基于有源RFID的野生动物监管系统设计

周 丽,刘 凯,夏瑞学

（1.浙江海康科技有限公司,浙江 杭州 310012；2.中电海康集团有限公司,浙江 杭州 311100）

0 引言

近期,杭州野生动物世界三只金钱豹出逃事件,给周边居民带来了一定的安全威胁,也在社会上造成了极大的影响。如何有效加强野生动物监管,保障公共安全,成为了社会各界尤其是相关管理部门关注的热点和焦点问题。本文基于RFID和NBIoT等物联网技术,设计一套使用寿命长、定位范围广、实用性较强的野生动物监管系统,实现了野生动物广域范围上的定位跟踪、电子围栏以及运动检测等功能,尤其在应对突发事件时能够做到实时告警、精准定位,有效降低人力、物力投入,提高事件处理效率,最大限度保证了野生动物监管的有效性。

1 系统整体结构

系统整体分为感知设备、电磁周界设备以及后台服务三个部分,其中以感知设备有源RFID为核心,为野生动物定制特殊的项圈等装置。有源RFID集成了125kHz电磁感应技术,通过在特定区域布设电磁周界设备,实现了精确的区域边界管理。标签通过对边界区域的感知,实现准确的进出区域判断,当标签检测到已离开规定区域,将触发越界告警。与此同时,北斗定位开启,将告警信息以及周界外定位信息通过NB-IoT上传至管理平台,推送至相关责任主体部门。最后通过无人机机载阅读器以及手持终端设备实现对目标的精确定位和查找。系统整体框架设计如图1所示。

图1 系统框图Figure 1 System block diagram

2 系统硬件设计

2.1 电磁周界设备

电磁周界设备主要功能是为有源标签提供边界清晰和周期性的电磁触发信号,其中125kHz信号电磁边界精度在30cm以内。硬件主要包含电源、主控电路、低频125kHz全桥驱动电路以及相关网络硬件接口等。

2.2有源RFID标签设计

标签硬件主要包括MCU最小系统、定位模块、数据传输模块、电磁感应、三轴加速度传感器、电池充电管理等部分。标签硬件整体框图如图2所示。

图2 标签硬件整体框图Figure 2 Overall block diagram of label hardware

主控采用nRF52840 SoC芯片。该芯片支持超低功耗、集成射频前端的蓝牙芯片,具有2路串口、4路SPI等资源,外围仅需要搭配阻容复位电路和32MHz晶振即完成该SoC的最小系统。

定位模块采用华大HD8020模组,全新的CYNOSURE II架构,使得HD8020即使在密集的城市峡谷也可以实现无缝定位,定位时间较短,并提供优良的续航能力,定位精度小于10m,支持热启动模式,在热启动状态下定位时间小于5s。

鉴于目前运营商2G逐步开始退网,而NB-IoT窄带物联网具有广覆盖、海量接入、低功耗、低成本优势,因此数据传输模块采用移远BC26模块。其内部集成了MQTT、LWM2M协议,可以方便终端接入各种物联网中间件平台。

电磁感应采用分立器件搭建,主要包含低频LC选频电路、信号整形放大电路、二极管检波电路等。得到基带信号,通过相应的解码算法获取空中唤醒信号原始数据,并根据预设条件判定是否需要相应动作,如唤醒、模式修改等。

3 系统软件设计

3.1 电磁激励功能设计

作为电磁周界设备的主要功能,周期性触发125kHz载波、曼切斯特编码数据发送。其中125kHz空中接口协议包含前导码、起始位、设备编号、线圈位置编号、校验、终止位等信息,详细如图3所示。

图3 125kHz空中接口协议Figure 3 125kHz air interface protocol

系统启动后完成硬件接口初始化,包括带死区控制的互补双通道125kHz PWM调制、定时器、IO等,并从内部Flash中读取设备ID信息以及线圈配置信息,对设备、线圈信息、校验进行曼切斯特编码,并将编码信息转换成时间编码。在激励周期到达时,启动定时器,按照时间编码控制PWM的刹车引脚,从而完成基带曼切斯特编码数据的125kHz载波调制,通过PWM信号控制全桥驱动电路,从而实现125kHz电磁信号的周期性发射。电磁周界设备电磁激励功能软件流程图如图4所示。

图4 电磁周界设备电磁激励功能软件流程图a）主流程；b）中断流程Figure 4 Software flow chart of electromagnetic excitation function for electromagnetic perimeter equipment a）Main flow;b）Interrupt flow

3.2 有源RFID功能设计

有源RFID标签包含了iBeacon、电磁周界、运动状态感知、北斗定位、NB传输等功能。其软件主流程在设备启动后,首先完成系统初始化并轮询遍历各子任务判断是否需要执行,其中电磁感应唤醒由中断完成。系统软件流程框图如图5所示。

图5 有源标签软件流程图Figure 5 Active label software flow chart

3.2.1 电磁周界功能

通过IO中断,实现低频曼切斯特数据解码,并在获取到完整低频空口信息后,记录触发设备ID及线圈信息并开始计时。在超时前,收到了同一设备ID不同天线的触发信息,开始进行数据分析。其中根据线圈先后到达顺序即可感知标签是否离开相应区域。若离开管理区域则触发告警,通过NBIoT将设备ID、离开/进入信息、时间等发送至服务器并触发开启北斗定位、运动检测等功能。

3.2.2 运动检测功能

由于动物运动时,加速度信息会呈现规律性变化,而静止休息时,基本加速度模值等于重力加速度,因此通过监控加速度的变化信息可以实现对动物运动状态的检测,并根据不同的状态动态调整定位间隔,从而实现定位精细度和功耗的最佳平衡。

在标签触发开启北斗定位后,相应运动检测功能也随之开启。设计将三轴加速度传感器SC7A20的数据输出率ODR（Output Data Rate）设置为20Hz,并启用内部数据缓冲区,通过连续采样动物加速度信息,并对模值进行滑动均值滤波,来跟踪动物加速度变化趋势,通过对加速度特征提取完成运动状态检测。其中判决门限根据缓存多组加速度值计算中值并作补偿得到,当加速度超过门限阈值则进行峰值检测。当连续检测到10次有效峰值,则认定处于运动状态；当5秒内未出现有效峰值,则认定为静止状态。运动监测流程如图6所示。流程回到①所示位置

图6 运动监测流程Figure 6 Exercise monitoring process

4 结语

在监管区域内标签只周期性发送iBeacon信息,从而实现了极低功耗,平均功耗在10μA以下。在500mAh电池容量下,如果未触发周界告警、北斗定位功能,考虑20%电池自损情况下,设备可以正常工作约4.56年,在此模式下可以通过无人机实现动物定期盘点。在野生动物逃脱后,触发北斗定位及NB-IoT传输等,可以在广域范围上对动物进行追踪定位。由于定位非时间连续,动物位置存在滞后性,在北斗定位到大致位置后,通过无人机巡检iBeacon信息,将范围缩小至200m范围内,最终通过定向手持设备实现准确定位查找。通过此设计,可以实现野生动物的长时间、广域范围上有效监管,尤其在应对突发事件时,可以有效提高处理突发事件的能力,为人民群众的生命及财产安全提供强有力的保障。