后和标签握手，并将信息打包上报到上位机，最终由上位机根据激励器ID 和标签 ID，通过逻辑映射判断游泳者实时位置和状态[3]，切换相应的摄像头，显示该游泳者的实时画面。在低频 125kHz低频激励器激励双频标签的时候，激励器将通信信道、激励器ID等信息以OOK调制方式调制在由MCU 产生的 125kHz载波上形成激励信号，并按照一定周期不断地向外发送，双频标签[4] 进入激励区即被唤醒。

2 125 kHz低频激励的硬件设计

125 kHz 低频激励技术作为本文泳池定位救生系统的核心技术，激励区域的边沿控制是决定定位是否准确的前提， 激励半径大小直接决定着定位能否实现。125 kHz 低频优点是波长长，不容易被遮挡和吸收，但缺点就是不容易发射，也就是说激励距离很难做远。要提高通信距离，就只能提高激励器发射信号的功率。

图 2 所示是 125 kHz 低频激励器的设计框图，图中包括电源部分、125 kHz 谐振电路和 2.45 GHz 收发模块。其工作原理是由处理器 PWM 调制出 125 kHz 信号， 由OOK 调制经 125 kHz 谐振电路发射出去，实现 125 kHz 信号覆盖。其中125 kHz 谐振电路即桥式放大电路，实质就是一个由 L、C 组成的振荡选频电路 [5]，选出需要的频率分量并滤除不需要的频率分量，谐振条件为 ：ωL － 1/ωC=0，回路电流 I=IO=VS/R， 可达到最大且与电压源同相，谐振时回路呈现纯电阻特性。

通过调节电压激励电路的输入电压值或 125 kHz 天线的 大小可以调节激励半径的大小，本设计的 125 kHz 低频激励 器的激励半径为 1 ～ 7 m 可调。 

3 双频标签低功耗设计 

一般的有源 RFID 标签只有 2.45 GHz 单频，采用周期唤 醒方式与阅读器进行通信，为达到标签的使用寿命，低功耗 设计一般都是延长唤醒间隔，减短唤醒后发射状态时间并且不会与阅读器进行应答确认，发射完毕后立即进入深睡眠模 式 [6]，也无法进行发射时的碰撞检测，更不能进行精确定位。 本文中的双频标签是将 125 kHz 和 2.45 GHz 结合起来，用于 低频唤醒、定位和高频数据通信，标签被 125 kHz 唤醒后进 行信息上报，并与阅读器握手通信，检测到冲突时做延时上报。 双频标签的低功耗设计一方面是软件低功耗设计，优化时槽 和冲突检测算法，硬件方面采用业界公认的低功耗 NORDIC 微处理器和 125 kHz 接收芯片，待机电流 3 uA，工作电流 5 mA，采用两颗 2032 纽扣电池供电，使用寿命 2 年左右。 

4 结 语

本文提出了基于半有源 RFID 技术的泳池定位救生系统， 重点讲解了 125 kHz 低频激励器的工作原理和双频标签低功 耗设计。可以通过所述定位救生系统很方便地进行大型游泳 馆的安全管理，通过上位机服务器可以实时观察游泳池内每 一个佩戴双频半有源 RFID 标签的游泳者的位置和情况，包 括游泳者安全状态和图像信息，节约人力成本、减少发生意 外事故的响应时间、确保游泳者的生命安全，具有很高的应 用前景和社会价值。