健身步道的RFID管理系統的構建

張驚雷,王勇

（1.南京工業職業技術學院，江蘇南京，210046；2. 南京郵電大學，江蘇南京，210023）

0 引言

山地運動步道管理系統，利用物聯網技術，對健身運動進行團體管理，包括運動量管理、環境管理、健康監測、運動處方推薦等。管理對象分為兩個層次的會員和公眾（發放臨時IFRD卡），會員將建立會員檔案，包括身體重量、身體素質、體育歷史信息記錄，給健康鍛煉建議。

1 系統硬件結構設計

管理系統由入口管理模塊、出口管理模塊、管理服務器、多個臨時節點和管理中途點、通信網絡組成，如圖1所示。入口管理包括RFID卡的管理和分發、測試和發布溫度、濕度、天氣和空氣質量等環境信息。

圖1 系統硬件結構

在臨時休息節點中，將進入管理范圍的健身人員（用ID號）運動信息、環境信息等發布顯示屏上。除了具有臨時節點功能之外，半路管理點可以提供休息，測量裝置的可測試血氧、心肺功能、吸氧等生理參數。將測試數據自動記錄到用戶的RFID卡中。休息的地方有飲用水、緊急藥品等。

出口管理包括RFID卡收集、從管理服務器讀取信息和生成體育報告。

管理服務器主要收集每個站點的信息、GIS服務操作，并根據環境信息和用戶的移動線路計算運動量。記錄人員的運動過程，結合運動專家管理系統生成用戶運動報告。

每個站點讀取器會自動向電子標簽(tag)發送命令，以建立彼此之間的通信。當遇到多個標簽沖突時，防碰撞算法區分開來，以便進行讀寫操作。標簽可以在較大的范圍內和多個標簽中進行識別。

模塊和功能如圖2所示。

2 管理系統的軟件設計

該系統的應用軟件主要由三部分組成：現場應用處理程序、通信程序和服務器應用程序。

現場應用處理程序完成環境溫度、濕度、空氣污染數據的采集和顯示，完成身份標簽信息的訪問，將身份信息和節點編號上傳到服務器，從服務器進行數據讀取處理，發送大屏幕顯示。測試采集在管理節點的人體生理參數的血壓、脈搏、體溫、血氧量等信息含上傳到服務器保存歷史數據（如圖3所示）。數據信息采用網絡服務方法和服務器中心聯系。

通信程序，完成通信網絡服務器和每個站點的建立。服務器負責每個站點的數據交換，如圖4所示。沒有通信時，通信服務器站點處于休眠狀態。根據通信信道的條件，分為有線和無線通信。

服務器應用程序將完成統一時間校準和站點數據交換功能（如圖5所示），身份信息的站點接收，各站點服務器位置（GIS）和線索條件信息，根據站點的時間、路徑公式計算出運動路徑和能量消耗（代謝當量）。歷史信息的服務器數據庫，包括身高和體重、生理參數信息和歷史運動信息，以圖表的形式給出，形成長期運動效果積累。調用運動專家系統，給出運動處方。

圖2 模塊和功能

圖3 現場應用程序的流程

圖4 通信程序的流程圖

圖5 服務器應用流程圖

3 關鍵技術

3.1 碰撞檢測算法

為了解決RFID中的碰撞問題，學者們對反碰撞算法進行了深入的研究；確定性抗碰撞算法主要是二進制搜索算法及其改進算法。Klaus Finkenzeller先提出了一種二進制搜索（BS）和動態二進制搜索（DBS）算法，在此基礎上，南敬昌等提出了一種基于二叉樹搜索的回歸索引和跳躍動態樹算法的反碰撞算法，以解決冗余信息傳輸問題。

幾種主要算法的查詢頻率和信息傳輸量:

二進制搜索算法（BS）:

動態二進制搜索算法（DBS）:

基于回歸指數二叉樹搜索的算法：

基于跳躍和動態搜索的算法:

其中：L是標簽ID長度，N是標簽的數量，Q是查詢的總數，S是傳輸信息的數量。

為了減少查詢頻率和信息傳輸質量，本文提出了一種基于二進制算法和識別標簽的預處理機制。當讀卡器首先發送一個請求命令，區域內的所有識別的標簽將被送回他們的ID，讀卡器解碼，得到標簽碰撞信息，即所有1而不是0的碰撞標簽位置和標簽的序列號，根據返回的標簽信息可以提取碰撞信息。通過引入預處理機制來減少傳輸比特，將序列組合的沖突作為一個臨時代碼，使用專用二進制來減少查詢、后退索引策略的查詢次數。

根據預處理的結果，讀取器發送一個請求命令檢測到碰撞數m，只有發生碰撞，讀者不必發送請求命令，可以直接讀取兩個標簽。如果沖突大于1，將繼續請求。為了降低位置1逐漸檢測，直到發生碰撞可以直接識別兩個標簽。因此，連續查詢直到識別區域所有標記都被識別。

改進算法的查詢頻率和信息傳輸量:

其中:m是碰撞的次數。方程(1-8)和(9，10)，Q和S比較隨著N的增加而急劇下降。

3.2 拓展識別距離

由于節點進入節點閱讀器需要識別一系列標簽ID，參數識別距離是其重要的性能之一，為拓展識別范圍，優化了閱讀器相控陣天線。

采用Friis’傳輸公式的無源RFID系統的有效范圍，以及波長λ、天線接收功率Pr、閱讀器Pt的發射功率、有效直徑(G天線增益)、功率傳輸系數ζ等。

從方程(11)可以看出，讀取有效的各向同性輻射功率距離取決于閱讀器(EIRP=PtGt)、天線增益G和功率傳輸系數ζ。功率傳輸系數取決于頻率，諧振頻率，主要由ASIC芯片和天線匹配決策之間的最佳阻抗組成。雖然天線增益增加可以增強定向天線波束，但范圍小，不利于擴大識別范圍。因此，我們優化了天線的布局，相控陣系統，指向波束控制系統波束天線陣列的執行；它可以通過控制單元的表面相位和增益來實現波束空間點的變化。

其中：△Ф是單元之間的相位差，l是單元之間的距離，λ是信號波長，θ是天線波束方向的角度。通過公式（12）表明，在控制單元的相位變化等效于天線波束方向角度的控制。也就是說，只有通過計算△Ф，才能實現對每個單元的相位值來控制波束。

該設計的天線陣列的控制通過一個移相器陣列開關到電子掃描有不同的相位差，從而實現多波束掃描狀態。發射信號通過移相器的天線方向角變化，輻射波束產生多個方向，實現波束通過移相器的電掃描，增加波束的覆蓋度。相控陣天線系統示意圖如圖6所示。

圖6 相位天線陣列示意圖

為了評價天線陣列的性能，進行了現場對比試驗。測試條件:32個電子標簽在不同距離的范圍內識別100次，計算識別率。比較測試結果如表1所示。

表1 測試結果

實驗數據表明:天線陣列識別范圍滿足設計要求。

3.3 開放標準的系統結構

系統開發基于J2EE架構，應用hibernate、struts2、spring框架，使開發人員可以專注于如何創建業務邏輯，縮短開發時間。J2EE的應用并不依賴于任何特定的操作系統、中間件、基于開發的硬件，可以部署在異構環境下的可移植程序中。

3.4 體育步道官方網站的建設

基于江蘇省體育步道云計算中心的智慧構建旅游信息標準，包括全省體育步道信息數據中心和數據交換系統，并作為基本信息智慧健身步道建設，獲取健身步道信息，根據統一規則、統一標準進行數據存儲，并根據不同平臺發布的交換標準，最終實現智能化健身步道信息。

4 結語

完成本項目的建設，RFID將自動記錄運動時間和路線，根據環境監測數據，計算健身人員的運動量和熱量消耗。在專家系統的幫助下，依據歷史的生理數據和運動數據，可以為會員的開出健康運動處方。系統將于今年在國家衛生資金支持下實施。該系統完成，將使以前健身路徑的粗放管理精細化、個性化，結合運動結論與數據基礎，給出了科學的鍛煉建議和處方。

[1]K.Finkenzeller.“Fundamentals and Applications in Contaetless Smart Card and Identifieation”, RFID HandBook: (Third Edition)[M].John Wiley&Sons Ltd, 2012.

[2]孫文勝,劉婷.一種改進的基于二叉樹搜索的防碰撞算法[J].計算機工程. 2011年,第37卷第10期：257-259.

[3]KRNAC B, HARING J. Improving of UHF RFID patternsteering by phased antenna array”. Radio elektronika,2008. 18th International Conference .Prague . pp. 1- 4, 2008.

[4]P.Jihoon Myung,P.Wonjun Lee.Adaptive splitting protocols for RFID tag collision arbitration[C]. Proceedings of the 7th ACM international symposium on Mobile ad hoc networking and computing, May. 2006.

[5]南敬昌,李鋒,李蕾.超高頻RFID小型化讀寫器天線設計[J].微波學報，2017年,第33卷第3期：44-47.

[6]Jo, Minho, Youn, Hee Yong, Cha, Si-Ho, Choo,“Mobile RFID Tag Detection Influence Factors and Prediction of Tag Detectability[C]. Hyunseung Sensors Journal, IEEE Volume: 9 , Issue: 2, pp112 – 119, 2009.

[7]Lee, Donggeon, Kim, Seongyun, Kim, Ho-Won Won, Park.Mobile Platform for Networked RFID Applications[C].Namje Information Technology: New Generations(ITNG),2010 Seventh International Conference on:pp625 – 630, 2010.