基于射頻識別技術(shù)實現(xiàn)新型交互式生命探測儀的設(shè)計

引言

目前國內(nèi)外投入使用的生命探測儀主要有四種：光學型、音頻型、紅外型和雷達型。生命探測儀是美國超視安全系統(tǒng)公司于2005年新近推出的一種安全救生系統(tǒng)。著名物理學家，麻省理工學院博士大衛(wèi)·席思(DavidCist)創(chuàng)造性地將雷達超寬頻技術(shù)(UWB)應(yīng)用于安全救生領(lǐng)域，從而為該領(lǐng)域帶來一項革命性的新技術(shù)?；谶@種新技術(shù)的安全救生系統(tǒng)----生命探測儀，成功地解決了多項困擾傳統(tǒng)安全救生系統(tǒng)的問題，使搜救工作比以往更迅速，更精確，也更安全，是現(xiàn)在世界上最先進的生命探測系統(tǒng)。該系統(tǒng)的天線是美國航空航天局(NASA)指定的火星探測器兩種候選雷達天線之一，是世界上最先進的探地雷達天線，能夠非常敏銳地捕捉到非常微弱的運動。該產(chǎn)品已獲得美國專利。超視安全系統(tǒng)公司近日內(nèi)在中美日三國同步推出這個系統(tǒng)。

光學生命探測儀類似于醫(yī)用光學纖維內(nèi)窺鏡，它利用可以任意彎曲的金屬蛇皮管使前端的鏡頭通過建筑廢墟的縫隙，照明并觀察廢墟下的情況，并通過蛇皮管中的光學纖維束將圖像傳回，借以發(fā)現(xiàn)被掩埋在廢墟下面的人。生命探測儀的基本特點包括：即時移動探測，可以透過混凝土，磚，雪，冰和泥漿;探測運動、探測遇險者的距離;在各種氣候情況下都可以工作;直觀而且簡便易學，不需要大量專門的培訓;對供電能源要求低;幾乎不需要進行系統(tǒng)維護;固件程序可以通過無線或有線網(wǎng)絡(luò)進行升級;不需要鉆孔，布置電纜和對環(huán)境進行靜音處理，使搜救工作變得簡單易行。在分秒必爭的營救工作中，生命偵測儀可以幫助搜救人員迅速準確安全地發(fā)現(xiàn)仍然存活的遇險者，從而為營救工作爭取到寶貴的時間。 生命探測儀把探頭深入廢墟內(nèi)的縫隙中，只能探測到很小的區(qū)域，而地震探測狗則可以在更大的區(qū)域內(nèi)迂回搜索。生命偵測儀實際上是一個呼吸和運動探測器。雷達信號發(fā)送器連續(xù)發(fā)射電磁信號，對一定空間進行掃描。

音頻生命探測儀的主要原理是采用幾個高靈敏度拾音器加上高倍信號放大、特殊濾波等技術(shù)偵聽廢墟瓦礫下是否有幸存者的呼吸聲、呻吟聲或敲擊刻劃聲等音頻和振動信息，以發(fā)現(xiàn)被掩埋在廢墟下面的人。但這種儀器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(yīng)用效果并不令人滿意。

紅外生命探測儀利用紅外輻射測量生命體溫，可以不必接觸被測生命體，測量距離可近到幾厘米，遠到幾十米。同樣這種儀器受環(huán)境影響很大。

雷達生命探測儀是近年來國內(nèi)外研究的熱點，它基于多普勒生物雷達原理。它發(fā)射能夠穿透非金屬建筑材料的超寬譜微波束，對廢墟下的空間進行掃描。這種特殊的高頻電磁波能夠被人體進行呼吸或心跳運動的胸廓表面反射，利用這些活動造成的反射波相位差來解析出心跳或呼吸等微弱信號，從而發(fā)現(xiàn)被掩埋的生命。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。

由于現(xiàn)有生命探測儀存在各種各樣的問題，因此急需開發(fā)一種能應(yīng)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(shù)為探討新型生命探測技術(shù)提供了可行的思路。

1 RFID交互式搜救儀器原理

射頻識別技術(shù)(Radio Frequency Identification，縮寫RFID)，射頻識別技術(shù)是20世紀90年代開始興起的一種自動識別技術(shù)，射頻識別技術(shù)是一項利用射頻信號通過空間耦合(交變磁場或電磁場)實現(xiàn)無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息達到識別目的的技術(shù)。從信息傳遞的基本原理來說，射頻識別技術(shù)在低頻段基于變壓器耦合模型(初級與次級之間的能量傳遞及信號傳遞)，在高頻段基于雷達探測目標的空間耦合模型(雷達發(fā)射電磁波信號碰到目標后攜帶目標信息返回雷達接收機)。1948年哈里斯托克曼發(fā)表的"利用反射功率的通信"奠定了射頻識別技術(shù)的理論基礎(chǔ)。

完整的RFID系統(tǒng)包括RFID數(shù)據(jù)采集端、標簽、讀寫器、天線、中間件或者接口、應(yīng)用系統(tǒng)等。狹義的RFID系統(tǒng)包括標簽、讀寫器和天線，由于生命探測器應(yīng)該為手持移動設(shè)備，故狹義RFID系統(tǒng)更適合應(yīng)用。本系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

2 交互式搜救儀器功能實現(xiàn)

2.1 RFID標簽的設(shè)計

由于災害的突發(fā)性、未知性，必須保證即使在日常生活中人們也要攜帶RFID標簽，而不是在災害發(fā)生后才去準備。因此設(shè)計能被大多數(shù)人接受的RFID標簽是這種生命探測儀普及的關(guān)鍵。目前大規(guī)模集成電路的工藝完全能將集成了脈搏傳感器的RFID標簽設(shè)計成具有很小體積的芯片，然后加上漂亮的外殼裝飾，完全能做成小工藝品的效果。這樣可作為隨身的配飾，例如像汽車電子鑰匙那樣掛在鑰匙鏈上，或者嵌入到皮帶扣或裝飾性的扣子內(nèi)。

根據(jù)標簽的供電形式，RFID系統(tǒng)可分為有源、無源和半有源系統(tǒng)。有源系統(tǒng)的標簽使用標簽內(nèi)部的電池來供電，主動發(fā)射信號，系統(tǒng)識別距離較長，可達幾十米甚至上百米。有源標簽的電池壽命理論上能夠達到3-5年，但是根據(jù)電池的質(zhì)量、使用的環(huán)境等因素，壽命會大幅縮減。無源射頻標簽不含電池，它利用讀寫器發(fā)射的電磁波進行耦合來為自己提供能量，它的重量輕、體積小，壽命可以非常長，成本低廉。可以制成各種各樣的薄卡或者掛扣卡，識別距離可達到十米左右。半有源系統(tǒng)的標簽帶有電池，但是電池只起到對標簽內(nèi)部電路供電的作用，標簽本身并不發(fā)射信號。

RFID標簽主要組成部分如圖2所示。其中無源模塊只負責接收激活信號，有源模塊負責與讀寫器通信。系統(tǒng)采用廣播方式激活標簽，當無源激活模塊檢測到激活信號后，獲取能量并將解調(diào)得到的數(shù)據(jù)進行校驗，確認是約定的激活信號后，邏輯控制電路生成有源待機模塊的數(shù)字電源開關(guān)控制信號。數(shù)字電源開關(guān)負責整個有源模塊供電的開和關(guān)，未接收到激活信號時，數(shù)字電源處于關(guān)閉狀態(tài)，整個有源模塊處于待機狀態(tài)，能耗極小;被無源模塊激活后，數(shù)字電源轉(zhuǎn)為開放狀態(tài)，有源模塊上電工作，采集人體的脈搏信息，同標識信息一起通過RF發(fā)射前端發(fā)往讀寫器。

2.2 讀寫器與RFID標簽交互的實現(xiàn)

讀寫器是地面搜救人員手持的移動終端，與RFID標簽的交互過程如圖3所示。它首先廣播無源模塊的激活信號，若在RFID有效射頻覆蓋區(qū)內(nèi)存在被掩埋的人員，掩埋人員身上的RFID標簽就激活有源模塊，主動發(fā)送求救信息：讀寫器接收到求救信息，判斷出掩埋人員的存活狀態(tài)，做出是否施救的決定。由于讀寫器和標簽共享同一無線信道，多個標簽也可能進入同一射頻覆蓋區(qū)，必然存在信道爭用問題，即會發(fā)生碰撞。利用排隊論及抗噪聲技術(shù)可實現(xiàn)防碰撞技術(shù)，本文采用了基于碼分多址的時隙ALOHA方法，當然還有許多研究者提出了新的有效算法可解決多標簽碰撞問題。若需要施救，則可進一步定位掩埋人員的位置，關(guān)于RFID定位，也已有比較成熟的算法可供使用。

讀寫器的天線有激活信號發(fā)射天線A和接收信號天線B之分，也可以為同一天線;讀寫器對激活信號具有控制功能，在收到某標簽返回的信號后可以繼續(xù)發(fā)送激活信號激活其它標簽，也可以停止發(fā)送激活信號;讀寫器應(yīng)能提供通用的接口模塊，如USb、rs232、SPI、無線網(wǎng)絡(luò)接口等，以便與PC或其它讀寫器進行通信;考慮到易操作性，讀寫器應(yīng)具有方便的人機交互界面，使用LCD彩色屏提供直觀的顯示功能及可視化的功能菜單界面，讀寫器的主要模塊構(gòu)成如圖4所示。

2.3 防碰撞算法

從讀寫器節(jié)點發(fā)送信息到各被搜救用戶節(jié)點，采用廣播方式，在UHF頻帶使用413.475MHz的頻率，占用100kHz的信道，讀寫器發(fā)送的任何信息，正常情況下各被搜救用戶終端控制器都能接收到。從各被搜救用戶節(jié)點到中央節(jié)點，采用隨機的競爭方式，以407.350MHz的頻率，也占用100kHz信道。如果各被搜救用戶不同時發(fā)送信息，讀寫器可以正確收到;如果各被搜救用戶同時發(fā)送信息，則會發(fā)生沖突，使信息不可識別，必須重發(fā)。

通過劃分相等的時間片，每個時間片對于一個幀，指定被搜救用戶在每個時間的開始端發(fā)送信息，每個時間片的長度，要合理設(shè)計。因為從各個被搜救用戶的報文分組到達讀寫器系統(tǒng)的傳輸延遲不同，最大的報文分組長度相關(guān)于第一個報文分組首部到達時刻與最后一個報文分組尾部到達時刻之時間差值，由這個先后到達的時間差值，選擇每個時間片的寬度。

3 結(jié)論

本文提出的基于RFID技術(shù)的交互式生命探測儀主要由攜帶在人身上的無源激活有待機源RFID標簽和救援人員手持可移動的嵌入式讀寫器組成。提出將當前流行的RFID技術(shù)應(yīng)用于生命探測領(lǐng)域，并分析了其可行性。給出了RFID標簽的幾種制作思路，使人們將RFID標簽作為佩飾隨身攜帶，更好地應(yīng)對突發(fā)性災難。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。當探測不到附近有激活信號時，切斷有源模塊的供電，使有源模塊處于待機狀態(tài)，基本沒有能耗;當探測到附近的激活信號，即救援人員在射頻覆蓋范圍內(nèi)時，給有源模塊供電，向讀寫器發(fā)射大功率的求救信號，合理利用了電池的有限能量。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，將更多的精力投入到對幸存者的救援工作中。設(shè)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。在不影響人們?nèi)粘Ｉ畹耐瑫r，通過RFID標簽的普及會極大地提高災后的搜救效率。