基于RFID的新型交互式生命搜救儀器

　　引言
 
　　目前國內(nèi)外投入使用的生命探測儀主要有四種：光學(xué)型、音頻型、紅外型和雷達(dá)型。它們各具特色，下面給出簡要的介紹。
 
　　光學(xué)生命探測儀類似于醫(yī)用光學(xué)纖維內(nèi)窺鏡，它利用可以任意彎曲的金屬蛇皮管使前端的鏡頭通過建筑廢墟的縫隙，照明并觀察廢墟下的情況，并通過蛇皮管中的光學(xué)纖維束將圖像傳回，借以發(fā)現(xiàn)被掩埋在廢墟下面的人。這種生命探測儀體積小、使用方便，但探測距離短，而且在廢墟無縫隙的情形下無法使用。
 
　　音頻生命探測儀的主要原理是采用幾個高靈敏度拾音器加上高倍信號放大、特殊濾波等技術(shù)偵聽廢墟瓦礫下是否有幸存者的呼吸聲、呻吟聲或敲擊刻劃聲等音頻和振動信息，以發(fā)現(xiàn)被掩埋在廢墟下面的人。但這種儀器要求在比較安靜的環(huán)境下使用才能獲得好的信噪比，所以實際應(yīng)用效果并不令人滿意。
 
　　紅外生命探測儀利用紅外輻射測量生命體溫，可以不必接觸被測生命體，測量距離可近到幾厘米，遠(yuǎn)到幾十米。同樣這種儀器受環(huán)境影響很大。
 
　　雷達(dá)生命探測儀是近年來國內(nèi)外研究的熱點，它基于多普勒生物雷達(dá)原理。它發(fā)射能夠穿透非金屬建筑材料的超寬譜微波束，對廢墟下的空間進(jìn)行掃描。這種特殊的高頻電磁波能夠被人體進(jìn)行呼吸或心跳運動的胸廓表面反射，利用這些活動造成的反射波相位差來解析出心跳或呼吸等微弱信號，從而發(fā)現(xiàn)被掩埋的生命。雷達(dá)型生命探測儀探測效果也較好，但它是基于探測并分辨極其微弱的生命信號的。在實際救援時，廢墟下的不明情況和現(xiàn)場的各種干擾使得判別是否存在極其微弱的生命信息非常困難。
 
　　由于現(xiàn)有生命探測儀存在各種各樣的問題，因此急需開發(fā)一種能應(yīng)對惡劣環(huán)境的實用型生命探測儀。而近年來，迅速發(fā)展的RFID技術(shù)為探討新型生命探測技術(shù)提供了可行的思路。本文將基于RFID技術(shù)設(shè)計新型的交互式生命探測儀器。

　　1 RFID交互式搜救儀器原理
 
　　RFID技術(shù)是利用空間電磁感應(yīng)或者電磁傳播來進(jìn)行通信，以達(dá)到非接觸自動識別被標(biāo)識物體的目的。基本工作方法是將RFID標(biāo)簽安裝在被識別物體上，當(dāng)被標(biāo)識物體進(jìn)入RFID系統(tǒng)讀寫器的讀寫范圍時，標(biāo)簽和讀寫器之間進(jìn)行非接觸式信息通訊，標(biāo)簽向讀與器發(fā)送自身信息如ID號等，讀寫器接收這些信息并進(jìn)行解碼，傳輸給后臺終端進(jìn)行處理，然后將處理后的數(shù)據(jù)通過讀寫器返回標(biāo)簽，完成整個信息處理、數(shù)據(jù)修改過程。
 
　　完整的RFID系統(tǒng)包括RFID數(shù)據(jù)采集端、標(biāo)簽、讀寫器、天線、中間件或者接口、應(yīng)用系統(tǒng)等。狹義的RFID系統(tǒng)包括標(biāo)簽、讀寫器和天線，由于生命探測器應(yīng)該為手持移動設(shè)備，故狹義RFID系統(tǒng)更適合應(yīng)用。本系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)整體構(gòu)成

　　2 交互式搜救儀器功能實現(xiàn)

　　2．1 RFID標(biāo)簽的設(shè)計
 
　　由于災(zāi)害的突發(fā)性、未知性，必須保證即使在日常生活中人們也要攜帶RFID標(biāo)簽，而不是在災(zāi)害發(fā)生后才去準(zhǔn)備。因此設(shè)計能被大多數(shù)人接受的RFID標(biāo)簽是這種生命探測儀普及的關(guān)鍵。目前大規(guī)模集成電路的工藝完全能將集成了脈搏傳感器的RFID標(biāo)簽設(shè)計成具有很小體積的芯片，然后加上漂亮的外殼裝飾，完全能做成小工藝品的效果。這樣可作為隨身的配飾，例如像汽車電子鑰匙那樣掛在鑰匙鏈上，或者嵌入到皮帶扣或裝飾性的扣子內(nèi)。所以RFID標(biāo)簽?zāi)芤匀藗儤芬獾男问阶鳛楣に嚻放鍘?，而且不會感到有任何不便，這是RFID生命探測儀投入實用的先決條件。

圖２　無源待機有源激活的原理

　　根據(jù)標(biāo)簽的供電形式，RFID系統(tǒng)可分為有源、無源和半有源系統(tǒng)。有源系統(tǒng)的標(biāo)簽使用標(biāo)簽內(nèi)部的電池來供電，主動發(fā)射信號，系統(tǒng)識別距離較長，可達(dá)幾十米甚至上百米。有源標(biāo)簽的電池壽命理論上能夠達(dá)到3-5年，但是根據(jù)電池的質(zhì)量、使用的環(huán)境等因素，壽命會大幅縮減。無源射頻標(biāo)簽不含電池，它利用讀寫器發(fā)射的電磁波進(jìn)行耦合來為自己提供能量，它的重量輕、體積小，壽命可以非常長，成本低廉?？梢灾瞥筛鞣N各樣的薄卡或者掛扣卡，識別距離可達(dá)到十米左右。半有源系統(tǒng)的標(biāo)簽帶有電池，但是電池只起到對標(biāo)簽內(nèi)部電路供電的作用，標(biāo)簽本身并不發(fā)射信號。在本系統(tǒng)中我們采用無源待機有源激活的策略降低功耗。
 
　　RFID標(biāo)簽主要組成部分如圖2所示。其中無源模塊只負(fù)責(zé)接收激活信號，有源模塊負(fù)責(zé)與讀寫器通信。系統(tǒng)采用廣播方式激活標(biāo)簽，當(dāng)無源激活模塊檢測到激活信號后，獲取能量并將解調(diào)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗，確認(rèn)是約定的激活信號后，邏輯控制電路生成有源待機模塊的數(shù)字電源開關(guān)控制信號。數(shù)字電源開關(guān)負(fù)責(zé)整個有源模塊供電的開和關(guān)，未接收到激活信號時，數(shù)字電源處于關(guān)閉狀態(tài)，整個有源模塊處于待機狀態(tài)，能耗極?。槐粺o源模塊激活后，數(shù)字電源轉(zhuǎn)為開放狀態(tài)，有源模塊上電工作，采集人體的脈搏信息，同標(biāo)識信息一起通過RF發(fā)射前端發(fā)往讀寫器。這樣一來可以保證無源激活模塊在探測到搜救人員到達(dá)RFID射頻覆蓋區(qū)域后，才激活有源模塊發(fā)送求救信息。一方面，RFID標(biāo)簽不做無用功(附近無搜救人員)，大部分時間處于待機狀態(tài)，節(jié)約電池能量，延長待機時間；另一方面，當(dāng)確定附近有搜救人員時，有源模塊可主動發(fā)出比較強的求救信號，提高了被發(fā)現(xiàn)的概率。

圖３　讀寫器與RFID標(biāo)簽的交互

　　2．2 讀寫器與RFID標(biāo)簽交互的實現(xiàn)
 
　　讀寫器是地面搜救人員手持的移動終端，與RFID標(biāo)簽的交互過程如圖3所示。它首先廣播無源模塊的激活信號，若在RFID有效射頻覆蓋區(qū)內(nèi)存在被掩埋的人員，掩埋人員身上的RFID標(biāo)簽就激活有源模塊，主動發(fā)送求救信息：讀寫器接收到求救信息，判斷出掩埋人員的存活狀態(tài)，做出是否施救的決定。由于讀寫器和標(biāo)簽共享同一無線信道，多個標(biāo)簽也可能進(jìn)入同一射頻覆蓋區(qū)，必然存在信道爭用問題，即會發(fā)生碰撞。利用排隊論及抗噪聲技術(shù)可實現(xiàn)防碰撞技術(shù)，本文采用了基于碼分多址的時隙ALOHA方法，當(dāng)然還有許多研究者提出了新的有效算法可解決多標(biāo)簽碰撞問題。若需要施救，則可進(jìn)一步定位掩埋人員的位置，關(guān)于RFID定位，也已有比較成熟的算法可供使用，本文對防碰撞技術(shù)及RFID定位技術(shù)均不做詳細(xì)討論。

　　讀寫器的天線有激活信號發(fā)射天線A和接收信號天線B之分，也可以為同一天線；讀寫器對激活信號具有控制功能，在收到某標(biāo)簽返回的信號后可以繼續(xù)發(fā)送激活信號激活其它標(biāo)簽，也可以停止發(fā)送激活信號；讀寫器應(yīng)能提供通用的接口模塊，如USB、RS232、SPI、無線網(wǎng)絡(luò)接口等，以便與PC或其它讀寫器進(jìn)行通信；考慮到易操作性，讀寫器應(yīng)具有方便的人機交互界面，使用LCD彩色屏提供直觀的顯示功能及可視化的功能菜單界面，讀寫器的主要模塊構(gòu)成如圖4所示。

圖４　讀寫器的主要模塊

　　2．3 防碰撞算法
 
　　從讀寫器節(jié)點發(fā)送信息到各被搜救用戶節(jié)點，采用廣播方式，在UHF頻帶使用413．475MHz的頻率，占用100kHz的信道，讀寫器發(fā)送的任何信息，正常情況下各被搜救用戶終端控制器都能接收到。從各被搜救用戶節(jié)點到中央節(jié)點，采用隨機的競爭方式，以407．350MHz的頻率，也占用100kHz信道。如果各被搜救用戶不同時發(fā)送信息，讀寫器可以正確收到；如果各被搜救用戶同時發(fā)送信息，則會發(fā)生沖突，使信息不可識別，必須重發(fā)。顯然，信息的沖突會降低傳輸效率。但是考慮到各被搜救用戶的數(shù)據(jù)報文較短(即占用信道時間較短)，發(fā)送信息有突發(fā)性和斷續(xù)性，因此這種隨機性訪問網(wǎng)絡(luò)方式還是可行的。
 
　　通過劃分相等的時間片，每個時間片對于一個幀，指定被搜救用戶在每個時間的開始端發(fā)送信息，每個時間片的長度，要合理設(shè)計。因為從各個被搜救用戶的報文分組到達(dá)讀寫器系統(tǒng)的傳輸延遲不同，最大的報文分組長度相關(guān)于第一個報文分組首部到達(dá)時刻與最后一個報文分組尾部到達(dá)時刻之時間差值，由這個先后到達(dá)的時間差值，選擇每個時間片的寬度。對擁有中等數(shù)量用戶的系統(tǒng)，時間片法的傳輸效率約為36．8％，如果被搜救用戶數(shù)量較少，傳輸效率還可提高。

　　3 結(jié)論
 
　　本文提出的基于RFID技術(shù)的交互式生命探測儀主要由攜帶在人身上的無源激活有待機源RFID標(biāo)簽和救援人員手持可移動的嵌入式讀寫器組成。提出將當(dāng)前流行的RFID技術(shù)應(yīng)用于生命探測領(lǐng)域，并分析了其可行性。給出了RFID標(biāo)簽的幾種制作思路，使人們將RFID標(biāo)簽作為佩飾隨身攜帶，更好地應(yīng)對突發(fā)性災(zāi)難。被掩埋在廢墟中的人員可通過RFID有源模塊主動發(fā)射較強的求救信號，提高地面救援人員發(fā)現(xiàn)受困者的概率。針對傳統(tǒng)的有源RFID標(biāo)簽功耗大，電池壽命短的缺點，引入了無源激活模塊。當(dāng)探測不到附近有激活信號時，切斷有源模塊的供電，使有源模塊處于待機狀態(tài)，基本沒有能耗；當(dāng)探測到附近的激活信號，即救援人員在射頻覆蓋范圍內(nèi)時，給有源模塊供電，向讀寫器發(fā)射大功率的求救信號，合理利用了電池的有限能量。將脈搏傳感器集成到RFID標(biāo)簽中，實時監(jiān)視受困人員的生存狀態(tài)，避免了救援人員盲目的解救，將更多的精力投入到對幸存者的救援工作中。設(shè)計了嵌入式讀寫器，具有便攜、可移動及簡單的人機交互等特點。在不影響人們?nèi)粘Ｉ畹耐瑫r，通過RFID標(biāo)簽的普及會極大地提高災(zāi)后的搜救效率。