第一部分 半有源RFID系統(tǒng)開發(fā)背景
隨著人口老齡化的趨勢日益加快，老年人口越來越多，面臨著很多老年人安全管理的事宜。而老人院是老年人活動、生活的一個很重要的場地，于是，對老人院老年人的安全管理問題，成為社會越來越關(guān)注的問題。針對目前敬老院等大型公共場所等對于人員的進出管理和智能化區(qū)域、定位精確定位、求助報警的需求，目前，市場上有各種不同類別的解決方案，從最初的GPS定位管理，手機定位管理，到后來的無源RFID、有源RFID無線射頻管理系統(tǒng)，都不同程度的對老人院老年人的管理水平有所提高，對老年人的安全問題得到一些有效的解決，但依然的，還是存在一些問題。比如，老人的精確定位問題，需要定位到每個房間，老年人無意識的跌倒求助報警問題等，以上的系統(tǒng)都沒法解決。鑒于這些問題的存在，結(jié)合我們公司半有源RFID技術(shù)的優(yōu)勢，我公司特意開發(fā)了本套系統(tǒng)“基于半有源RFID射頻識別技術(shù)的老人院人員區(qū)域定位管理系統(tǒng)”。該方案，也是為上海寶山區(qū)某老人院量身定制的，很好的解決了人員自動化進出判斷管理，人員的精確定位、區(qū)域性定位管理，跌倒求助報警等功能需求。該系統(tǒng)還可以實現(xiàn)智能監(jiān)控管理，人員信息資料管理、越界報警、按鈕求助報警、追蹤等功能。大幅度的提升了對于老年人安全管理水平。
第二部分 半有源RFID技術(shù)介紹
一、RFID技術(shù)簡介
RFID(Radio Frequency Identification Technology)射頻識別技術(shù)是一種通過射頻信號自動識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)的非接觸式自動識別技術(shù)。從概念上來講，RFID類似于條碼掃描，條碼掃描技術(shù)是將已編碼的條形碼附著于目標(biāo)物并使用專用的掃描讀寫器利用光電信號將信息由條形磁傳送到掃描讀寫器;而RFID則使用專用的RFID讀寫器及專門的可附著于目標(biāo)物的RFID單元，利用RF信號將信息由RFID單元傳送至RFID讀寫器。
目前，RFID技術(shù)中所衍生的產(chǎn)品大概有三大類：無源RFID產(chǎn)品、有源RFID產(chǎn)品、半有源RFID產(chǎn)品。
無源RFID產(chǎn)品發(fā)展最早，也是目前發(fā)展最成熟，市場應(yīng)用最廣的產(chǎn)品。比如，公交卡、食堂餐卡、銀行卡、賓館門禁卡、二代身份證等，這個在我們的日常生活中隨處可見，屬于近距離接觸式識別類。其產(chǎn)品的主要工作頻率有低頻125KHZ、高頻13.56MHZ、超高頻433MHZ，超高頻915MHZ。
有源RFID產(chǎn)品，是最近幾年慢慢發(fā)展起來的，其遠(yuǎn)距離自動識別的特性，決定了其巨大的應(yīng)用空間和市場潛質(zhì)。目前，在遠(yuǎn)距離自動識別領(lǐng)域，如智能監(jiān)獄，智能醫(yī)院，智能停車場，智能交通，智慧城市，智慧地球及物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域有重大應(yīng)用。有源RFID在這個領(lǐng)域異軍突起，屬于遠(yuǎn)距離自動識別類。產(chǎn)品主要工作頻率有超高頻915MHZ，微波2.45GHZ。
有源RFID產(chǎn)品和無源RFID產(chǎn)品，其不同的特性，決定了不同的應(yīng)用領(lǐng)域和不同的應(yīng)用模式，也有各自的優(yōu)勢所在。但在本系統(tǒng)中，我們著重介紹介于有源RFID和無源RFID之間的半有源RFID產(chǎn)品，該產(chǎn)品集有源RFID和無源RFID的優(yōu)勢于一體，在門禁進出管理，人員精確定位，區(qū)域定位管理，周界管理，電子圍欄及安防報警等領(lǐng)域有著很大的優(yōu)勢。
二、半有源RFID技術(shù)簡介
半有源RFID產(chǎn)品，結(jié)合有源RFID產(chǎn)品及無源RFID產(chǎn)品的優(yōu)勢，在低頻125KHZ頻率的觸發(fā)下，讓微波2.45G發(fā)揮優(yōu)勢。半有源RFID技術(shù)，也可以叫做低頻激活觸發(fā)技術(shù)，利用低頻近距離精確定位，微波遠(yuǎn)距離識別和上傳數(shù)據(jù)，來解決單純的有源RFID和無源RFID沒有辦法實現(xiàn)的功能。簡單的說，就是近距離激活定位，遠(yuǎn)距離識別及上傳數(shù)據(jù)。真正做到“運籌帷幄之中，決勝千里之外”的大將風(fēng)范。
三、半有源RFID技術(shù)特點及優(yōu)勢
半有源RFID是一項易于操控、簡單實用且特別適合用于自動化控制的靈活性應(yīng)用技術(shù)，識別工作無須人工干預(yù)，它既可支持只讀工作模式也可支持讀寫工作模式，且無需接觸或瞄準(zhǔn);可在各種惡劣環(huán)境下自由工作，短距離射頻產(chǎn)品不怕油漬、灰塵污染等惡劣的環(huán)境，可以替代條碼，例如用在工廠的流水線上跟蹤物體;長距射頻產(chǎn)品多用于交通上，識別距離可達幾十米，如自動收費或識別車輛身份等。其所具備的獨特優(yōu)越性是其它識別技術(shù)無法企及的，主要有以下幾個方面：
1)、半有源RFID的特點
讀取方便快捷：
數(shù)據(jù)的讀取無需光源，甚至可以透過外包裝來進行。有效識別距離更大，有效識別距離可達到30米以上;
識別速度快：
終端一進入磁場，解讀器就可以即時讀取其中的信息，而且能夠同時處理多個終端，實現(xiàn)批量識別;
數(shù)據(jù)容量大：
數(shù)據(jù)容量最大的二維條形碼(PDF417)，最多也只能存儲2725個數(shù)字;若包含字母，存儲量則會更少;RFID終端則可以根據(jù)用戶的需要擴充到數(shù)十K;
使用壽命長，應(yīng)用范圍廣：
其無線電通信方式，使之在粉塵、油污等高污染環(huán)境和放射性環(huán)境中，工作人員不必身在其中就可進行工作。終端的封閉式包裝使得壽命大大超過印刷的條形碼;
標(biāo)簽數(shù)據(jù)可動態(tài)更改：
利用編程器可以寫入數(shù)據(jù)，從而賦予RFID標(biāo)簽交互式便攜數(shù)據(jù)文件的功能，而且寫入時間比打印條形碼更少;
更好的安全性：
不僅可以嵌入或附著在不同形狀、類型的產(chǎn)品上，而且可以為終端數(shù)據(jù)的讀寫設(shè)置密碼保護，從而具有更高的安全性;
動態(tài)實時通信：
終端以每秒50～100次的頻率與解讀器進行通信，所以只要RFID終端所附著的物體出現(xiàn)在解讀器的有效識別范圍內(nèi)，就可以對其位置進行動態(tài)的追蹤和監(jiān)控。
2)、半有源RFID的優(yōu)勢
相對于有源RFID產(chǎn)品：
半有源RFID產(chǎn)品做人員定位管理，定位精度更精確，可定位到每個房間;
做到相同定位精度，半有源RFID產(chǎn)品，成本要少很多，到達相同的效果，成本基本為有源RFID產(chǎn)品的一半;
半有源RFID產(chǎn)品，識別距離誤差更小，大概為10cm，而有源RFID，只能是一個大概的模糊距離，信號飄忽不定，沒辦法做到精確;
半有源RFID標(biāo)簽，平時處于休眠狀態(tài)，不耗電，很省電的，電池可用5年，而有源RFID標(biāo)簽，平時不斷的發(fā)送信號，要耗電很多。
相對于GPS衛(wèi)星定位：
半有源RFID產(chǎn)品定位，可以精確定位到每棟樓的每個房間，而GPS定位，只能到城市的某個區(qū)域某條街道某個小區(qū)某棟樓。
相對于手機區(qū)域定位：
半有源RFID產(chǎn)品定位，可以精確定位到每棟樓的每個房間，而手機定位，只能到城市的某個區(qū)域某條街道某個小區(qū)某棟樓。
綜上所述，相比較而言，無論是從經(jīng)濟成本上，還是定位精度及效果上面，半有源RFID技術(shù)產(chǎn)品，都有其獨特的優(yōu)勢所在，也是我們最初選擇半有源RFID技術(shù)作為公司核心技術(shù)的緣由。
第三部分 半有源RFID系統(tǒng)總體介紹
一、系統(tǒng)原理
APS實時定位追蹤系統(tǒng)通過RFID(電子標(biāo)簽)的應(yīng)用，以電子標(biāo)簽作為目前最先進的標(biāo)識碼，具備了不易破損、數(shù)據(jù)可靠、使用周期長、有效通訊距離長等特點，是替代條形碼、紅外線標(biāo)識的最佳選擇。將其安裝在受控目標(biāo)上，來作為目標(biāo)的唯一標(biāo)識進行追蹤和定位。
工作時，管理人員通過聯(lián)網(wǎng)的無線識別基站追蹤和定位目標(biāo)。
1)半有源RFID電子標(biāo)簽
半有源RFID電子標(biāo)簽，是集成了有源RFID電子標(biāo)簽和無源RFID電子標(biāo)簽的優(yōu)勢，作為一種特殊的標(biāo)示物。在平時情況，其處于休眠狀態(tài)不工作，不向外界發(fā)出RFID信號，只有在其進入低頻激活器的激活信號范圍時，標(biāo)簽被激活后，才開始工作。
2)半有源RFID自動識別工作原理
結(jié)合低頻激活器，半有源RFID標(biāo)簽，被激活后正常工作。而低頻激活器的激活距離是有限的，它只能在小距離小范圍精確激活，這樣，以低頻激活器為基點來定位，在不同的位置安裝不同的基點，然后在一個大區(qū)域用遠(yuǎn)距離讀寫器識別讀取信號，之后用不同的上傳方式將信號上傳到管理中心，這樣，完成了整個信號的采集，傳輸，處理，應(yīng)用的整個過程。
3)區(qū)域定位原理
示意圖：
圖示
如上圖所示，我們采用RFID半有源技術(shù)做人員區(qū)域定位管理，在每個被監(jiān)控區(qū)域，如每個房間，安裝半有源定位基站，也就是我們公司的低頻激活器，每個低頻激活器帶有4路或者6路激活天線，相鄰的4個或者6個房間可以共用一臺低頻激活器，在整個我們的定位系統(tǒng)中，定位基站是最小的基點，作為定位點的最近本的基點，其激活標(biāo)簽的距離在3-3.5米，也就是每個標(biāo)簽在激活器3-3.5米的范圍里被激活，其定位精度可以描述為3-3.5米。不同區(qū)域的激活器，都有自己唯一的地址碼，當(dāng)人員帶著半有源低頻激活標(biāo)簽進入定位基站被激活后，標(biāo)簽正常工作，向外界發(fā)送標(biāo)簽的ID號，同時也發(fā)送出激活標(biāo)簽的激活器的地址碼，這樣，通過激活器的地址碼，我們就能夠定位出標(biāo)簽所在的位置。當(dāng)標(biāo)簽從一個激活器拿到另一個位置時，上傳上來的激活器地址碼也會隨之變化，這樣，就形成了完整的定位體系。而標(biāo)簽上傳的數(shù)據(jù)，被大范圍內(nèi)的定位基站網(wǎng)關(guān)接收到，將信息上傳至管理中心進行處理，完成了整個定位系統(tǒng)。
二、系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)
1)系統(tǒng)組成和架構(gòu)
基于半有源RFID技術(shù)的人員區(qū)域定位管理系統(tǒng)由半有源RFID電子標(biāo)簽、半有源低頻激活器、讀寫器(接收器、電子監(jiān)控基站)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、計算機、服務(wù)器和系統(tǒng)軟件組成。下圖一個簡單的人員區(qū)域定位管理系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)：
系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
2)系統(tǒng)區(qū)域定位示意圖
如上圖所示：通過不同的被激活的標(biāo)簽所上傳的激活器的地址碼，可以判斷出不同激活器附近所在的人員情況，包括人員的數(shù)量，姓名，職務(wù)等信息。這樣，無論人員走到哪里，都會有當(dāng)?shù)氐募せ钇麈i定他們，來確定他們所在的具體位置，并且及時的將信息上傳至管理中心，管理中心經(jīng)過一系列的變換處理，得出相關(guān)的結(jié)果。同時，也很輕松的完成了我們的既定目的，就是對人員的區(qū)域定位管理。
3)門禁進出管理系統(tǒng)
示意圖
如上圖所示，我們給每一個需要管理的門禁安裝一臺低頻激活器，每臺激活器引出2路低頻激活天線，分別是1號天線，2號天線，各自布置在門禁的外面和里面，而在門禁旁邊安裝一臺我們公司自主研發(fā)生產(chǎn)的2.45G遠(yuǎn)距離讀寫器，作為信號接收器。當(dāng)人員佩戴著半有源RFID低頻激活標(biāo)簽，進入門禁時，依次被激活天線1號和激活天線2號激活，這樣系統(tǒng)則判斷出人員進入門禁，相反，則系統(tǒng)辨識為出門。就這樣完成了整個門禁系統(tǒng)人員進出判斷的管理。
4)設(shè)備隱蔽安裝
安裝設(shè)備時候，我們可以充分利用安裝現(xiàn)場的基礎(chǔ)條件，靈活掌握安裝方式，一般我們的激活天線安裝在天花板上，隱秘安裝，形成美觀、簡潔的風(fēng)格。
三、系統(tǒng)的功能
實時布控區(qū)域目標(biāo)動態(tài)顯示功能：
1) 任一時間查詢并顯示受控區(qū)域目標(biāo)的數(shù)量、分布情況及身份;
2) 查詢一個或多個受控目標(biāo)現(xiàn)在的實際位置;
3) 可實現(xiàn)信息多點共享，供多個部門及領(lǐng)導(dǎo)同時在不同地點查看;
豐富的地圖功能：
具有放大、縮小、移動、標(biāo)尺測距、視野控制、中心移動、土層控制、地圖打印等功能。
禁區(qū)報警功能：
對于指定的禁區(qū)，如果有非授權(quán)進入，實時報警，并顯示進入禁區(qū)的目標(biāo)及身份。
目標(biāo)軌跡查詢：
可查找某目標(biāo)在某個時間段內(nèi)所經(jīng)歷的路徑，并在圖中畫出線路軌跡。
豐富的受控目標(biāo)考勤能力：
可對出入布控區(qū)域的目標(biāo)進行統(tǒng)計，實現(xiàn)目標(biāo)的考勤記錄，建立目標(biāo)的各種信息報表(如：時間報表、出勤月報表、加班報表、缺勤報表等等)。
突發(fā)事件控制：
一旦有突發(fā)事件，上位機上立即能顯示出該現(xiàn)場的目標(biāo)數(shù)量、信息，位置和歷史情況等信息，大大提高安全管理工作的效率和效果。
四、系統(tǒng)性能特點
強大的系統(tǒng)處理能力：
1) 高度自動化;
2) 基于GIS 技術(shù)的地理信息顯示、查詢系統(tǒng);
3) 完善的數(shù)據(jù)分析能力;
卓越的識別性能：
1) 高度的識別可靠性，100%的前端識別率;
2) 識別距離遠(yuǎn)(識別距離可達2-100 米可調(diào));
3) 極高的防沖突性(每個識別基站可最多同時識別數(shù)以百計的運動目標(biāo));
4) 高度的識別穩(wěn)定性(誤碼率小于10 萬分之1);
5) 快速的識別速度(最快可達到200 公里/小時的識別速度)。
現(xiàn)場優(yōu)勢：
1) 環(huán)境適應(yīng)性：高抗干擾性，對干擾源、周界環(huán)境無特殊要求;
2) 安裝方便性：一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計，無需外接天線;
3) 運行可靠性：內(nèi)部電路高度集成化，器件故障率最小化。
電氣特性：
1) 超低功耗：納瓦級超低功耗設(shè)計，RFID標(biāo)簽在不更換電池的情況下可連續(xù)正常工作3年以上;
2) 方便性、安全性，標(biāo)簽無須外接電源，無須充電、無須更換電池;
3) 無輻射，對人體和環(huán)境無任何影響，更安全更健康。
系統(tǒng)硬件設(shè)計：
1、工控頻段
采用2.4G 工控頻段無線通訊無需無線電管制委員會批準(zhǔn)，不需繳納頻譜占用費用。
2、超低功耗
RFID標(biāo)簽采用獨特的納瓦級超低功耗設(shè)計，確保能在電池支持下持續(xù)工作長達 3～5 年左右。同時，整體結(jié)構(gòu)的低功耗設(shè)計既保證了設(shè)備的有效運轉(zhuǎn)，又減少了應(yīng)用實施的復(fù)雜性和成本。
3、網(wǎng)絡(luò)容量大
一個區(qū)域定位網(wǎng)絡(luò)可以容納多達六萬余的RFID識別目標(biāo)和大量的接入點。大容量保證了網(wǎng)絡(luò)強大的數(shù)據(jù)采集能力。同時，網(wǎng)絡(luò)的高冗余性保證了整個網(wǎng)絡(luò)在個別節(jié)點停止工作的情況下仍然可以正常運轉(zhuǎn)。
4、高可靠性
APS實時定位系統(tǒng)核心技術(shù)目前采用獨有定位算法，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)自喚醒，自容錯，自愈合。
5、運行及維護成本低
APS所有硬件設(shè)備均采用免維護設(shè)計，建設(shè)和維護所需要的人工費用是很低，任何一個經(jīng)過授權(quán)的RFID標(biāo)簽只要放在網(wǎng)絡(luò)的無線信號覆蓋范圍內(nèi)，就可自動加入網(wǎng)絡(luò)工作，無須任何安裝配置。高度智能化最大程度上降低了網(wǎng)絡(luò)維護所需的人力和時間，加上網(wǎng)絡(luò)節(jié)點本身價格低廉，使得系統(tǒng)的維護成本極低。
