基于半有源RFID技术的人员跟踪定位系统

陈军慧+杨登辉+黄慧冬

摘 要： 针对人们对特殊复杂环境下信息安全和人员管理的实际需求，而传统GPS定位技术在无法满足实时、高精度定位的问题，提出了一种基于半有源RFID技术的人员跟踪定位方法。设计并开发出的125 kHz低频激励器，激励半径1～10 m可调，激励区域边沿控制达到分米级。采用低频激励器、RFID阅读器和双频标签搭建的实验系统经过测试，系统稳定可靠，人员定位跟踪信息实时、准确。

关键词： 半有源RFID； 低频激励器； 双频RFID标签； 人员定位跟踪

中图分类号： TN964?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）18?0130?03

Personnel tracking and positioning system based on semi?active RFID technology

CHEN Jun?hui1， YANG Deng?hui1， HUANG Hui?dong2

（1. No. 52 Research Institute， China Electronics Technology Group Corporation， Hangzhou 310012， China；

2. Automation College， Hangzhou Dianzi University， Hangzhou 310018， China）

Abstract： Aiming at the practical needs for information security and personnel management under special complex environment， a staff tracking and positioning method based on semi?active RFID technology is proposed because the traditional GPS positioning technology can not meet the high?precision real?time positioning. A 125 Khz low?frequency exciter with adjustable excitation radius of 1～10 m and excitation region edge control of decimeter level was designed. The experimental system constructed by low?frequency actuator， RFID reader and dual?frequency RFID tags was tested. The test result show that the experimental system based on semi?active RFID technology is stable and its tracking information is real?time and accurate.

Keywords： semi?active RFID； LF exciter； dual?frequency RFID tag； personnel positioning and tracking

0 引 言

RFID（Radio Frequency Identification，射频识别）技术[1]，又称无线射频识别，是一种通信技术，可通过无线电信号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。根据频段可分为低频（125～134.2 kHz）、高频（13.56 MHz）、超高频，微波；而根据产品形态又可以分为无源RFID、有源RFID和半有源RFID。无源RFID产品发展最早，也是发展最成熟，比如，公交卡、银行卡、门禁卡、二代身份证等；有源RFID产品，是最近几年慢慢发展起来的，其远距离自动识别的特性，决定了其巨大的应用空间和市场潜质，如智能交通，物联网等领域有重大应用；近两年刚刚起步的半有源RFID技术[2]，结合有源RFID及无源RFID的优势，利用低频近距离精确定位，微波远距离识别和上传数据。本文提出的一种新的人员跟踪定位方法正是基于半有源RFID技术，采用阅读器和低频激励器以及双频标签组成的人员跟踪定位系统，已经实施并取得了很好的实际使用效果，对解决室内或矿井等复杂环境的人员跟踪定位，具有很高的应用前景。

1 人员跟踪定位系统设计

基于半有源RFID技术的人员跟踪定位系统是由有源RFID阅读器、125 kHz低频激励器以及有源RFID双频标签共同组成的。如图1所示，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，2.4 GHz开始工作。当标签成功接收到激励信息后，由被动态变为主动态（被动态指的是标签处于125 kHz接收状态；主动态指2.4 GHz发射并接收状态），同时将带有激励标识和激励器ID信息发送给有源RFID阅读器，有源RFID阅读器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判断标签的实时位置[3]。在低频125 kHz低频激励器激励双频标签时，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125 kHz载波上形成激励信号，并按照一定周期不断地向外发送，双频标签进入激励区即被唤醒。

在无线通信链路上有125 kHz低频和2.4 GHz两个频段，低频125 kHz主要是做激励区域控制，2.4 GHz做数据、信息传递。低频125 kHz作低频触发有很明显的优势：

（1） 该频段的波长大约为2 500 m，除了金属材料影响外，一般能够穿过任意材料的物品而不降低它的读取距离；

（2） 该频段的磁场区域下降很快，能够产生相对均匀的读写区域，边沿控制能达到分米级别。

同样低频的致命缺陷是相对于其他频段，该频段数据传输速率比较慢，不适合做大数据量的信息无线传输。

2.4 GHz频段有很好的读取距离，但是对读取区域很难进行定义；有很高的数据传输速率，在很短的时间可以读取大量的电子标签，但由于波长短绕射能力差不能通过许多材料，特别是金属、液体、灰尘、雾等悬浮颗粒物质，复杂环境下距离下降快，读卡能力大打折扣甚至读取不到标签。本文提出的人员跟踪定位方法将两者优点相结合，摒弃其缺点，根据室内或矿井等复杂环境可以多布置RFID阅读器保证人员实时跟踪定位[4]。

图1 人员跟踪定位系统示意图

2 125 kHz低频激励的工作原理

125 kHz低频激励技术作为本文人员跟踪定位方法的核心技术，激励区域的边沿控制是决定定位是否准确的前提，但激励区域大小直接决定着定位能否实现。虽然低频波长长，区域控制好，但低频另外一个缺点就是不容易发射，也就是说激励距离很难做远。现在市场上低频激励最成熟的产品是汽车PKE钥匙[5]，距离车子3 m左右的位置实现开、锁门。本文中的低频激励器工作原理和PKE钥匙大致相同，不同的是汽车钥匙是主动发射125 kHz信号，车子接收，虽然钥匙很小但车子的接收天线可以做的很大，这样就能实现远距离通信。本文中的低频激励技术是激励器不断发射125 kHz调制信号，标签处于被动接收125 kHz信号状态。双频标签由于大小、厚度、美观的限制，要小巧便携，这样标签的接收天线不可能做得很大，要提高通信距离就只能提高激励器发射信号的功率。如图2所示是全桥式放大发射电路，MCU产生两路125 kHz的PWM信号，经过桥式电路放大，最终经天线发射出去[6]。

图2 全桥式放大发射电路

采用集成驱动芯片搭建的桥式驱动电路，当驱动芯片使能端EN有效时，输出端HO和LO的波形分别与PWM波形逻辑相反，幅值放大到VCC。当PWM为高时，HO，LO输出为低，负载（谐振电路）上获得正半周信号。同理，当PWM为低时，负载（谐振电路）上获得负半周信号。理想情况下，设MOS管的UCES=0，则输出的最大功率公式如下：

[PO=12V2CCRL] （1）

桥式放大电路[7]其实质就是一个由L，C组成的振荡选频电路，所谓选频就是选出需要的频率分量并且滤除不需要的频率分量。选频网络根据不同应用目的大致分为振荡电路和滤波电路两大类。本文中的振荡电路是串联谐振方式，串联谐振电路等效模型如图3所示，谐振条件[ωL-1ωC=0]，回路电流[I=IO=VSR]达到最大且与电压源同相，谐振时回路呈现纯电阻特性。

图3 串联谐振模型

串联谐振电路品质因数即谐振时回路感抗值（或容抗值）与回路电阻R的比值，以Q表示，它表示回路损耗的大小：

[Q=ω0LR=1ω0CR=1RLC] （2）

谐振电流另外一个很重要的参数就是失谐系数，公式如式（3）、式（4）所示，它是表示回路失谐大小的量，其定义为：

[ξ=XR=ωL-1ωCR=ω0LRωω0-ω0ω=Q0ωω0-ω0ω] （3）

式中X为失谐时的阻抗。

当[ω≈ω0]，即失谐不大时：

[ξ≈Q0?2Δωω0=Q0?2Δff0] （4）

当谐振时：[ξ=0]。

谐振曲线即串联谐振回路中电流幅值与外加电动势频率之间的关系，用N（f）表示谐振曲线的函数，公式如式（5），曲线如图4所示，改变频率，回路电流I下降到Io的[12]时所对应的频率范围称为谐振回路的通频带，用B表示，公式如式（6）：

[N（f）=VSR+j（ωL-1ωC）VSR=11+ωL-ωCR=11+jξ] （5）

[B=2Δω0.7=f0Q] （6）

图4 Q值与谐振曲线关系

3 125 kHz通信链路

低频激励器以OOK调制模式向双频标签发送激励信号，数据编码采用曼彻斯特编码方式，数率接近3 000 b/s，波形如图5和图6所示，数据包前导至少由3个3 000 μs周期的脉冲构成，如果有多个数据包发送，在数据包之间必须插入2个3 000 μs的隔离周期。

4 结 语

本文提出了基于半有源RFID技术的人员跟踪定位系统，重点讲解了125 kHz低频激励器的工作原理和实现电路。整个系统主要解决室内或矿井等复杂环境的人员跟踪定位，低频激励区域可精确控制，定位实时准确，具有很高的应用前景和社会价值。

图5 OOK数据包格式

图6 谐振电流波形图

参考文献

[1] FINKENZELLER Klaus.射频识别技术[M].北京：电子工业出版社，2006.

[2] 翁凯利，武岳山.潜力巨大的有源三元双频RFID系统[J].中国自动识别技术，2006（3）：42?44.

[3] 张颖，李凯，王建伟.一种有源RFID局域定位系统设计[J].电子设计工程，2012（5）：68?70.

[4] 张长森，李赓.基于RFID的矿井人员定位系统设计[J].河南理工大学学报，2009（6）：724?728.

[5] Microchip Technology Inc. Passive keyless entry （PKE） reference design user's manual [M]. USA： Microchip Technology Inc， 2006.

[6] SCHARFELDT S M， AHLKVIST T. An analysis of the fundamental constraints on low?cost passive radio?frequency identification system design [D]. USA： Department of Mechanical Engineering， Massachusetts Institute of Technology， 2001.

[7] 罗振中，洪澜.模拟电子技术[M].北京：清华大学出版社，2005.

（2） 该频段的磁场区域下降很快，能够产生相对均匀的读写区域，边沿控制能达到分米级别。

同样低频的致命缺陷是相对于其他频段，该频段数据传输速率比较慢，不适合做大数据量的信息无线传输。

2.4 GHz频段有很好的读取距离，但是对读取区域很难进行定义；有很高的数据传输速率，在很短的时间可以读取大量的电子标签，但由于波长短绕射能力差不能通过许多材料，特别是金属、液体、灰尘、雾等悬浮颗粒物质，复杂环境下距离下降快，读卡能力大打折扣甚至读取不到标签。本文提出的人员跟踪定位方法将两者优点相结合，摒弃其缺点，根据室内或矿井等复杂环境可以多布置RFID阅读器保证人员实时跟踪定位[4]。

图1 人员跟踪定位系统示意图

2 125 kHz低频激励的工作原理

125 kHz低频激励技术作为本文人员跟踪定位方法的核心技术，激励区域的边沿控制是决定定位是否准确的前提，但激励区域大小直接决定着定位能否实现。虽然低频波长长，区域控制好，但低频另外一个缺点就是不容易发射，也就是说激励距离很难做远。现在市场上低频激励最成熟的产品是汽车PKE钥匙[5]，距离车子3 m左右的位置实现开、锁门。本文中的低频激励器工作原理和PKE钥匙大致相同，不同的是汽车钥匙是主动发射125 kHz信号，车子接收，虽然钥匙很小但车子的接收天线可以做的很大，这样就能实现远距离通信。本文中的低频激励技术是激励器不断发射125 kHz调制信号，标签处于被动接收125 kHz信号状态。双频标签由于大小、厚度、美观的限制，要小巧便携，这样标签的接收天线不可能做得很大，要提高通信距离就只能提高激励器发射信号的功率。如图2所示是全桥式放大发射电路，MCU产生两路125 kHz的PWM信号，经过桥式电路放大，最终经天线发射出去[6]。

图2 全桥式放大发射电路

采用集成驱动芯片搭建的桥式驱动电路，当驱动芯片使能端EN有效时，输出端HO和LO的波形分别与PWM波形逻辑相反，幅值放大到VCC。当PWM为高时，HO，LO输出为低，负载（谐振电路）上获得正半周信号。同理，当PWM为低时，负载（谐振电路）上获得负半周信号。理想情况下，设MOS管的UCES=0，则输出的最大功率公式如下：

[PO=12V2CCRL] （1）

桥式放大电路[7]其实质就是一个由L，C组成的振荡选频电路，所谓选频就是选出需要的频率分量并且滤除不需要的频率分量。选频网络根据不同应用目的大致分为振荡电路和滤波电路两大类。本文中的振荡电路是串联谐振方式，串联谐振电路等效模型如图3所示，谐振条件[ωL-1ωC=0]，回路电流[I=IO=VSR]达到最大且与电压源同相，谐振时回路呈现纯电阻特性。

图3 串联谐振模型

串联谐振电路品质因数即谐振时回路感抗值（或容抗值）与回路电阻R的比值，以Q表示，它表示回路损耗的大小：

[Q=ω0LR=1ω0CR=1RLC] （2）

谐振电流另外一个很重要的参数就是失谐系数，公式如式（3）、式（4）所示，它是表示回路失谐大小的量，其定义为：

[ξ=XR=ωL-1ωCR=ω0LRωω0-ω0ω=Q0ωω0-ω0ω] （3）

式中X为失谐时的阻抗。

当[ω≈ω0]，即失谐不大时：

[ξ≈Q0?2Δωω0=Q0?2Δff0] （4）

当谐振时：[ξ=0]。

谐振曲线即串联谐振回路中电流幅值与外加电动势频率之间的关系，用N（f）表示谐振曲线的函数，公式如式（5），曲线如图4所示，改变频率，回路电流I下降到Io的[12]时所对应的频率范围称为谐振回路的通频带，用B表示，公式如式（6）：

[N（f）=VSR+j（ωL-1ωC）VSR=11+ωL-ωCR=11+jξ] （5）

[B=2Δω0.7=f0Q] （6）

图4 Q值与谐振曲线关系

3 125 kHz通信链路

低频激励器以OOK调制模式向双频标签发送激励信号，数据编码采用曼彻斯特编码方式，数率接近3 000 b/s，波形如图5和图6所示，数据包前导至少由3个3 000 μs周期的脉冲构成，如果有多个数据包发送，在数据包之间必须插入2个3 000 μs的隔离周期。

4 结 语

本文提出了基于半有源RFID技术的人员跟踪定位系统，重点讲解了125 kHz低频激励器的工作原理和实现电路。整个系统主要解决室内或矿井等复杂环境的人员跟踪定位，低频激励区域可精确控制，定位实时准确，具有很高的应用前景和社会价值。

图5 OOK数据包格式

图6 谐振电流波形图

参考文献

[1] FINKENZELLER Klaus.射频识别技术[M].北京：电子工业出版社，2006.

[2] 翁凯利，武岳山.潜力巨大的有源三元双频RFID系统[J].中国自动识别技术，2006（3）：42?44.

[3] 张颖，李凯，王建伟.一种有源RFID局域定位系统设计[J].电子设计工程，2012（5）：68?70.

[4] 张长森，李赓.基于RFID的矿井人员定位系统设计[J].河南理工大学学报，2009（6）：724?728.

[5] Microchip Technology Inc. Passive keyless entry （PKE） reference design user's manual [M]. USA： Microchip Technology Inc， 2006.

[6] SCHARFELDT S M， AHLKVIST T. An analysis of the fundamental constraints on low?cost passive radio?frequency identification system design [D]. USA： Department of Mechanical Engineering， Massachusetts Institute of Technology， 2001.

[7] 罗振中，洪澜.模拟电子技术[M].北京：清华大学出版社，2005.

（2） 该频段的磁场区域下降很快，能够产生相对均匀的读写区域，边沿控制能达到分米级别。

同样低频的致命缺陷是相对于其他频段，该频段数据传输速率比较慢，不适合做大数据量的信息无线传输。

2.4 GHz频段有很好的读取距离，但是对读取区域很难进行定义；有很高的数据传输速率，在很短的时间可以读取大量的电子标签，但由于波长短绕射能力差不能通过许多材料，特别是金属、液体、灰尘、雾等悬浮颗粒物质，复杂环境下距离下降快，读卡能力大打折扣甚至读取不到标签。本文提出的人员跟踪定位方法将两者优点相结合，摒弃其缺点，根据室内或矿井等复杂环境可以多布置RFID阅读器保证人员实时跟踪定位[4]。

图1 人员跟踪定位系统示意图

2 125 kHz低频激励的工作原理

125 kHz低频激励技术作为本文人员跟踪定位方法的核心技术，激励区域的边沿控制是决定定位是否准确的前提，但激励区域大小直接决定着定位能否实现。虽然低频波长长，区域控制好，但低频另外一个缺点就是不容易发射，也就是说激励距离很难做远。现在市场上低频激励最成熟的产品是汽车PKE钥匙[5]，距离车子3 m左右的位置实现开、锁门。本文中的低频激励器工作原理和PKE钥匙大致相同，不同的是汽车钥匙是主动发射125 kHz信号，车子接收，虽然钥匙很小但车子的接收天线可以做的很大，这样就能实现远距离通信。本文中的低频激励技术是激励器不断发射125 kHz调制信号，标签处于被动接收125 kHz信号状态。双频标签由于大小、厚度、美观的限制，要小巧便携，这样标签的接收天线不可能做得很大，要提高通信距离就只能提高激励器发射信号的功率。如图2所示是全桥式放大发射电路，MCU产生两路125 kHz的PWM信号，经过桥式电路放大，最终经天线发射出去[6]。

图2 全桥式放大发射电路

采用集成驱动芯片搭建的桥式驱动电路，当驱动芯片使能端EN有效时，输出端HO和LO的波形分别与PWM波形逻辑相反，幅值放大到VCC。当PWM为高时，HO，LO输出为低，负载（谐振电路）上获得正半周信号。同理，当PWM为低时，负载（谐振电路）上获得负半周信号。理想情况下，设MOS管的UCES=0，则输出的最大功率公式如下：

[PO=12V2CCRL] （1）

桥式放大电路[7]其实质就是一个由L，C组成的振荡选频电路，所谓选频就是选出需要的频率分量并且滤除不需要的频率分量。选频网络根据不同应用目的大致分为振荡电路和滤波电路两大类。本文中的振荡电路是串联谐振方式，串联谐振电路等效模型如图3所示，谐振条件[ωL-1ωC=0]，回路电流[I=IO=VSR]达到最大且与电压源同相，谐振时回路呈现纯电阻特性。

图3 串联谐振模型

串联谐振电路品质因数即谐振时回路感抗值（或容抗值）与回路电阻R的比值，以Q表示，它表示回路损耗的大小：

[Q=ω0LR=1ω0CR=1RLC] （2）

谐振电流另外一个很重要的参数就是失谐系数，公式如式（3）、式（4）所示，它是表示回路失谐大小的量，其定义为：

[ξ=XR=ωL-1ωCR=ω0LRωω0-ω0ω=Q0ωω0-ω0ω] （3）

式中X为失谐时的阻抗。

当[ω≈ω0]，即失谐不大时：

[ξ≈Q0?2Δωω0=Q0?2Δff0] （4）

当谐振时：[ξ=0]。

谐振曲线即串联谐振回路中电流幅值与外加电动势频率之间的关系，用N（f）表示谐振曲线的函数，公式如式（5），曲线如图4所示，改变频率，回路电流I下降到Io的[12]时所对应的频率范围称为谐振回路的通频带，用B表示，公式如式（6）：

[N（f）=VSR+j（ωL-1ωC）VSR=11+ωL-ωCR=11+jξ] （5）

[B=2Δω0.7=f0Q] （6）

图4 Q值与谐振曲线关系

3 125 kHz通信链路

低频激励器以OOK调制模式向双频标签发送激励信号，数据编码采用曼彻斯特编码方式，数率接近3 000 b/s，波形如图5和图6所示，数据包前导至少由3个3 000 μs周期的脉冲构成，如果有多个数据包发送，在数据包之间必须插入2个3 000 μs的隔离周期。

4 结 语

本文提出了基于半有源RFID技术的人员跟踪定位系统，重点讲解了125 kHz低频激励器的工作原理和实现电路。整个系统主要解决室内或矿井等复杂环境的人员跟踪定位，低频激励区域可精确控制，定位实时准确，具有很高的应用前景和社会价值。

图5 OOK数据包格式

图6 谐振电流波形图

参考文献

[1] FINKENZELLER Klaus.射频识别技术[M].北京：电子工业出版社，2006.

[2] 翁凯利，武岳山.潜力巨大的有源三元双频RFID系统[J].中国自动识别技术，2006（3）：42?44.

[3] 张颖，李凯，王建伟.一种有源RFID局域定位系统设计[J].电子设计工程，2012（5）：68?70.

[4] 张长森，李赓.基于RFID的矿井人员定位系统设计[J].河南理工大学学报，2009（6）：724?728.

[5] Microchip Technology Inc. Passive keyless entry （PKE） reference design user's manual [M]. USA： Microchip Technology Inc， 2006.

[6] SCHARFELDT S M， AHLKVIST T. An analysis of the fundamental constraints on low?cost passive radio?frequency identification system design [D]. USA： Department of Mechanical Engineering， Massachusetts Institute of Technology， 2001.

[7] 罗振中，洪澜.模拟电子技术[M].北京：清华大学出版社，2005.