一種基于有源RFID技術(shù)的電動自行車防控系統(tǒng)

杜紅偉　葉學(xué)強　楊登輝　劉凱　周麗

摘 要：隨著電動自行車在人們生活中的普及，電動自行車的盜竊問題也越來越嚴重。為解決這一問題，文中提出了一種基于有源RFID技術(shù)的電動自行車防控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用有源RFID閱讀器、單頻有源RFID標(biāo)簽、攝像頭和上位機搭建的實驗系統(tǒng)，經(jīng)過測試證明，電瓶車行駛軌跡信息和圖像抓取實時、準確，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

關(guān)鍵詞：有源RFID閱讀器；單頻有源RFID標(biāo)簽；視頻抓拍；電動自行車防控系統(tǒng)

中圖分類號：TP271 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）10-00-02

0 引 言

一提到定位或位置信息實時追蹤，人們馬上就會想起GPS（全球定位系統(tǒng)）或者是中國北斗衛(wèi)星定位，并且隨著移動通信技術(shù)的發(fā)展，GPRS基站定位也越來越普及。但針對電動自行車防控，無論是GPS或GPRS都無法很好地滿足，GPS終端價格不菲并且低功耗指標(biāo)很差；GPRS又受到基站信號和SIM卡月租的限制，并且低功耗設(shè)計幾乎無法實現(xiàn)設(shè)備的小巧、便攜。而RFID作為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的一種，通過無線電訊號的方式識別特定目標(biāo)并獲取該目標(biāo)的相關(guān)信息，而無需直接接觸[1]。特別是最近幾年已經(jīng)成熟的有源RFID技術(shù)，利用微波2.4 G遠距離通信，方式靈活，應(yīng)用面廣。單頻有源RFID標(biāo)簽可以主動發(fā)射能量，與有源RFID閱讀器進行信息交換，通信距離遠。本文提出的一種新的電動自行車防控系統(tǒng)正是基于有源RFID技術(shù)。采用閱讀器、單頻標(biāo)簽、攝像頭和上位機組成的電動自行車防控系統(tǒng)，已經(jīng)實施并取得了很好的實際使用效果，對解決電動自行車防控[2]，具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 電動自行車防控系統(tǒng)設(shè)計

基于有源RFID技術(shù)的電動自行車防控系統(tǒng)，包括有源RFID閱讀器、單頻有源RFID標(biāo)簽、攝像頭及上位機。系統(tǒng)采用RFID自動識別技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)以及視頻圖像技術(shù)，在大區(qū)域范圍內(nèi)多個小區(qū)、市場、超市、學(xué)校、道路為基本防控區(qū)域，多個區(qū)域共同聯(lián)動部署有源RFID閱讀器設(shè)備，形成一張RFID電動自行車防控網(wǎng)，并結(jié)合視頻監(jiān)控系統(tǒng)，從而全面、有效的達到連點成片，平臺化檢測管理的目的。

電動自行車防控系統(tǒng)工作原理：在電動自行車上安裝RFID標(biāo)簽，整個防控網(wǎng)對每輛經(jīng)過的電動車進行RFID標(biāo)簽讀取和視頻聯(lián)動，發(fā)送到公安平臺進行車輛數(shù)據(jù)庫比對，若為報失車輛，公安平臺立即對該車輛進行軌跡跟蹤，加速電動車失竊案件的偵破。從而解決電動自行車身份管理、車輛防盜等問題。

圖1 電動自行車行駛軌跡圖

2 系統(tǒng)射頻電路參數(shù)設(shè)計

根據(jù)經(jīng)典的無線傳輸模型公式[2]：

（1）

其中， Pr為閱讀器的接收功率， Pt為有源RFID標(biāo)簽的發(fā)射功率，Gt和Gr分別為發(fā)射天線和接收天線增益， L為路徑衰耗，λ為波長，可以看出：假設(shè)發(fā)射機的功率是等同的，發(fā)射頻率越低，理論上可獲得越大的接收功率。但由于天線尺寸的限制，太低的頻率無法滿足遠距離數(shù)據(jù)通信需求；本系統(tǒng)利用微波2.4G實現(xiàn)電動自行車的防控，天線將變得較小，波長較短，直線傳輸性能優(yōu)秀，但接收功率變小，會影響到標(biāo)簽的有效讀取距離，這就需要在整個系統(tǒng)設(shè)計之初，對射頻電路的參數(shù)做一個合理的設(shè)計。

在離有源RFID標(biāo)簽距離為d的閱讀器處的功率密度S為：

（2）

式中，Pt和Gt分別為標(biāo)簽的發(fā)射功率和發(fā)射天線增益，EIRP為標(biāo)簽發(fā)射天線的有效輻射功率，是指標(biāo)簽發(fā)射功率與天線增益的乘積。

當(dāng)有源閱讀器的天線與標(biāo)簽發(fā)射天線處于最佳對準和正確極化時，閱讀器天線可吸收的最大功率與入射波的功率密度S成正比。閱讀器接收到的功率Pr可表示為：

Pr=AeS （3）

其中，Ae為天線有效的輻射范圍為，Gr為閱讀器的天線增益。

由式（2）和式（3）可得：

（4）

式（4）表明，在電動自行車防控系統(tǒng)中，閱讀器接收到的功率和它與標(biāo)簽的距離成反比，當(dāng)其接收到的功率小于它的接受靈敏度時，就無法識別接收到的是有用信號還是外界環(huán)境的噪聲干擾，即無法實現(xiàn)無線通信[3]。

根據(jù)自由空間的路徑損耗Ld計算公式：

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

Loss是無線傳播整個路徑上的損耗，單位是dB。d是無線通信的理想距離，單位是km。f是電動自行車防控系統(tǒng)的工作頻率，單位是MHz。在知道工作頻率和通信距離的情況下，可以計算出整個通信路徑上的理想損耗。

接收機基底噪聲功率的計算公式為：

Pn=K·T·B （6）

其中，K為波爾茲曼常數(shù)，其值為1.38×10-23J/K，T為接收機的工作溫度，一般取常溫 300 K（27C°），B為閱讀器工作帶寬。在電動自行車防控系統(tǒng)計算時，B取為1 MHz。由式（6）計算接收機的基底噪聲。

理論上靈敏度的計算公式：

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

其中，NF為接收機的噪聲系統(tǒng)，SNRmin為基帶部分的解調(diào)門限，對于接收電路，當(dāng)誤碼率BER<5×10-3時，Eb/No>15.6dB，則對應(yīng)的最小基帶輸入端的信噪比大于11.6dB[4]。

本系統(tǒng)工作頻段為2.4 G，空中通信速率為1 Mb/s，標(biāo)簽發(fā)射功率為4 dbm，發(fā)射天線增益2 dbi，閱讀器接收靈敏度為-84 dbm@1Mb/s，接收天線增益為12 dbi。通過式（5）、式（7）可以計算出理論電動自行車防控系統(tǒng)的通信距離為200米，實際測試通信距離為150米，和理論設(shè)計接近。

3 標(biāo)簽低功耗設(shè)計

單頻有源RFID標(biāo)簽采用周期喚醒方式與閱讀器進行通信，發(fā)射完畢后并不會與閱讀器進行應(yīng)答確認，立即進入深睡眠模式[5]，為保證通信的有效性和標(biāo)簽讀取速率，必須進行標(biāo)簽防碰撞和通信時槽算法優(yōu)化。

如圖2所示的標(biāo)簽低功耗時序，標(biāo)簽從深睡眠到t1喚醒，進行初始化，從t1到t2時刻是SPI數(shù)據(jù)通信，為降低功耗將MCU的時鐘從16 MHZ降到2 MHZ，很明顯的可以看出從t1到t2時刻的功耗有一個明顯的下降。從t2到t3時刻是標(biāo)簽射頻發(fā)射時間，優(yōu)化時槽將發(fā)射時間縮短到300 us，雖然發(fā)射電流達到10 mA，單整個周期內(nèi)標(biāo)簽的平均電流維持在一個很低的數(shù)值。

圖2 標(biāo)簽低功耗時序

標(biāo)簽的低功耗設(shè)計一方面是軟件低功耗設(shè)計，優(yōu)化時槽和沖突檢測算法硬件方面采用業(yè)界公認的低功耗NORDIC微處理器，待機電流只有1.5 uA，最大工作電流10 mA，采用單顆2450紐扣電池供電，使用壽命5年左右。

4 結(jié) 語

本文提出了基于有源RFID技術(shù)的電動自行車防控系統(tǒng)，重點講解了系統(tǒng)射頻電路參數(shù)設(shè)計和標(biāo)簽的低功耗設(shè)計。可以通過所述的電動自行車防控系統(tǒng)進行電動自行車的安全管理，通過上位機服務(wù)器管理每一個攜帶單頻有源標(biāo)簽的電動自行車，包括電動自行車的行駛軌跡和行駛過關(guān)鍵卡口的視頻信息，此舉可以節(jié)約人力成本、增加電動自行車被盜找回率，具有很高的應(yīng)用前景和社會價值。

參考文獻

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[5] 楊登輝.無線遠傳抄表系統(tǒng)的手持機設(shè)計與實現(xiàn)[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2013.