一种基于有源RFID技术的电动自行车防控系统

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.