基于RFID技術的運動計時與定位系統的研究與設計

　　長期以來，體育運動中的計時和定位都是通過人工操作實現，不僅數據量十分龐大，勞動強度大，且容易出現錯誤，也失去了實時的意義，為了解決這些問題，人們研究和發展了各種各樣的自動識別技術(Automatic Identification Technology，AIDT)，將人們從繁冗的重復的又不十分精確的手工勞動中解放出來，提高體育運動計時與定位數據的實時性和準確性。RFID技術的出現和快速發展，為利用一種高效穩定的自動識別技術實現體育運動中的計時與定位系統提供了解決方案。

　　1 RFID技術原理和特點

　　RFID的英文全稱是Radio Frequency Identification，即射頻識別，它是自動識別技術的一種，屬于非接觸式的自動識別技術，通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數據。RFID技術從20世紀90年代開始興起并逐漸走向成熟。

　　1．1 RFID技術簡介

　　RFID技術是射頻識別技術的簡稱，它是一種先進的非接觸式自動識別技術，其基本原理是利用射頻信號及其空間耦合、傳輸特性，實現對靜止的或移動的待識別物品進行自動識別，采集相關數據。射頻(Radio Frequency，RF)專指具有一定波長可用于無線電通信的電磁波，RFID技術以無線通信和存儲器技術為核心，伴隨著半導體和大規模集成電路技術的成熟而進入實用化階段，RFID技術與互聯網、通信和計算機等技術相結合，應用于物流、制造、公共信息服務等行業，可大幅提高管理與運作效率，降低成本。全球最大的管理咨詢公司和技術服務供應商埃森哲公司實驗室的首席科學家弗格森認為RFID是一種突破性的技術： “第一是可以識別單個的非常具體的物體，而不是像條形碼那樣只能識別一類物體；第二是其采用無線電射頻，可以透過外部材料讀取數據，而條形碼必須依靠激光來讀取信息；第三是可以同時對多個物體進行識別，而條形碼只能一個一個地讀。此外，存儲的信息量也非常大” 。

　　1．2 RFID系統基本組成

　　一個基本的RFID系統由電子標簽(Tag)、讀寫器(Reader)、天線(Antenna)和中間件(Middle—Ware)組成，如圖l所示。

　　1．3 RFID系統工作原理

　　圖1給出了RFID的系統組成，其基本工作流程是：讀寫器通過發射天線發送一定頻率的射頻信號，當電子標簽進入發射天線工作區域時產生感應電流，電子標簽獲得能量被激活；電子標簽將自身編碼等信息通過內置發送天線發送出去；系統接收天線收到從電子標簽發送來的載波信號，經天線調節器傳送到讀寫器，讀寫器對接收的信號進行解調和解碼，然后通過中間件送到后臺管理信息系統進行相關處理；主系統根據邏輯運算判斷該標簽的合法性，針對不同的條件設定做出相應的處理和控制，發出指令信號控制執行機構動作。

 

圖1 RFID系統組成

　　1．4 RFID技術特點

　　RFID以無線方式進行雙向通信，不受空間限制，可快速地進行物品追蹤和數據交換．與目前廣泛使用的條形碼、磁卡、Ic卡等自動識別技術相比，RFID技術具有以下幾個特點：

　　(1)數據的讀寫(read write)功能。通過RFID讀寫器不需接觸獲取數據，讀取標簽信息至數據庫內，且可一次處理多個標簽，并可以將相關數據寫入標簽，供系統進行功能擴展。

　　(2)容易小型化和多樣化的形狀：RFID在讀取上并不受尺寸大小與形狀的限制，可以實現多種多樣的物理封裝形式。此外，RFID標簽可往小型化發展，方便應用在不同產品。

　　(3)耐環境性。條碼容易受到臟污會無法識別，但RFID標簽經封裝處理后對水、油和化學藥品等物質卻有強有力的抗污性。并且，RFID在黑暗或強光環境下，也可以讀取數據。

　　(4)可重復使用。由于RFID為電子數據，可以反復被覆寫入信息，因此可以回收標簽重復使用。如被動式ILHD，不需要電池就可以使用，沒有維護保養的需要。

　　(5)穿透性。RFID若被紙張、木材和塑料等非金屬或非透明的材質包覆的話，也可以進行穿透通信。

　　(6)數據的記憶容量大。數據容量會隨著記憶規格的發展而擴大，未來物品所需攜帶的信息量愈來愈大，對標簽所能擴充容量的需求也在增加，RHD標簽可擁有大容量的存儲空間。

　　2 系統研究

　　2．1 設計目標

　　為保證在體育運動中計時與定位的實時、準確，設計的系統應該滿足以下指標：

　　(1)對攜帶RHD標簽的運動員具有自動識別和區域定位功能；
　　(2)可進行大批量識別，準確度大于99％，誤報率低于0．1％；
　　(3)RHD標簽運動員攜帶方便，牢固，不易脫落；
　　(4)抗干擾能力強，電池兼容性較好，并對人體不會產生不良影響。

　　2．2 總體方案

　　(1)系統描述。基于RFID技術的運動計時與定位系統，以先進的RFID技術為基礎，結合數據庫、數字信號處理、微弱信號檢測等技術，通過RFID讀寫器非接觸式讀取運動員隨身攜帶(或運動設備上，如：賽車、自行車、賽艇等)的RFID電子標簽，從而確定運動員通過該讀寫器的時間，然后通過數據傳輸模塊(根據賽場規模選擇無線或者有線傳輸模塊)將相關數據信息傳送到監控終端，獲取實時的計時和定位數據；并在運動員通過讀寫器控制區域時向RFID電子標簽寫入相關區域代碼，為賽后核查區域定位數據提供依據。該系統使得利用自動化設備對運動員計時和定位的設想成為可能，可以廣泛應用于馬拉松、鐵人三項、賽車、滑雪、山地自行車等比賽運動中，還可以通過此系統監控運動員的通過區域，若在比賽過程出現事故，可以提高救援人員的反應速度，達到提高運動員安全性的目的。

　　2)系統構成。系統由硬件和軟件兩部分組成。其中硬件部分包括：檢測通道、RFID 數據庫服務器 監拉終端讀寫器、傳輸模塊、監控終端、數據庫服務器和RFID標簽；軟件部分包括：后臺數據庫和應用軟件。如圖2所示。 

 

圖2 系統總體架構 

　　3 系統設計

　　3．1 硬件選型

　　系統硬件選型主要包括RFID標簽、RFID讀寫器、RFID天線、傳輸模塊、監控終端和數據庫服務器。因為系統是應用在運動計時與定位上，所以對于RFID的檢測速度、檢測距離、識別數量都有較高的要求，根據RFID技術系統的分類，選用860MHz～960MHz頻率范圍內帶用戶存儲空間的無源RFID電子標簽，該頻率的RFID系統的特點是識別距離可達l0米以上，穿透能力強，具有良好的防水性，適合應用在環境變化極大，很潮濕，灰塵大，道路泥濘，溫差變化大等惡劣的比賽環境中。

　　系統的檢測通道由RFID讀寫器和RFID天線組成，RFID天線可以根據不同比賽的實際需求選用不同的類型，如賽車比賽中可部署為地感式，馬拉松比賽可部署為懸掛式，山地自行車比賽可部署為定向式。

　　系統根據不同的比賽場地選用有線或無線傳輸模塊，例如在較小的比賽場地(體育場內)可以采用有線傳輸模塊，通過局域網連接各區域讀寫器、監控終端和數據庫服務器。對于較大的比賽場地如滑雪、山地自行車、馬拉松賽場等采用無線GSM傳輸模塊，無線傳輸相關計時和定位數據。

　　監控終端和數據庫服務器選用相應性能的計算機即可滿足系統設計和應用。

　　3．2 軟件設計

　　通過對系統的需求分析，可以知道系統的軟件結構分為三大部分：賽前數據管理、賽間數據管理、賽后數據管理。

　　(1)賽前數據管理。比賽之前，在數據庫系統中將參賽運動員相關數據與RFID電子標簽自身唯一ID號綁定，并通過RFID讀寫器初始化RFID電子標簽中的用戶存儲空間。

　　(2)賽間數據管理。比賽期間，當運動員通過部署在賽場不同位置的檢測通道(由RFID讀寫器和RFID天線組成)時，檢測通道向RFID電子標簽的用戶區域寫入相關區域信息，并將相關數據通過數據傳輸模塊實時地傳送到監控中心，并存儲在數據庫中，通過相關輸出接口傳送給裁判、救援或觀眾的信息屏上。