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一种基于有源RFID技术的电动自行车防控系统

2015-11-10杜红伟叶学强杨登辉刘凯周丽

物联网技术 2015年10期

杜红伟 叶学强 杨登辉 刘凯 周丽

摘 要:随着电动自行车在人们生活中的普及,电动自行车的盗窃问题也越来越严重。为解决这一问题,文中提出了一种基于有源RFID技术的电动自行车防控系统。该系统采用有源RFID阅读器、单频有源RFID标签、摄像头和上位机搭建的实验系统,经过测试证明,电瓶车行驶轨迹信息和图像抓取实时、准确,系统稳定可靠。

关键词:有源RFID阅读器;单频有源RFID标签;视频抓拍;电动自行车防控系统

中图分类号:TP271 文献标识码:A 文章编号:2095-1302(2015)10-00-02

0 引 言

一提到定位或位置信息实时追踪,人们马上就会想起GPS(全球定位系统)或者是中国北斗卫星定位,并且随着移动通信技术的发展,GPRS基站定位也越来越普及。但针对电动自行车防控,无论是GPS或GPRS都无法很好地满足,GPS终端价格不菲并且低功耗指标很差;GPRS又受到基站信号和SIM卡月租的限制,并且低功耗设计几乎无法实现设备的小巧、便携。而RFID作为物联网技术的一种,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]。特别是最近几年已经成熟的有源RFID技术,利用微波2.4 G远距离通信,方式灵活,应用面广。单频有源RFID标签可以主动发射能量,与有源RFID阅读器进行信息交换,通信距离远。本文提出的一种新的电动自行车防控系统正是基于有源RFID技术。采用阅读器、单频标签、摄像头和上位机组成的电动自行车防控系统,已经实施并取得了很好的实际使用效果,对解决电动自行车防控[2],具有广阔的应用前景。

1 电动自行车防控系统设计

基于有源RFID技术的电动自行车防控系统,包括有源RFID阅读器、单频有源RFID标签、摄像头及上位机。系统采用RFID自动识别技术、网络通信技术以及视频图像技术,在大区域范围内多个小区、市场、超市、学校、道路为基本防控区域,多个区域共同联动部署有源RFID阅读器设备,形成一张RFID电动自行车防控网,并结合视频监控系统,从而全面、有效的达到连点成片,平台化检测管理的目的。

电动自行车防控系统工作原理:在电动自行车上安装RFID标签,整个防控网对每辆经过的电动车进行RFID标签读取和视频联动,发送到公安平台进行车辆数据库比对,若为报失车辆,公安平台立即对该车辆进行轨迹跟踪,加速电动车失窃案件的侦破。从而解决电动自行车身份管理、车辆防盗等问题。

图1 电动自行车行驶轨迹图

2 系统射频电路参数设计

根据经典的无线传输模型公式[2]:

(1)

其中, Pr为阅读器的接收功率, Pt为有源RFID标签的发射功率,Gt和Gr分别为发射天线和接收天线增益, L为路径衰耗,λ为波长,可以看出:假设发射机的功率是等同的,发射频率越低,理论上可获得越大的接收功率。但由于天线尺寸的限制,太低的频率无法满足远距离数据通信需求;本系统利用微波2.4G实现电动自行车的防控,天线将变得较小,波长较短,直线传输性能优秀,但接收功率变小,会影响到标签的有效读取距离,这就需要在整个系统设计之初,对射频电路的参数做一个合理的设计。

在离有源RFID标签距离为d的阅读器处的功率密度S为:

(2)

式中,Pt和Gt分别为标签的发射功率和发射天线增益,EIRP为标签发射天线的有效辐射功率,是指标签发射功率与天线增益的乘积。

当有源阅读器的天线与标签发射天线处于最佳对准和正确极化时,阅读器天线可吸收的最大功率与入射波的功率密度S成正比。阅读器接收到的功率Pr可表示为:

Pr=AeS (3)

其中,Ae为天线有效的辐射范围为,Gr为阅读器的天线增益。

由式(2)和式(3)可得:

(4)

式(4)表明,在电动自行车防控系统中,阅读器接收到的功率和它与标签的距离成反比,当其接收到的功率小于它的接受灵敏度时,就无法识别接收到的是有用信号还是外界环境的噪声干扰,即无法实现无线通信[3]。

根据自由空间的路径损耗Ld计算公式:

Ld(dB)=32.44(dB)+20lgf(MHz)+20lgd(km) (5)

Loss是无线传播整个路径上的损耗,单位是dB。d是无线通信的理想距离,单位是km。f是电动自行车防控系统的工作频率,单位是MHz。在知道工作频率和通信距离的情况下,可以计算出整个通信路径上的理想损耗。

接收机基底噪声功率的计算公式为:

Pn=K·T·B (6)

其中,K为波尔兹曼常数,其值为1.38×10-23J/K,T为接收机的工作温度,一般取常温 300 K(27C°),B为阅读器工作带宽。在电动自行车防控系统计算时,B取为1 MHz。由式(6)计算接收机的基底噪声。

理论上灵敏度的计算公式:

Pmin(dBm)=Pn(dBm)+NF(dB)+SNRmin(dB) (7)

其中,NF为接收机的噪声系统,SNRmin为基带部分的解调门限,对于接收电路,当误码率BER<5×10-3时,Eb/No>15.6dB,则对应的最小基带输入端的信噪比大于11.6dB[4]。

本系统工作频段为2.4 G,空中通信速率为1 Mb/s,标签发射功率为4 dbm,发射天线增益2 dbi,阅读器接收灵敏度为-84 dbm@1Mb/s,接收天线增益为12 dbi。通过式(5)、式(7)可以计算出理论电动自行车防控系统的通信距离为200米,实际测试通信距离为150米,和理论设计接近。

3 标签低功耗设计

单频有源RFID标签采用周期唤醒方式与阅读器进行通信,发射完毕后并不会与阅读器进行应答确认,立即进入深睡眠模式[5],为保证通信的有效性和标签读取速率,必须进行标签防碰撞和通信时槽算法优化。

如图2所示的标签低功耗时序,标签从深睡眠到t1唤醒,进行初始化,从t1到t2时刻是SPI数据通信,为降低功耗将MCU的时钟从16 MHZ降到2 MHZ,很明显的可以看出从t1到t2时刻的功耗有一个明显的下降。从t2到t3时刻是标签射频发射时间,优化时槽将发射时间缩短到300 us,虽然发射电流达到10 mA,单整个周期内标签的平均电流维持在一个很低的数值。

图2 标签低功耗时序

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,待机电流只有1.5 uA,最大工作电流10 mA,采用单颗2450纽扣电池供电,使用寿命5年左右。

4 结 语

本文提出了基于有源RFID技术的电动自行车防控系统,重点讲解了系统射频电路参数设计和标签的低功耗设计。可以通过所述的电动自行车防控系统进行电动自行车的安全管理,通过上位机服务器管理每一个携带单频有源标签的电动自行车,包括电动自行车的行驶轨迹和行驶过关键卡口的视频信息,此举可以节约人力成本、增加电动自行车被盗找回率,具有很高的应用前景和社会价值。

参考文献

[1] Klaus Finkenzeller,吴晓峰,陈大才.射频识别技术[M].北京:电子工业出版社,2006.

[2] 陈邦媛.射频通信电路[M].北京:科学出版社,2002:136-153.

[3] 孙利民.无线传感网络[M].北京:清华大学出版社,2005:16-20.

[4] Kyung H.Park, Tae Y.Kang, Yoon H.choi.900MHz Passive RFID Reader Transceiver IC [S]. Proceedings of the 36th European Microwave conference, September 2006, Manchester UK.

[5] 杨登辉.无线远传抄表系统的手持机设计与实现[D].西安:西安电子科技大学,2013.