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(shí)間短、發(fā)展迅速。事實(shí)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(shí)，車門即可自動(dòng)打開，使人們在感嘆高科技的同時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)這也正好驗(yàn)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(shí)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(shí)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(dá)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(dòng)發(fā)射能量，與閱讀器進(jìn)行信息交換， 通信距離遠(yuǎn) ；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(yuǎn)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(lì)器、雙頻標(biāo)簽、攝像頭和上位機(jī)組成的泳池定位救生系統(tǒng)，已經(jīng)實(shí)施并取得了很好的實(shí)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(jì)

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(lì)器、雙頻半有源 RFID 標(biāo)簽、攝像頭及上位機(jī) ；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(bào)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(chǔ)器，2.45 GHz 通信模塊 ；125 kHz 低頻激勵(lì)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(fù)責(zé)采集游泳者圖像信息 ；上位機(jī)負(fù)責(zé)對閱讀器上報(bào)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析處理，并通過顯示器顯示出來，接收到SOS 求救報(bào)警信號可及時(shí)進(jìn)行報(bào)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(jìn)入125 kHz低頻激勵(lì)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(lì)信息后，標(biāo)簽由被動(dòng)125kHz接收狀態(tài)切換到主動(dòng) 2.45GHz發(fā)射并接收狀態(tài)， 同時(shí)將自身ID和喚醒自己的激勵(lì)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(bào)到上位機(jī)，最終由上位機(jī)根據(jù)激勵(lì)器ID 和標(biāo)簽 ID，通過邏輯映射判斷游泳者實(shí)時(shí)位置和狀態(tài)[3]，切換相應(yīng)的攝像頭，顯示該游泳者的實(shí)時(shí)畫面。在低頻 125kHz低頻激勵(lì)器激勵(lì)雙頻標(biāo)簽的時(shí)候，激勵(lì)器將通信信道、激勵(lì)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(lì)信號，并按照一定周期不斷地向外發(fā)送，雙頻標(biāo)簽[4] 進(jìn)入激勵(lì)區(qū)即被喚醒。

2 125 kHz低頻激勵(lì)的硬件設(shè)計(jì)

125 kHz 低頻激勵(lì)技術(shù)作為本文泳池定位救生系統(tǒng)的核心技術(shù)，激勵(lì)區(qū)域的邊沿控制是決定定位是否準(zhǔn)確的前提， 激勵(lì)半徑大小直接決定著定位能否實(shí)現(xiàn)。125 kHz 低頻優(yōu)點(diǎn)是波長長，不容易被遮擋和吸收，但缺點(diǎn)就是不容易發(fā)射，也就是說激勵(lì)距離很難做遠(yuǎn)。要提高通信距離，就只能提高激勵(lì)器發(fā)射信號的功率。

圖 2 所示是 125 kHz 低頻激勵(lì)器的設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn) 125 kHz 信號覆蓋。其中125 kHz 諧振電路即橋式放大電路，實(shí)質(zhì)就是一個(gè)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(dá)到最大且與電壓源同相，諧振時(shí)回路呈現(xiàn)純電阻特性。

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

3 雙頻標(biāo)簽低功耗設(shè)計(jì) 

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(jìn)行通信，為達(dá)到標(biāo)簽的使用壽命，低功耗 設(shè)計(jì)一般都是延長喚醒間隔，減短喚醒后發(fā)射狀態(tài)時(shí)間并且不會(huì)與閱讀器進(jìn)行應(yīng)答確認(rèn)，發(fā)射完畢后立即進(jìn)入深睡眠模 式 [6]，也無法進(jìn)行發(fā)射時(shí)的碰撞檢測，更不能進(jìn)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(jìn) 行信息上報(bào)，并與閱讀器握手通信，檢測到?jīng)_突時(shí)做延時(shí)上報(bào)。 雙頻標(biāo)簽的低功耗設(shè)計(jì)一方面是軟件低功耗設(shè)計(jì)，優(yōu)化時(shí)槽 和沖突檢測算法，硬件方面采用業(yè)界公認(rèn)的低功耗 NORDIC 微處理器和 125 kHz 接收芯片，待機(jī)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(diǎn)講解了 125 kHz 低頻激勵(lì)器的工作原理和雙頻標(biāo)簽低功 耗設(shè)計(jì)?？梢酝ㄟ^所述定位救生系統(tǒng)很方便地進(jìn)行大型游泳 館的安全管理，通過上位機(jī)服務(wù)器可以實(shí)時(shí)觀察游泳池內(nèi)每 一個(gè)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(shí)間、確保游泳者的生命安全，具有很高的應(yīng) 用前景和社會(huì)價(jià)值。