基于射頻識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)新型交互式生命探測(cè)儀的設(shè)計(jì)

引言

目前國(guó)內(nèi)外投入使用的生命探測(cè)儀主要有四種：光學(xué)型、音頻型、紅外型和雷達(dá)型。生命探測(cè)儀是美國(guó)超視安全系統(tǒng)公司于2005年新近推出的一種安全救生系統(tǒng)。著名物理學(xué)家，麻省理工學(xué)院博士大衛(wèi)·席思（DavidCist）創(chuàng)造性地將雷達(dá)超寬頻技術(shù)（UWB）應(yīng)用于安全救生領(lǐng)域，從而為該領(lǐng)域帶來(lái)一項(xiàng)革命性的新技術(shù)?；谶@種新技術(shù)的安全救生系統(tǒng)----生命探測(cè)儀，成功地解決了多項(xiàng)困擾傳統(tǒng)安全救生系統(tǒng)的問(wèn)題，使搜救工作比以往更迅速，更精確，也更安全，是現(xiàn)在世界上最先進(jìn)的生命探測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)的天線是美國(guó)航空航天局（NASA）指定的火星探測(cè)器兩種候選雷達(dá)天線之一，是世界上最先進(jìn)的探地雷達(dá)天線，能夠非常敏銳地捕捉到非常微弱的運(yùn)動(dòng)。該產(chǎn)品已獲得美國(guó)專利。超視安全系統(tǒng)公司近日內(nèi)在中美日三國(guó)同步推出這個(gè)系統(tǒng)。

光學(xué)生命探測(cè)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(guò)建筑廢墟的縫隙，照明并觀察廢墟下的情況，并通過(guò)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。生命探測(cè)儀的基本特點(diǎn)包括：即時(shí)移動(dòng)探測(cè)，可以透過(guò)混凝土，磚，雪，冰和泥漿；探測(cè)運(yùn)動(dòng)、探測(cè)遇險(xiǎn)者的距離；在各種氣候情況下都可以工作；直觀而且簡(jiǎn)便易學(xué)，不需要大量專門的培訓(xùn)；對(duì)供電能源要求低；幾乎不需要進(jìn)行系統(tǒng)維護(hù)；固件程序可以通過(guò)無(wú)線或有線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行升級(jí)；不需要鉆孔，布置電纜和對(duì)環(huán)境進(jìn)行靜音處理，使搜救工作變得簡(jiǎn)單易行。在分秒必爭(zhēng)的營(yíng)救工作中，生命偵測(cè)儀可以幫助搜救人員迅速準(zhǔn)確安全地發(fā)現(xiàn)仍然存活的遇險(xiǎn)者，從而為營(yíng)救工作爭(zhēng)取到寶貴的時(shí)間。 生命探測(cè)儀把探頭深入廢墟內(nèi)的縫隙中，只能探測(cè)到很小的區(qū)域，而地震探測(cè)狗則可以在更大的區(qū)域內(nèi)迂回搜索。生命偵測(cè)儀實(shí)際上是一個(gè)呼吸和運(yùn)動(dòng)探測(cè)器。雷達(dá)信號(hào)發(fā)送器連續(xù)發(fā)射電磁信號(hào)，對(duì)一定空間進(jìn)行掃描。

音頻生命探測(cè)儀的主要原理是采用幾個(gè)高靈敏度拾音器加上高倍信號(hào)放大、特殊濾波等技術(shù)偵聽(tīng)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(dòng)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(shí)際應(yīng)用效果并不令人滿意。

紅外生命探測(cè)儀利用紅外輻射測(cè)量生命體溫，可以不必接觸被測(cè)生命體，測(cè)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(cè)儀是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，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(duì)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(yùn)動(dòng)的胸廓表面反射，利用這些活動(dòng)造成的反射波相位差來(lái)解析出心跳或呼吸等微弱信號(hào)，從而發(fā)現(xiàn)被掩埋的生命。在實(shí)際救援時(shí)，廢墟下的不明情況和現(xiàn)場(chǎng)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(cè)儀存在各種各樣的問(wèn)題，因此急需開(kāi)發(fā)一種能應(yīng)對(duì)惡劣環(huán)境的實(shí)用型生命探測(cè)儀。而近年來(lái)，迅速發(fā)展的RFID技術(shù)為探討新型生命探測(cè)技術(shù)提供了可行的思路。

1 RFID交互式搜救儀器原理

射頻識(shí)別技術(shù)（Radio Frequency Identification，縮寫(xiě)RFID），射頻識(shí)別技術(shù)是20世紀(jì)90年代開(kāi)始興起的一種自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，射頻識(shí)別技術(shù)是一項(xiàng)利用射頻信號(hào)通過(guò)空間耦合（交變磁場(chǎng)或電磁場(chǎng)）實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸信息傳遞并通過(guò)所傳遞的信息達(dá)到識(shí)別目的的技術(shù)。從信息傳遞的基本原理來(lái)說(shuō)，射頻識(shí)別技術(shù)在低頻段基于變壓器耦合模型（初級(jí)與次級(jí)之間的能量傳遞及信號(hào)傳遞），在高頻段基于雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)的空間耦合模型（雷達(dá)發(fā)射電磁波信號(hào)碰到目標(biāo)后攜帶目標(biāo)信息返回雷達(dá)接收機(jī)）。1948年哈里斯托克曼發(fā)表的"利用反射功率的通信"奠定了射頻識(shí)別技術(shù)的理論基礎(chǔ)。

完整的RFID系統(tǒng)包括RFID數(shù)據(jù)采集端、標(biāo)簽、讀寫(xiě)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(xiě)器和天線，由于生命探測(cè)器應(yīng)該為手持移動(dòng)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。

2 交互式搜救儀器功能實(shí)現(xiàn)

2.1 RFID標(biāo)簽的設(shè)計(jì)

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(jì)能被大多數(shù)人接受的RFID標(biāo)簽是這種生命探測(cè)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(jì)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)。

根據(jù)標(biāo)簽的供電形式，RFID系統(tǒng)可分為有源、無(wú)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(lái)供電，主動(dòng)發(fā)射信號(hào)，系統(tǒng)識(shí)別距離較長(zhǎng)，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(huì)大幅縮減。無(wú)源射頻標(biāo)簽不含電池，它利用讀寫(xiě)器發(fā)射的電磁波進(jìn)行耦合來(lái)為自己提供能量，它的重量輕、體積小，壽命可以非常長(zhǎng)，成本低廉?？梢灾瞥筛鞣N各樣的薄卡或者掛扣卡，識(shí)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(duì)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(hào)。

RFID標(biāo)簽主要組成部分如圖2所示。其中無(wú)源模塊只負(fù)責(zé)接收激活信號(hào)，有源模塊負(fù)責(zé)與讀寫(xiě)器通信。系統(tǒng)采用廣播方式激活標(biāo)簽，當(dāng)無(wú)源激活模塊檢測(cè)到激活信號(hào)后，獲取能量并將解調(diào)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，確認(rèn)是約定的激活信號(hào)后，邏輯控制電路生成有源待機(jī)模塊的數(shù)字電源開(kāi)關(guān)控制信號(hào)。數(shù)字電源開(kāi)關(guān)負(fù)責(zé)整個(gè)有源模塊供電的開(kāi)和關(guān)，未接收到激活信號(hào)時(shí)，數(shù)字電源處于關(guān)閉狀態(tài)，整個(gè)有源模塊處于待機(jī)狀態(tài)，能耗極??；被無(wú)源模塊激活后，數(shù)字電源轉(zhuǎn)為開(kāi)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(shí)信息一起通過(guò)RF發(fā)射前端發(fā)往讀寫(xiě)器。

2.2 讀寫(xiě)器與RFID標(biāo)簽交互的實(shí)現(xiàn)

讀寫(xiě)器是地面搜救人員手持的移動(dòng)終端，與RFID標(biāo)簽的交互過(guò)程如圖3所示。它首先廣播無(wú)源模塊的激活信號(hào)，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(dòng)發(fā)送求救信息：讀寫(xiě)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(xiě)器和標(biāo)簽共享同一無(wú)線信道，多個(gè)標(biāo)簽也可能進(jìn)入同一射頻覆蓋區(qū)，必然存在信道爭(zhēng)用問(wèn)題，即會(huì)發(fā)生碰撞。利用排隊(duì)論及抗噪聲技術(shù)可實(shí)現(xiàn)防碰撞技術(shù)，本文采用了基于碼分多址的時(shí)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(wèn)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。

讀寫(xiě)器的天線有激活信號(hào)發(fā)射天線A和接收信號(hào)天線B之分，也可以為同一天線；讀寫(xiě)器對(duì)激活信號(hào)具有控制功能，在收到某標(biāo)簽返回的信號(hào)后可以繼續(xù)發(fā)送激活信號(hào)激活其它標(biāo)簽，也可以停止發(fā)送激活信號(hào)；讀寫(xiě)器應(yīng)能提供通用的接口模塊，如USB、RS232、SPI、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接口等，以便與PC或其它讀寫(xiě)器進(jìn)行通信；考慮到易操作性，讀寫(xiě)器應(yīng)具有方便的人機(jī)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(xiě)器的主要模塊構(gòu)成如圖4所示。

2.3 防碰撞算法

從讀寫(xiě)器節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息到各被搜救用戶節(jié)點(diǎn)，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(xiě)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(diǎn)到中央節(jié)點(diǎn)，采用隨機(jī)的競(jìng)爭(zhēng)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(shí)發(fā)送信息，讀寫(xiě)器可以正確收到；如果各被搜救用戶同時(shí)發(fā)送信息，則會(huì)發(fā)生沖突，使信息不可識(shí)別，必須重發(fā)。

通過(guò)劃分相等的時(shí)間片，每個(gè)時(shí)間片對(duì)于一個(gè)幀，指定被搜救用戶在每個(gè)時(shí)間的開(kāi)始端發(fā)送信息，每個(gè)時(shí)間片的長(zhǎng)度，要合理設(shè)計(jì)。因?yàn)閺母鱾€(gè)被搜救用戶的報(bào)文分組到達(dá)讀寫(xiě)器系統(tǒng)的傳輸延遲不同，最大的報(bào)文分組長(zhǎng)度相關(guān)于第一個(gè)報(bào)文分組首部到達(dá)時(shí)刻與最后一個(gè)報(bào)文分組尾部到達(dá)時(shí)刻之時(shí)間差值，由這個(gè)先后到達(dá)的時(shí)間差值，選擇每個(gè)時(shí)間片的寬度。

3 結(jié)論

本文提出的基于RFID技術(shù)的交互式生命探測(cè)儀主要由攜帶在人身上的無(wú)源激活有待機(jī)源RFID標(biāo)簽和救援人員手持可移動(dòng)的嵌入式讀寫(xiě)器組成。提出將當(dāng)前流行的RFID技術(shù)應(yīng)用于生命探測(cè)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(duì)突發(fā)性災(zāi)難。被掩埋在廢墟中的人員可通過(guò)RFID有源模塊主動(dòng)發(fā)射較強(qiáng)的求救信號(hào)，提高地面救援人員發(fā)現(xiàn)受困者的概率。針對(duì)傳統(tǒng)的有源RFID標(biāo)簽功耗大，電池壽命短的缺點(diǎn)，引入了無(wú)源激活模塊。當(dāng)探測(cè)不到附近有激活信號(hào)時(shí)，切斷有源模塊的供電，使有源模塊處于待機(jī)狀態(tài)，基本沒(méi)有能耗；當(dāng)探測(cè)到附近的激活信號(hào)，即救援人員在射頻覆蓋范圍內(nèi)時(shí)，給有源模塊供電，向讀寫(xiě)器發(fā)射大功率的求救信號(hào)，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(shí)時(shí)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(duì)幸存者的救援工作中。設(shè)計(jì)了嵌入式讀寫(xiě)器，具有便攜、可移動(dòng)及簡(jiǎn)單的人機(jī)交互等特點(diǎn)。在不影響人們?nèi)粘Ｉ畹耐瑫r(shí)，通過(guò)RFID標(biāo)簽的普及會(huì)極大地提高災(zāi)后的搜救效率。