半有源RFID技术在老年公寓老人院人员安全服务管理系统的应用

　　第一部分 半有源RFID系统开发背景

　　随着人口老龄化的趋势日益加快，老年人口越来越多，面临着很多老年人安全管理的事宜。而老人院是老年人活动、生活的一个很重要的场地，于是，对老人院老年人的安全管理问题，成为社会越来越关注的问题。针对目前敬老院等大型公共场所等对于人员的进出管理和智能化区域、定位精确定位、求助报警的需求，目前，市场上有各种不同类别的解决方案，从最初的GPS定位管理，手机定位管理，到后来的无源RFID、有源RFID无线射频管理系统，都不同程度的对老人院老年人的管理水平有所提高，对老年人的安全问题得到一些有效的解决，但依然的，还是存在一些问题。比如，老人的精确定位问题，需要定位到每个房间，老年人无意识的跌倒求助报警问题等，以上的系统都没法解决。鉴于这些问题的存在，结合我们公司半有源RFID技术的优势，我公司特意开发了本套系统“基于半有源RFID射频识别技术的老人院人员区域定位管理系统”。该方案，也是为上海宝山区某老人院量身定制的，很好的解决了人员自动化进出判断管理，人员的精确定位、区域性定位管理，跌倒求助报警等功能需求。该系统还可以实现智能监控管理，人员信息资料管理、越界报警、按钮求助报警、追踪等功能。大幅度的提升了对于老年人安全管理水平。

　　第二部分 半有源RFID技术介绍

　　一、RFID技术简介

　　RFID(Radio Frequency Identification Technology)射频识别技术是一种通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据的非接触式自动识别技术。从概念上来讲，RFID类似于条码扫描，条码扫描技术是将已编码的条形码附着于目标物并使用专用的扫描读写器利用光电信号将信息由条形磁传送到扫描读写器;而RFID则使用专用的RFID读写器及专门的可附着于目标物的RFID单元，利用RF信号将信息由RFID单元传送至RFID读写器。

　　目前，RFID技术中所衍生的产品大概有三大类：无源RFID产品、有源RFID产品、半有源RFID产品。

　　无源RFID产品发展最早，也是目前发展最成熟，市场应用最广的产品。比如，公交卡、食堂餐卡、银行卡、宾馆门禁卡、二代身份证等，这个在我们的日常生活中随处可见，属于近距离接触式识别类。其产品的主要工作频率有低频125KHZ、高频13.56MHZ、超高频433MHZ，超高频915MHZ。

　　有源RFID产品，是最近几年慢慢发展起来的，其远距离自动识别的特性，决定了其巨大的应用空间和市场潜质。目前，在远距离自动识别领域，如智能监狱，智能医院，智能停车场，智能交通，智慧城市，智慧地球及物联网等领域有重大应用。有源RFID在这个领域异军突起，属于远距离自动识别类。产品主要工作频率有超高频915MHZ，微波2.45GHZ。

　　有源RFID产品和无源RFID产品，其不同的特性，决定了不同的应用领域和不同的应用模式，也有各自的优势所在。但在本系统中，我们着重介绍介于有源RFID和无源RFID之间的半有源RFID产品，该产品集有源RFID和无源RFID的优势于一体，在门禁进出管理，人员精确定位，区域定位管理，周界管理，电子围栏及安防报警等领域有着很大的优势。

　　二、半有源RFID技术简介

　　半有源RFID产品，结合有源RFID产品及无源RFID产品的优势，在低频125KHZ频率的触发下，让微波2.45G发挥优势。半有源RFID技术，也可以叫做低频激活触发技术，利用低频近距离精确定位，微波远距离识别和上传数据，来解决单纯的有源RFID和无源RFID没有办法实现的功能。简单的说，就是近距离激活定位，远距离识别及上传数据。真正做到“运筹帷幄之中，决胜千里之外”的大将风范。

　　三、半有源RFID技术特点及优势

　　半有源RFID是一项易于操控、简单实用且特别适合用于自动化控制的灵活性应用技术，识别工作无须人工干预，它既可支持只读工作模式也可支持读写工作模式，且无需接触或瞄准;可在各种恶劣环境下自由工作，短距离射频产品不怕油渍、灰尘污染等恶劣的环境，可以替代条码，例如用在工厂的流水线上跟踪物体;长距射频产品多用于交通上，识别距离可达几十米，如自动收费或识别车辆身份等。其所具备的独特优越性是其它识别技术无法企及的，主要有以下几个方面：

　　1)、半有源RFID的特点

　　读取方便快捷：

　　数据的读取无需光源，甚至可以透过外包装来进行。有效识别距离更大，有效识别距离可达到30米以上;

　　识别速度快：

　　终端一进入磁场，解读器就可以即时读取其中的信息，而且能够同时处理多个终端，实现批量识别;

　　数据容量大：

　　数据容量最大的二维条形码(PDF417)，最多也只能存储2725个数字;若包含字母，存储量则会更少;RFID终端则可以根据用户的需要扩充到数十K;

　　使用寿命长，应用范围广：

　　其无线电通信方式，使之在粉尘、油污等高污染环境和放射性环境中，工作人员不必身在其中就可进行工作。终端的封闭式包装使得寿命大大超过印刷的条形码;

　　标签数据可动态更改：

　　利用编程器可以写入数据，从而赋予RFID标签交互式便携数据文件的功能，而且写入时间比打印条形码更少;

　　更好的安全性：

　　不仅可以嵌入或附着在不同形状、类型的产品上，而且可以为终端数据的读写设置密码保护，从而具有更高的安全性;

　　动态实时通信：

　　终端以每秒50～100次的频率与解读器进行通信，所以只要RFID终端所附着的物体出现在解读器的有效识别范围内，就可以对其位置进行动态的追踪和监控。

　　2)、半有源RFID的优势

　　相对于有源RFID产品：

　　半有源RFID产品做人员定位管理，定位精度更精确，可定位到每个房间;

　　做到相同定位精度，半有源RFID产品，成本要少很多，到达相同的效果，成本基本为有源RFID产品的一半;

　　半有源RFID产品，识别距离误差更小，大概为10cm，而有源RFID，只能是一个大概的模糊距离，信号飘忽不定，没办法做到精确;

　　半有源RFID标签，平时处于休眠状态，不耗电，很省电的，电池可用5年，而有源RFID标签，平时不断的发送信号，要耗电很多。

　　相对于GPS卫星定位：

　　半有源RFID产品定位，可以精确定位到每栋楼的每个房间，而GPS定位，只能到城市的某个区域某条街道某个小区某栋楼。

　　相对于手机区域定位：

　　半有源RFID产品定位，可以精确定位到每栋楼的每个房间，而手机定位，只能到城市的某个区域某条街道某个小区某栋楼。

　　综上所述，相比较而言，无论是从经济成本上，还是定位精度及效果上面，半有源RFID技术产品，都有其独特的优势所在，也是我们最初选择半有源RFID技术作为公司核心技术的缘由。

　　第三部分 半有源RFID系统总体介绍

　　一、系统原理

　　APS实时定位追踪系统通过RFID(电子标签)的应用，以电子标签作为目前最先进的标识码，具备了不易破损、数据可靠、使用周期长、有效通讯距离长等特点，是替代条形码、红外线标识的最佳选择。将其安装在受控目标上，来作为目标的唯一标识进行追踪和定位。

　　工作时，管理人员通过联网的无线识别基站追踪和定位目标。

　　1)半有源RFID电子标签

　　半有源RFID电子标签，是集成了有源RFID电子标签和无源RFID电子标签的优势，作为一种特殊的标示物。在平时情况，其处于休眠状态不工作，不向外界发出RFID信号，只有在其进入低频激活器的激活信号范围时，标签被激活后，才开始工作。

　　2)半有源RFID自动识别工作原理

　　结合低频激活器，半有源RFID标签，被激活后正常工作。而低频激活器的激活距离是有限的，它只能在小距离小范围精确激活，这样，以低频激活器为基点来定位，在不同的位置安装不同的基点，然后在一个大区域用远距离读写器识别读取信号，之后用不同的上传方式将信号上传到管理中心，这样，完成了整个信号的采集，传输，处理，应用的整个过程。

　　3)区域定位原理

　　示意图：

　　图示

　　如上图所示，我们采用RFID半有源技术做人员区域定位管理，在每个被监控区域，如每个房间，安装半有源定位基站，也就是我们公司的低频激活器，每个低频激活器带有4路或者6路激活天线，相邻的4个或者6个房间可以共用一台低频激活器，在整个我们的定位系统中，定位基站是最小的基点，作为定位点的最近本的基点，其激活标签的距离在3-3.5米，也就是每个标签在激活器3-3.5米的范围里被激活，其定位精度可以描述为3-3.5米。不同区域的激活器，都有自己唯一的地址码，当人员带着半有源低频激活标签进入定位基站被激活后，标签正常工作，向外界发送标签的ID号，同时也发送出激活标签的激活器的地址码，这样，通过激活器的地址码，我们就能够定位出标签所在的位置。当标签从一个激活器拿到另一个位置时，上传上来的激活器地址码也会随之变化，这样，就形成了完整的定位体系。而标签上传的数据，被大范围内的定位基站网关接收到，将信息上传至管理中心进行处理，完成了整个定位系统。

　　二、系统的总体结构

　　1)系统组成和架构

　　基于半有源RFID技术的人员区域定位管理系统由半有源RFID电子标签、半有源低频激活器、读写器(接收器、电子监控基站)、网络设备、计算机、服务器和系统软件组成。下图一个简单的人员区域定位管理系统的系统架构：

　　系统网络结构

　　2)系统区域定位示意图

　　如上图所示：通过不同的被激活的标签所上传的激活器的地址码，可以判断出不同激活器附近所在的人员情况，包括人员的数量，姓名，职务等信息。这样，无论人员走到哪里，都会有当地的激活器锁定他们，来确定他们所在的具体位置，并且及时的将信息上传至管理中心，管理中心经过一系列的变换处理，得出相关的结果。同时，也很轻松的完成了我们的既定目的，就是对人员的区域定位管理。

　　3)门禁进出管理系统

　　示意图

　　如上图所示，我们给每一个需要管理的门禁安装一台低频激活器，每台激活器引出2路低频激活天线，分别是1号天线，2号天线，各自布置在门禁的外面和里面，而在门禁旁边安装一台我们公司自主研发生产的2.45G远距离读写器，作为信号接收器。当人员佩戴着半有源RFID低频激活标签，进入门禁时，依次被激活天线1号和激活天线2号激活，这样系统则判断出人员进入门禁，相反，则系统辨识为出门。就这样完成了整个门禁系统人员进出判断的管理。

　　4)设备隐蔽安装

　　安装设备时候，我们可以充分利用安装现场的基础条件，灵活掌握安装方式，一般我们的激活天线安装在天花板上，隐秘安装，形成美观、简洁的风格。

　　三、系统的功能

　　实时布控区域目标动态显示功能：

　　1) 任一时间查询并显示受控区域目标的数量、分布情况及身份;

　　2) 查询一个或多个受控目标现在的实际位置;

　　3) 可实现信息多点共享，供多个部门及领导同时在不同地点查看;

　　丰富的地图功能：

　　具有放大、缩小、移动、标尺测距、视野控制、中心移动、土层控制、地图打印等功能。

　　禁区报警功能：

　　对于指定的禁区，如果有非授权进入，实时报警，并显示进入禁区的目标及身份。

　　目标轨迹查询：

　　可查找某目标在某个时间段内所经历的路径，并在图中画出线路轨迹。

　　丰富的受控目标考勤能力：

　　可对出入布控区域的目标进行统计，实现目标的考勤记录，建立目标的各种信息报表(如：时间报表、出勤月报表、加班报表、缺勤报表等等)。

　　突发事件控制：

　　一旦有突发事件，上位机上立即能显示出该现场的目标数量、信息，位置和历史情况等信息，大大提高安全管理工作的效率和效果。

　　四、系统性能特点

　　强大的系统处理能力：

　　1) 高度自动化;

　　2) 基于GIS 技术的地理信息显示、查询系统;

　　3) 完善的数据分析能力;

　　卓越的识别性能：

　　1) 高度的识别可靠性，100%的前端识别率;

　　2) 识别距离远(识别距离可达2-100 米可调);

　　3) 极高的防冲突性(每个识别基站可最多同时识别数以百计的运动目标);

　　4) 高度的识别稳定性(误码率小于10 万分之1);

　　5) 快速的识别速度(最快可达到200 公里/小时的识别速度)。

　　现场优势：

　　1) 环境适应性：高抗干扰性，对干扰源、周界环境无特殊要求;

　　2) 安装方便性：一体化结构设计，无需外接天线;

　　3) 运行可靠性：内部电路高度集成化，器件故障率最小化。

　　电气特性：

　　1) 超低功耗：纳瓦级超低功耗设计，RFID标签在不更换电池的情况下可连续正常工作3年以上;

　　2) 方便性、安全性，标签无须外接电源，无须充电、无须更换电池;

　　3) 无辐射，对人体和环境无任何影响，更安全更健康。

　　系统硬件设计：

　　1、工控频段

　　采用2.4G 工控频段无线通讯无需无线电管制委员会批准，不需缴纳频谱占用费用。

　　2、超低功耗

　　RFID标签采用独特的纳瓦级超低功耗设计，确保能在电池支持下持续工作长达 3～5 年左右。同时，整体结构的低功耗设计既保证了设备的有效运转，又减少了应用实施的复杂性和成本。

　　3、网络容量大

　　一个区域定位网络可以容纳多达六万余的RFID识别目标和大量的接入点。大容量保证了网络强大的数据采集能力。同时，网络的高冗余性保证了整个网络在个别节点停止工作的情况下仍然可以正常运转。

　　4、高可靠性

　　APS实时定位系统核心技术目前采用独有定位算法，实现网络自唤醒，自容错，自愈合。

　　5、运行及维护成本低

　　APS所有硬件设备均采用免维护设计，建设和维护所需要的人工费用是很低，任何一个经过授权的RFID标签只要放在网络的无线信号覆盖范围内，就可自动加入网络工作，无须任何安装配置。高度智能化最大程度上降低了网络维护所需的人力和时间，加上网络节点本身价格低廉，使得系统的维护成本极低。