有源RFID景区观光车播报系统设计

徐广伟 刘绍凯 潘宇

摘要：由于很多景区地理环境复杂，受天气和环境的影响，传统的定位技术无法实现对景点精确定位和精确播报功能。文章利用有源RFID技术优势结合景区的环境特点，开发了景区观光车播报系统。播报系统由有源RFID标签、车载阅读器、手持式阅读器和播报软件组成。系统通过安装在景点的RFID标签与景点进行一一绑定，车载阅读器接收到RFID标签信息后通知播报软件播报对应景点的视频和语音，实现对景点的精确播报、到站提醒等功能，增强了游客的观光体验，提高了景区的现代化管理服务水平。

关键词：RFID；景区；播报；阅读器

中图分类号：TP311

文献标志码：A

0 引言

无线射频识别技术（Radio Frequency Identification，RFID）是自动识别技术的一种，通过无线射频方式进行非接触双向数据通信，利用无线射频方式对记录媒体（电子标签或射频卡）进行读写，从而达到识别目标和数据交换的目的，被认为是21世纪最具发展潜力的信息技术之一。

1 观光车到站播报系统存在的问题

近年来，随着旅游业的快速发展，越来越多的景点配备旅游观光车，特别是大型旅游景点。旅游观光车的配备使许多景点可以无缝连接，节省了游客的体力及观光时间，可使游客在短时间游览尽可能多的景点。同时，旅游观光车也可以减少乘客舟车劳顿的疲劳，增强游客观光体验。然而，多数观光车没有到站播报系统，使游客不能对即将前往的景点有详细的了解，因此，游客在乘坐观光车的同时能够获取对景点介绍的需求变得尤为迫切。由于很多景区地处大山深处，云层厚，天气多变，GPS信号差且不稳定，使用传统的GPS位置信息进行报站不可行，因此设计者根据有源RFID的特点开发了本观光车播报系统。

2 射频识别技术

射频识别技术依据其标签的供电方式可分为3类，即无源RFID、有源RFID和半有源RFID。

2.1 无源RFID

无源RFID出现时间最早，最成熟，其应用也最为广泛，无源RFID主要工作在较低频段125 kHz、13.56 MkHz等，其典型应用包括公交卡、二代身份证、食堂餐卡等。无源RFID优点为结构简单、成本低、故障率低、使用寿命较长，缺点为有效识别距离通常较短，一般用于近距离的接触式识别。

2.2 有源RFID

有源RFID通过外接电源供电，主动向射频识别阅读器发送信号，其体积相对较大，拥有较长的传输距离与较高的传输速度，主要工作在900 MHz、2.45 GHz、5.8 GHz等较高频段，且具有可以同时识别多个标签的功能。有源RFID的远距性、高效性使得它在一些需要高性能、大范围的射频识别应用场合里必不可少。

2.3 半有源RFID

半有源RFID又称低频激活触发技术。在通常情况下，半有源RFID产品处于休眠状态，仅对标签中保持数据的部分进行供电，因此耗电量较小，可维持较长时间。当标签进入射频识别阅读器识别范围后，阅读器先现以125 kHz低频信号在小范围内精确激活标签使之进入工作状态，再通过2.4 GHz微波与其进行信息传递^［1］。

3 设计原理

景区观光车播报系统的最重要功能就是观光车经过每个站点或者景点就播放相应景点的视频和语音介绍，并且可以站点报站。实现对每个景点精确播报的方法有很多种，其中一种就是观光司机人为操作，即将到达景点时，司机通过按钮播放该景点的视频或者语音介绍，但是这样增加了司机的工作量，而且驾驶过程中操作极不安全。另一种传统的方法是观光车通过GPS定位技术获取对应景点的地理信息，就播放该景点或者站点的视频或者语音信息。但是由于很多自然景区地处大山深处，天气多变，云层较厚，GPS信号差，使用GPS定位进行景点播报非常不准确，容易造成错报、误报、系统稳定性差等问题，使用传统GPS定位技术进行景点播报可行性不高。一种最简单有效的方案是结合有源RFID技术的优势，每个景点安放一个有源RFID标签，有源RFID标签的编号与每个景点进行绑定，在观光车上安装RFID阅读器，RFID阅读器将读到的有源RFID標签编号信息发送给播报软件，播报软件根据有源RFID标签编号播放对应景点的视频信息，达到精确播报的目的。这样通过有源RFID技术可以不受天气和自然环境影响，能够稳定准确地实现对景点的播报。

4 系统设计

4.1 系统组成

有源RFID景区观光车播报系统是由播报软件、RFID阅读器和有源RFID标签组成。播放软件支持安装在Windows和LINUX两种操作系统，出于对系统稳定性考虑，推荐软件安装在LINUX操作系统上。RFID采用2.45 GHz有源RFID，距离最远可达100多m，而且可以调整有源标签的发射功率来调整RFID阅读器接收标签数据的距离，避免距离较近的两个景点或者站点RFID识别区域出现重叠。有源RFID标签采用大容量可充电电池，并且具有电池电量检测功能，实现对电池电量的实时检测，如果电量不足时将该电量信息发送给RFID阅读器，提示管理员及时更换电池，电量不足时也进行声光报警提示。同时，标签为节省电量有实时时钟，设置在景区关闭的时间段内标签将进行休眠，直到第二天固定时间唤醒，然后进行工作，这样可有效延长电池的使用时间。RFID标签在工作情况下，采用低功耗设计，尽可能延长电池电量的使用时间，减少更换时间，减少管理者的工作量。RFID阅读器主要是对RFID标签数据进行读取并将标签数据发送给播报软件，所以RFID阅读器采用外接全向天线，可以安放在车顶或者车子的前部，能够更快更好地接收标签发送的数据信息。同时RFID阅读器可以通过网口或者串口将标签数据发送给播报软件，达到对景点精确播放的目的。播报软件安装在LINUX车载电脑上，当接收到RFID阅读器发送的RFID标签编号时，根据编号播放该编号对应的景点视频或者语音信息。有源RFID景区观光车播报系统设计原理如图1所示。

4.2 播报软件设计

播报软件是根据RFID阅读器收到的RFID标签编号播放对应的视频或者语音，主要的技术难点是两个标签之间微波信号不能有重叠，否则会造成误报，这就需要使用手持式阅读器给有源标签设置发射功率来调整射频发送距离。首先要将有源标签工作模式拨到管理配置模式，在管理模式下标签可以进行射频数据的接收和发送，这样标签与阅读器之间可以进行数据的交互。操作手持式阅读器扫描界面搜寻周围的标签信息，通过操作界面选择要进行配置的标签，然后点击进行配置，建立链路通信，再对该标签参数进行配置、时间同步等操作。配置完成后，将标签的工作模式开关拨到正常工作模式，标签就可以定时发送标签信息。具体配置流程如图2所示。

另一个技术难点是观光车经过景点A、景点B和景点C，从景点A到B，再从景点B到C，从景点A到B时，播放景点B介绍，从景点B到C播放景点C介绍。与之相反，从景点C到景点B播放景点B的介绍，从景点B到景点A播放景点A的介绍，即播报系统对收到的同一个标签信息对应有两种或者多种视频或者语音进行播报，且观光车可能中途折返，景区岔路较多，所以需要对观光车的行进方向进行判定。播报系统通过在每个岔口和特定位置安装有源RFID标签，再结合有源标签编号的有序设置开发一套对观光车行进方向判断及快速寻找对应视频简单有效的算法，达到快速正确播报的目的。

为保证无线数据的安全性，防止不法分子对数据的破坏或者窃取，本系统在有源RFID标签和阅读器之间采用DES/AES国际算法对数据进行安全加密^［1］，同时使用MD5算法对无线数据的完整性进行保护，防止数据的丢失或者篡改。标签和阅读器出厂时，都预置了算法和密钥。

4.3 有源RFID的硬件设计

有源RFID标签硬件设计最主要的优点是功耗低，体积小，便于安装。有源RFID标签硬件部分主要包括主控芯片、2.4 G芯片、可充电电池和PCB天線^［2］，有源标签的硬件如图3所示。

主控芯片采用超低功耗芯片，主要功能是控制2.4 G芯片工作和休眠。主控芯片具有电压检测功能，可以对电池电压进行实时监测。低于设定电压时，主控芯片将进行指示灯提醒并将该信息发送给阅读器，以便及时更换电池。主控芯片还有实时时钟功能，用来定时唤醒主控芯片休眠或者工作，以便降低功耗，使电池使用时间尽可能长，减少更换电池的周期。

2.4 G芯片是射频收发芯片，主要完成无线射频数据的收发功能。2.4 G天线采用PCB天线，可以使标签的体积在兼顾性能及干扰的情况下做到最小化。工作模式拨码开关主要是用来给标签设置工作模式，本播报系统的有源RFID标签模式有两种：一种是正常工作模式，另一种是配置模式。工作模式就是标签正常工作，在该模式下标签无线射频只发送数据不接收数据，定时休眠，定时唤醒工作，工作时定时发送标签数据；配置模式是在出厂时或者更换电池时，需将标签拨到配置模式，标签无线射频功能既能发送数据又能接收数据，手持式阅读器通过无线射频来设置标签编号、射频信道及功率等参数以及同步标签时间。声光指示模块主要是用来指示标签的工作状态，并在标签异常时进行声光提示。

有源RFID阅读器有两种：车载阅读器和手持式阅读器。车载阅读器安装在观光车内，是观光车播报系统中重要的设备之一；手持式阅读器主要是用来配置标签参数及同步时间，在维护管理中使用。因为车载阅读器和手持式阅读器的应用场景和功能不同，所以两款阅读器的硬件设计也不完全相同。车载阅读器硬件设计主题架构与有源标签相似，也是有主控芯片、2.4 G射频芯片等，但车载阅读器不需要电池供电，是通过外部电源供电，所以增加电源管理相关部分。车载阅读器主要功能是快速将接收到的标签信息发送给上位机，所以对性能要求比较高，而且要提供多种通信接口，如网口、RS232、TTL以及USB接口，但对功耗要求不高，所以车载阅读器主控芯片采用ARM公司的Cortex-M3系列高性能芯片。为增加车载阅读器接收标签距离和准确度，车载阅读器2.4 G天线采用外接高增益天线，并安装在观光车的顶部或者车的前部无遮挡^［3］。手持式阅读器设计和车载阅读器硬件类似，也是主控芯片和2.4 G芯片。由于是手持式，为在操作上和使用上要智能和便捷，所以手持式阅读器采用安卓操作系统，手持式主控芯片采用Cortex-A53系统芯片，内存2 GB，支持USB2.0和USB3.0，3.5寸触摸显示屏和大容量电池，并安装自行开发的2.4 G有源标签配置管理系统软件，并配有大容量可充电电池，且2.4 G天线也采用内置高增益全向天线^［4］。

5 结语

该播报系统已在国内几大知名景点安装使用，本系统可稳定、可靠、准确地进行播报，使游客在乘坐观光车的同时能了解景点的介绍及到站播报，观光体验更好。该播报系统也使景区节约了人力成本，减轻了观光车司机的工作量，使得景区的管理更加智能化和人性化。另外，在景点播报中间可进行广告推广，增加了景区的经济效益。本播报系统自从推广使用以来，得到了广大游客和景区管理者的一致好评。

参考文献

［1］周思濛.基于RFID的旅游团自动点名系统［J］.数字技术与应用，2018（7）：46-49.

［2］王永超，郭瑞，包贵浩，等.低功耗有源RFID标签设计与实现［J］.电子测量技术，2010（7）：30-33.

［3］王金辉，韩福莹.用于定位的低功耗有源RFID标签设计［J］.电子世界，2013（17）：152-153.

［4］郑贤忠，曹小华，郑文立.有源RFID系统中电子标签的设计［J］.港口装卸，2008（2）：27-29.

（編辑 王雪芬）

Design of active RFID scenic spot sightseeing car broadcasting system

Xu Guangwei， Liu Shaokai， Pan Yu

（No.30 Institute of CETC， Chengdu 610041， China）

Abstract： Due to the complex geographical environment of many scenic spots and the influence of weather and environment， traditional positioning techniques cannot achieve precise positioning and broadcasting functions for scenic spots. The article utilizes the advantages of active RFID technology and combines the environmental characteristics of scenic spots to develop a scenic spot sightseeing vehicle broadcasting system. The broadcasting system consists of active RFID tags， car readers， handheld readers， and broadcasting software. The system binds the RFID tags installed in the scenic spots one by one with the scenic spots. After receiving the RFID tag information， the car reader notifies the broadcasting software to broadcast the corresponding video and voice of the scenic spots， achieving precise broadcasting and arrival reminders for the scenic spots， enhancing the tourist experience and improving the modern management and service level of the scenic spots.

Key words： RFID; scenic spot; broadcasting; reader