陳軍慧+楊登輝+黃慧冬

摘 要： 針對(duì)人們對(duì)特殊復(fù)雜環(huán)境下信息安全和人員管理的實(shí)際需求，而傳統(tǒng)GPS定位技術(shù)在無法滿足實(shí)時(shí)、高精度定位的問題，提出了一種基于半有源RFID技術(shù)的人員跟蹤定位方法。設(shè)計(jì)并開發(fā)出的125 kHz低頻激勵(lì)器，激勵(lì)半徑1～10 m可調(diào)，激勵(lì)區(qū)域邊沿控制達(dá)到分米級(jí)。采用低頻激勵(lì)器、RFID閱讀器和雙頻標(biāo)簽搭建的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)經(jīng)過測(cè)試，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，人員定位跟蹤信息實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確。

關(guān)鍵詞： 半有源RFID； 低頻激勵(lì)器； 雙頻RFID標(biāo)簽； 人員定位跟蹤

中圖分類號(hào)： TN964?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）18?0130?03

Personnel tracking and positioning system based on semi?active RFID technology

CHEN Jun?hui1， YANG Deng?hui1， HUANG Hui?dong2

（1. No. 52 Research Institute， China Electronics Technology Group Corporation， Hangzhou 310012， China；

2. Automation College， Hangzhou Dianzi University， Hangzhou 310018， China）

Abstract： Aiming at the practical needs for information security and personnel management under special complex environment， a staff tracking and positioning method based on semi?active RFID technology is proposed because the traditional GPS positioning technology can not meet the high?precision real?time positioning. A 125 Khz low?frequency exciter with adjustable excitation radius of 1～10 m and excitation region edge control of decimeter level was designed. The experimental system constructed by low?frequency actuator， RFID reader and dual?frequency RFID tags was tested. The test result show that the experimental system based on semi?active RFID technology is stable and its tracking information is real?time and accurate.

Keywords： semi?active RFID； LF exciter； dual?frequency RFID tag； personnel positioning and tracking

0 引 言

RFID（Radio Frequency Identification，射頻識(shí)別）技術(shù)[1]，又稱無線射頻識(shí)別，是一種通信技術(shù)，可通過無線電信號(hào)識(shí)別特定目標(biāo)并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)，而無需識(shí)別系統(tǒng)與特定目標(biāo)之間建立機(jī)械或光學(xué)接觸。根據(jù)頻段可分為低頻（125～134.2 kHz）、高頻（13.56 MHz）、超高頻，微波；而根據(jù)產(chǎn)品形態(tài)又可以分為無源RFID、有源RFID和半有源RFID。無源RFID產(chǎn)品發(fā)展最早，也是發(fā)展最成熟，比如，公交卡、銀行卡、門禁卡、二代身份證等；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(dòng)識(shí)別的特性，決定了其巨大的應(yīng)用空間和市場(chǎng)潛質(zhì)，如智能交通，物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域有重大應(yīng)用；近兩年剛剛起步的半有源RFID技術(shù)[2]，結(jié)合有源RFID及無源RFID的優(yōu)勢(shì)，利用低頻近距離精確定位，微波遠(yuǎn)距離識(shí)別和上傳數(shù)據(jù)。本文提出的一種新的人員跟蹤定位方法正是基于半有源RFID技術(shù)，采用閱讀器和低頻激勵(lì)器以及雙頻標(biāo)簽組成的人員跟蹤定位系統(tǒng)，已經(jīng)實(shí)施并取得了很好的實(shí)際使用效果，對(duì)解決室內(nèi)或礦井等復(fù)雜環(huán)境的人員跟蹤定位，具有很高的應(yīng)用前景。

1 人員跟蹤定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于半有源RFID技術(shù)的人員跟蹤定位系統(tǒng)是由有源RFID閱讀器、125 kHz低頻激勵(lì)器以及有源RFID雙頻標(biāo)簽共同組成的。如圖1所示，當(dāng)持有雙頻標(biāo)簽的人員進(jìn)入125 kHz低頻激勵(lì)器的覆蓋區(qū)后，雙頻標(biāo)簽被喚醒，2.4 GHz開始工作。當(dāng)標(biāo)簽成功接收到激勵(lì)信息后，由被動(dòng)態(tài)變?yōu)橹鲃?dòng)態(tài)（被動(dòng)態(tài)指的是標(biāo)簽處于125 kHz接收狀態(tài)；主動(dòng)態(tài)指2.4 GHz發(fā)射并接收狀態(tài)），同時(shí)將帶有激勵(lì)標(biāo)識(shí)和激勵(lì)器ID信息發(fā)送給有源RFID閱讀器，有源RFID閱讀器接收到信息后和標(biāo)簽握手并將信息打包上報(bào)到上位機(jī)，最終由上位機(jī)根據(jù)激勵(lì)器ID和標(biāo)簽ID判斷標(biāo)簽的實(shí)時(shí)位置[3]。在低頻125 kHz低頻激勵(lì)器激勵(lì)雙頻標(biāo)簽時(shí)，激勵(lì)器將通信信道、激勵(lì)器ID等信息以O(shè)OK調(diào)制方式調(diào)制在由MCU產(chǎn)生的125 kHz載波上形成激勵(lì)信號(hào)，并按照一定周期不斷地向外發(fā)送，雙頻標(biāo)簽進(jìn)入激勵(lì)區(qū)即被喚醒。

在無線通信鏈路上有125 kHz低頻和2.4 GHz兩個(gè)頻段，低頻125 kHz主要是做激勵(lì)區(qū)域控制，2.4 GHz做數(shù)據(jù)、信息傳遞。低頻125 kHz作低頻觸發(fā)有很明顯的優(yōu)勢(shì)：

（1） 該頻段的波長大約為2 500 m，除了金屬材料影響外，一般能夠穿過任意材料的物品而不降低它的讀取距離；

（2） 該頻段的磁場(chǎng)區(qū)域下降很快，能夠產(chǎn)生相對(duì)均勻的讀寫區(qū)域，邊沿控制能達(dá)到分米級(jí)別。

同樣低頻的致命缺陷是相對(duì)于其他頻段，該頻段數(shù)據(jù)傳輸速率比較慢，不適合做大數(shù)據(jù)量的信息無線傳輸。

2.4 GHz頻段有很好的讀取距離，但是對(duì)讀取區(qū)域很難進(jìn)行定義；有很高的數(shù)據(jù)傳輸速率，在很短的時(shí)間可以讀取大量的電子標(biāo)簽，但由于波長短繞射能力差不能通過許多材料，特別是金屬、液體、灰塵、霧等懸浮顆粒物質(zhì)，復(fù)雜環(huán)境下距離下降快，讀卡能力大打折扣甚至讀取不到標(biāo)簽。本文提出的人員跟蹤定位方法將兩者優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，摒棄其缺點(diǎn)，根據(jù)室內(nèi)或礦井等復(fù)雜環(huán)境可以多布置RFID閱讀器保證人員實(shí)時(shí)跟蹤定位[4]。

圖1 人員跟蹤定位系統(tǒng)示意圖

2 125 kHz低頻激勵(lì)的工作原理

125 kHz低頻激勵(lì)技術(shù)作為本文人員跟蹤定位方法的核心技術(shù)，激勵(lì)區(qū)域的邊沿控制是決定定位是否準(zhǔn)確的前提，但激勵(lì)區(qū)域大小直接決定著定位能否實(shí)現(xiàn)。雖然低頻波長長，區(qū)域控制好，但低頻另外一個(gè)缺點(diǎn)就是不容易發(fā)射，也就是說激勵(lì)距離很難做遠(yuǎn)。現(xiàn)在市場(chǎng)上低頻激勵(lì)最成熟的產(chǎn)品是汽車PKE鑰匙[5]，距離車子3 m左右的位置實(shí)現(xiàn)開、鎖門。本文中的低頻激勵(lì)器工作原理和PKE鑰匙大致相同，不同的是汽車鑰匙是主動(dòng)發(fā)射125 kHz信號(hào)，車子接收，雖然鑰匙很小但車子的接收天線可以做的很大，這樣就能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信。本文中的低頻激勵(lì)技術(shù)是激勵(lì)器不斷發(fā)射125 kHz調(diào)制信號(hào)，標(biāo)簽處于被動(dòng)接收125 kHz信號(hào)狀態(tài)。雙頻標(biāo)簽由于大小、厚度、美觀的限制，要小巧便攜，這樣標(biāo)簽的接收天線不可能做得很大，要提高通信距離就只能提高激勵(lì)器發(fā)射信號(hào)的功率。如圖2所示是全橋式放大發(fā)射電路，MCU產(chǎn)生兩路125 kHz的PWM信號(hào)，經(jīng)過橋式電路放大，最終經(jīng)天線發(fā)射出去[6]。

圖2 全橋式放大發(fā)射電路

采用集成驅(qū)動(dòng)芯片搭建的橋式驅(qū)動(dòng)電路，當(dāng)驅(qū)動(dòng)芯片使能端EN有效時(shí)，輸出端HO和LO的波形分別與PWM波形邏輯相反，幅值放大到VCC。當(dāng)PWM為高時(shí)，HO，LO輸出為低，負(fù)載（諧振電路）上獲得正半周信號(hào)。同理，當(dāng)PWM為低時(shí)，負(fù)載（諧振電路）上獲得負(fù)半周信號(hào)。理想情況下，設(shè)MOS管的UCES=0，則輸出的最大功率公式如下：

[PO=12V2CCRL] （1）

橋式放大電路[7]其實(shí)質(zhì)就是一個(gè)由L，C組成的振蕩選頻電路，所謂選頻就是選出需要的頻率分量并且濾除不需要的頻率分量。選頻網(wǎng)絡(luò)根據(jù)不同應(yīng)用目的大致分為振蕩電路和濾波電路兩大類。本文中的振蕩電路是串聯(lián)諧振方式，串聯(lián)諧振電路等效模型如圖3所示，諧振條件[ωL-1ωC=0]，回路電流[I=IO=VSR]達(dá)到最大且與電壓源同相，諧振時(shí)回路呈現(xiàn)純電阻特性。

圖3 串聯(lián)諧振模型

串聯(lián)諧振電路品質(zhì)因數(shù)即諧振時(shí)回路感抗值（或容抗值）與回路電阻R的比值，以Q表示，它表示回路損耗的大小：

[Q=ω0LR=1ω0CR=1RLC] （2）

諧振電流另外一個(gè)很重要的參數(shù)就是失諧系數(shù)，公式如式（3）、式（4）所示，它是表示回路失諧大小的量，其定義為：

[ξ=XR=ωL-1ωCR=ω0LRωω0-ω0ω=Q0ωω0-ω0ω] （3）

式中X為失諧時(shí)的阻抗。

當(dāng)[ω≈ω0]，即失諧不大時(shí)：

[ξ≈Q0?2Δωω0=Q0?2Δff0] （4）

當(dāng)諧振時(shí)：[ξ=0]。

諧振曲線即串聯(lián)諧振回路中電流幅值與外加電動(dòng)勢(shì)頻率之間的關(guān)系，用N（f）表示諧振曲線的函數(shù)，公式如式（5），曲線如圖4所示，改變頻率，回路電流I下降到Io的[12]時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率范圍稱為諧振回路的通頻帶，用B表示，公式如式（6）：

[N（f）=VSR+j（ωL-1ωC）VSR=11+ωL-ωCR=11+jξ] （5）

[B=2Δω0.7=f0Q] （6）

圖4 Q值與諧振曲線關(guān)系

3 125 kHz通信鏈路

低頻激勵(lì)器以O(shè)OK調(diào)制模式向雙頻標(biāo)簽發(fā)送激勵(lì)信號(hào)，數(shù)據(jù)編碼采用曼徹斯特編碼方式，數(shù)率接近3 000 b/s，波形如圖5和圖6所示，數(shù)據(jù)包前導(dǎo)至少由3個(gè)3 000 μs周期的脈沖構(gòu)成，如果有多個(gè)數(shù)據(jù)包發(fā)送，在數(shù)據(jù)包之間必須插入2個(gè)3 000 μs的隔離周期。

4 結(jié) 語

本文提出了基于半有源RFID技術(shù)的人員跟蹤定位系統(tǒng)，重點(diǎn)講解了125 kHz低頻激勵(lì)器的工作原理和實(shí)現(xiàn)電路。整個(gè)系統(tǒng)主要解決室內(nèi)或礦井等復(fù)雜環(huán)境的人員跟蹤定位，低頻激勵(lì)區(qū)域可精確控制，定位實(shí)時(shí)準(zhǔn)確，具有很高的應(yīng)用前景和社會(huì)價(jià)值。

圖5 OOK數(shù)據(jù)包格式

圖6 諧振電流波形圖

參考文獻(xiàn)

[1] FINKENZELLER Klaus.射頻識(shí)別技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[2] 翁凱利，武岳山.潛力巨大的有源三元雙頻RFID系統(tǒng)[J].中國自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，2006（3）：42?44.

[3] 張穎，李凱，王建偉.一種有源RFID局域定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2012（5）：68?70.

[4] 張長森，李賡.基于RFID的礦井人員定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].河南理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2009（6）：724?728.

[5] Microchip Technology Inc. Passive keyless entry （PKE） reference design user's manual [M]. USA： Microchip Technology Inc， 2006.

[6] SCHARFELDT S M， AHLKVIST T. An analysis of the fundamental constraints on low?cost passive radio?frequency identification system design [D]. USA： Department of Mechanical Engineering， Massachusetts Institute of Technology， 2001.

[7] 羅振中，洪瀾.模擬電子技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

（2） 該頻段的磁場(chǎng)區(qū)域下降很快，能夠產(chǎn)生相對(duì)均勻的讀寫區(qū)域，邊沿控制能達(dá)到分米級(jí)別。

同樣低頻的致命缺陷是相對(duì)于其他頻段，該頻段數(shù)據(jù)傳輸速率比較慢，不適合做大數(shù)據(jù)量的信息無線傳輸。

2.4 GHz頻段有很好的讀取距離，但是對(duì)讀取區(qū)域很難進(jìn)行定義；有很高的數(shù)據(jù)傳輸速率，在很短的時(shí)間可以讀取大量的電子標(biāo)簽，但由于波長短繞射能力差不能通過許多材料，特別是金屬、液體、灰塵、霧等懸浮顆粒物質(zhì)，復(fù)雜環(huán)境下距離下降快，讀卡能力大打折扣甚至讀取不到標(biāo)簽。本文提出的人員跟蹤定位方法將兩者優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，摒棄其缺點(diǎn)，根據(jù)室內(nèi)或礦井等復(fù)雜環(huán)境可以多布置RFID閱讀器保證人員實(shí)時(shí)跟蹤定位[4]。

圖1 人員跟蹤定位系統(tǒng)示意圖

2 125 kHz低頻激勵(lì)的工作原理

125 kHz低頻激勵(lì)技術(shù)作為本文人員跟蹤定位方法的核心技術(shù)，激勵(lì)區(qū)域的邊沿控制是決定定位是否準(zhǔn)確的前提，但激勵(lì)區(qū)域大小直接決定著定位能否實(shí)現(xiàn)。雖然低頻波長長，區(qū)域控制好，但低頻另外一個(gè)缺點(diǎn)就是不容易發(fā)射，也就是說激勵(lì)距離很難做遠(yuǎn)?，F(xiàn)在市場(chǎng)上低頻激勵(lì)最成熟的產(chǎn)品是汽車PKE鑰匙[5]，距離車子3 m左右的位置實(shí)現(xiàn)開、鎖門。本文中的低頻激勵(lì)器工作原理和PKE鑰匙大致相同，不同的是汽車鑰匙是主動(dòng)發(fā)射125 kHz信號(hào)，車子接收，雖然鑰匙很小但車子的接收天線可以做的很大，這樣就能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信。本文中的低頻激勵(lì)技術(shù)是激勵(lì)器不斷發(fā)射125 kHz調(diào)制信號(hào)，標(biāo)簽處于被動(dòng)接收125 kHz信號(hào)狀態(tài)。雙頻標(biāo)簽由于大小、厚度、美觀的限制，要小巧便攜，這樣標(biāo)簽的接收天線不可能做得很大，要提高通信距離就只能提高激勵(lì)器發(fā)射信號(hào)的功率。如圖2所示是全橋式放大發(fā)射電路，MCU產(chǎn)生兩路125 kHz的PWM信號(hào)，經(jīng)過橋式電路放大，最終經(jīng)天線發(fā)射出去[6]。

圖2 全橋式放大發(fā)射電路

采用集成驅(qū)動(dòng)芯片搭建的橋式驅(qū)動(dòng)電路，當(dāng)驅(qū)動(dòng)芯片使能端EN有效時(shí)，輸出端HO和LO的波形分別與PWM波形邏輯相反，幅值放大到VCC。當(dāng)PWM為高時(shí)，HO，LO輸出為低，負(fù)載（諧振電路）上獲得正半周信號(hào)。同理，當(dāng)PWM為低時(shí)，負(fù)載（諧振電路）上獲得負(fù)半周信號(hào)。理想情況下，設(shè)MOS管的UCES=0，則輸出的最大功率公式如下：

[PO=12V2CCRL] （1）

橋式放大電路[7]其實(shí)質(zhì)就是一個(gè)由L，C組成的振蕩選頻電路，所謂選頻就是選出需要的頻率分量并且濾除不需要的頻率分量。選頻網(wǎng)絡(luò)根據(jù)不同應(yīng)用目的大致分為振蕩電路和濾波電路兩大類。本文中的振蕩電路是串聯(lián)諧振方式，串聯(lián)諧振電路等效模型如圖3所示，諧振條件[ωL-1ωC=0]，回路電流[I=IO=VSR]達(dá)到最大且與電壓源同相，諧振時(shí)回路呈現(xiàn)純電阻特性。

圖3 串聯(lián)諧振模型

串聯(lián)諧振電路品質(zhì)因數(shù)即諧振時(shí)回路感抗值（或容抗值）與回路電阻R的比值，以Q表示，它表示回路損耗的大小：

[Q=ω0LR=1ω0CR=1RLC] （2）

諧振電流另外一個(gè)很重要的參數(shù)就是失諧系數(shù)，公式如式（3）、式（4）所示，它是表示回路失諧大小的量，其定義為：

[ξ=XR=ωL-1ωCR=ω0LRωω0-ω0ω=Q0ωω0-ω0ω] （3）

式中X為失諧時(shí)的阻抗。

當(dāng)[ω≈ω0]，即失諧不大時(shí)：

[ξ≈Q0?2Δωω0=Q0?2Δff0] （4）

當(dāng)諧振時(shí)：[ξ=0]。

諧振曲線即串聯(lián)諧振回路中電流幅值與外加電動(dòng)勢(shì)頻率之間的關(guān)系，用N（f）表示諧振曲線的函數(shù)，公式如式（5），曲線如圖4所示，改變頻率，回路電流I下降到Io的[12]時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率范圍稱為諧振回路的通頻帶，用B表示，公式如式（6）：

[N（f）=VSR+j（ωL-1ωC）VSR=11+ωL-ωCR=11+jξ] （5）

[B=2Δω0.7=f0Q] （6）

圖4 Q值與諧振曲線關(guān)系

3 125 kHz通信鏈路

低頻激勵(lì)器以O(shè)OK調(diào)制模式向雙頻標(biāo)簽發(fā)送激勵(lì)信號(hào)，數(shù)據(jù)編碼采用曼徹斯特編碼方式，數(shù)率接近3 000 b/s，波形如圖5和圖6所示，數(shù)據(jù)包前導(dǎo)至少由3個(gè)3 000 μs周期的脈沖構(gòu)成，如果有多個(gè)數(shù)據(jù)包發(fā)送，在數(shù)據(jù)包之間必須插入2個(gè)3 000 μs的隔離周期。

4 結(jié) 語

本文提出了基于半有源RFID技術(shù)的人員跟蹤定位系統(tǒng)，重點(diǎn)講解了125 kHz低頻激勵(lì)器的工作原理和實(shí)現(xiàn)電路。整個(gè)系統(tǒng)主要解決室內(nèi)或礦井等復(fù)雜環(huán)境的人員跟蹤定位，低頻激勵(lì)區(qū)域可精確控制，定位實(shí)時(shí)準(zhǔn)確，具有很高的應(yīng)用前景和社會(huì)價(jià)值。

圖5 OOK數(shù)據(jù)包格式

圖6 諧振電流波形圖

參考文獻(xiàn)

[1] FINKENZELLER Klaus.射頻識(shí)別技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[2] 翁凱利，武岳山.潛力巨大的有源三元雙頻RFID系統(tǒng)[J].中國自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，2006（3）：42?44.

[3] 張穎，李凱，王建偉.一種有源RFID局域定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2012（5）：68?70.

[4] 張長森，李賡.基于RFID的礦井人員定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].河南理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2009（6）：724?728.

[5] Microchip Technology Inc. Passive keyless entry （PKE） reference design user's manual [M]. USA： Microchip Technology Inc， 2006.

[6] SCHARFELDT S M， AHLKVIST T. An analysis of the fundamental constraints on low?cost passive radio?frequency identification system design [D]. USA： Department of Mechanical Engineering， Massachusetts Institute of Technology， 2001.

[7] 羅振中，洪瀾.模擬電子技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

（2） 該頻段的磁場(chǎng)區(qū)域下降很快，能夠產(chǎn)生相對(duì)均勻的讀寫區(qū)域，邊沿控制能達(dá)到分米級(jí)別。

同樣低頻的致命缺陷是相對(duì)于其他頻段，該頻段數(shù)據(jù)傳輸速率比較慢，不適合做大數(shù)據(jù)量的信息無線傳輸。

2.4 GHz頻段有很好的讀取距離，但是對(duì)讀取區(qū)域很難進(jìn)行定義；有很高的數(shù)據(jù)傳輸速率，在很短的時(shí)間可以讀取大量的電子標(biāo)簽，但由于波長短繞射能力差不能通過許多材料，特別是金屬、液體、灰塵、霧等懸浮顆粒物質(zhì)，復(fù)雜環(huán)境下距離下降快，讀卡能力大打折扣甚至讀取不到標(biāo)簽。本文提出的人員跟蹤定位方法將兩者優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，摒棄其缺點(diǎn)，根據(jù)室內(nèi)或礦井等復(fù)雜環(huán)境可以多布置RFID閱讀器保證人員實(shí)時(shí)跟蹤定位[4]。

圖1 人員跟蹤定位系統(tǒng)示意圖

2 125 kHz低頻激勵(lì)的工作原理

125 kHz低頻激勵(lì)技術(shù)作為本文人員跟蹤定位方法的核心技術(shù)，激勵(lì)區(qū)域的邊沿控制是決定定位是否準(zhǔn)確的前提，但激勵(lì)區(qū)域大小直接決定著定位能否實(shí)現(xiàn)。雖然低頻波長長，區(qū)域控制好，但低頻另外一個(gè)缺點(diǎn)就是不容易發(fā)射，也就是說激勵(lì)距離很難做遠(yuǎn)。現(xiàn)在市場(chǎng)上低頻激勵(lì)最成熟的產(chǎn)品是汽車PKE鑰匙[5]，距離車子3 m左右的位置實(shí)現(xiàn)開、鎖門。本文中的低頻激勵(lì)器工作原理和PKE鑰匙大致相同，不同的是汽車鑰匙是主動(dòng)發(fā)射125 kHz信號(hào)，車子接收，雖然鑰匙很小但車子的接收天線可以做的很大，這樣就能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信。本文中的低頻激勵(lì)技術(shù)是激勵(lì)器不斷發(fā)射125 kHz調(diào)制信號(hào)，標(biāo)簽處于被動(dòng)接收125 kHz信號(hào)狀態(tài)。雙頻標(biāo)簽由于大小、厚度、美觀的限制，要小巧便攜，這樣標(biāo)簽的接收天線不可能做得很大，要提高通信距離就只能提高激勵(lì)器發(fā)射信號(hào)的功率。如圖2所示是全橋式放大發(fā)射電路，MCU產(chǎn)生兩路125 kHz的PWM信號(hào)，經(jīng)過橋式電路放大，最終經(jīng)天線發(fā)射出去[6]。

圖2 全橋式放大發(fā)射電路

采用集成驅(qū)動(dòng)芯片搭建的橋式驅(qū)動(dòng)電路，當(dāng)驅(qū)動(dòng)芯片使能端EN有效時(shí)，輸出端HO和LO的波形分別與PWM波形邏輯相反，幅值放大到VCC。當(dāng)PWM為高時(shí)，HO，LO輸出為低，負(fù)載（諧振電路）上獲得正半周信號(hào)。同理，當(dāng)PWM為低時(shí)，負(fù)載（諧振電路）上獲得負(fù)半周信號(hào)。理想情況下，設(shè)MOS管的UCES=0，則輸出的最大功率公式如下：

[PO=12V2CCRL] （1）

橋式放大電路[7]其實(shí)質(zhì)就是一個(gè)由L，C組成的振蕩選頻電路，所謂選頻就是選出需要的頻率分量并且濾除不需要的頻率分量。選頻網(wǎng)絡(luò)根據(jù)不同應(yīng)用目的大致分為振蕩電路和濾波電路兩大類。本文中的振蕩電路是串聯(lián)諧振方式，串聯(lián)諧振電路等效模型如圖3所示，諧振條件[ωL-1ωC=0]，回路電流[I=IO=VSR]達(dá)到最大且與電壓源同相，諧振時(shí)回路呈現(xiàn)純電阻特性。

圖3 串聯(lián)諧振模型

串聯(lián)諧振電路品質(zhì)因數(shù)即諧振時(shí)回路感抗值（或容抗值）與回路電阻R的比值，以Q表示，它表示回路損耗的大?。?/p>

[Q=ω0LR=1ω0CR=1RLC] （2）

諧振電流另外一個(gè)很重要的參數(shù)就是失諧系數(shù)，公式如式（3）、式（4）所示，它是表示回路失諧大小的量，其定義為：

[ξ=XR=ωL-1ωCR=ω0LRωω0-ω0ω=Q0ωω0-ω0ω] （3）

式中X為失諧時(shí)的阻抗。

當(dāng)[ω≈ω0]，即失諧不大時(shí)：

[ξ≈Q0?2Δωω0=Q0?2Δff0] （4）

當(dāng)諧振時(shí)：[ξ=0]。

諧振曲線即串聯(lián)諧振回路中電流幅值與外加電動(dòng)勢(shì)頻率之間的關(guān)系，用N（f）表示諧振曲線的函數(shù)，公式如式（5），曲線如圖4所示，改變頻率，回路電流I下降到Io的[12]時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率范圍稱為諧振回路的通頻帶，用B表示，公式如式（6）：

[N（f）=VSR+j（ωL-1ωC）VSR=11+ωL-ωCR=11+jξ] （5）

[B=2Δω0.7=f0Q] （6）

圖4 Q值與諧振曲線關(guān)系

3 125 kHz通信鏈路

低頻激勵(lì)器以O(shè)OK調(diào)制模式向雙頻標(biāo)簽發(fā)送激勵(lì)信號(hào)，數(shù)據(jù)編碼采用曼徹斯特編碼方式，數(shù)率接近3 000 b/s，波形如圖5和圖6所示，數(shù)據(jù)包前導(dǎo)至少由3個(gè)3 000 μs周期的脈沖構(gòu)成，如果有多個(gè)數(shù)據(jù)包發(fā)送，在數(shù)據(jù)包之間必須插入2個(gè)3 000 μs的隔離周期。

4 結(jié) 語

本文提出了基于半有源RFID技術(shù)的人員跟蹤定位系統(tǒng)，重點(diǎn)講解了125 kHz低頻激勵(lì)器的工作原理和實(shí)現(xiàn)電路。整個(gè)系統(tǒng)主要解決室內(nèi)或礦井等復(fù)雜環(huán)境的人員跟蹤定位，低頻激勵(lì)區(qū)域可精確控制，定位實(shí)時(shí)準(zhǔn)確，具有很高的應(yīng)用前景和社會(huì)價(jià)值。

圖5 OOK數(shù)據(jù)包格式

圖6 諧振電流波形圖

參考文獻(xiàn)

[1] FINKENZELLER Klaus.射頻識(shí)別技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[2] 翁凱利，武岳山.潛力巨大的有源三元雙頻RFID系統(tǒng)[J].中國自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，2006（3）：42?44.

[3] 張穎，李凱，王建偉.一種有源RFID局域定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2012（5）：68?70.

[4] 張長森，李賡.基于RFID的礦井人員定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].河南理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2009（6）：724?728.

[5] Microchip Technology Inc. Passive keyless entry （PKE） reference design user's manual [M]. USA： Microchip Technology Inc， 2006.

[6] SCHARFELDT S M， AHLKVIST T. An analysis of the fundamental constraints on low?cost passive radio?frequency identification system design [D]. USA： Department of Mechanical Engineering， Massachusetts Institute of Technology， 2001.

[7] 羅振中，洪瀾.模擬電子技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.