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采用RFID技术的安防监控系统的设计与实现

时间:2021-04-30 作者:Wei Wang、Cihan Asci和Sameer Sonkusale 阅读:
在安防监控系统大多采用视频或运动传感器方案设计的背景下,本设计实例提出了一种更适合许多消费者和小型企业需求的替代解决方案:使用RFID标签技术来实现低成本、无电池且易于安装的家庭安防系统。
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为了简化安装与操作,现代家庭安防系统必须要能通过无线进行环境监控。监控范围包括外围安防、入侵检测,以及房屋内敏感区域的安防,例如药品容器、保险箱或其他贵重物品所隐藏的地方。

尽管可以采用视频监控,但是却需要通过复杂的图像处理与分析来检测未经授权的活动,而且会引起隐私担忧。传统的运动传感器可以消除隐私问题,但是却需要辅以电源和支持性电子装置,因此会增加产品的BOM成本。运动探测器还需要有某种有线或无线接口,以便将传感器的输出转发到云端。在许多情况下,摄像头和运动探测器需要进行专业安装,因此对许多成本敏感的应用而言不太经济。

本设计实例提出了一种更适合许多消费者和小型企业需求的替代解决方案:使用RFID标签技术来实现低成本、无电池且易于安装的家庭安防系统。

RFID标签可以用来实现一系列鲁棒的安防传感器。运动探测器可以通过将RFID标签与磁簧开关集成在一起来制作。同样,可以通过用磁簧开关代替冲击开关来制作冲击事件探测器。在这两种情况下,传感器开关都连接在天线的两个端子之间以及RFID芯片的两个端子之间。在这个配置中,RFID标签的工作是根据开关的ON或OFF状态启用或禁用的。

上述传感器为图1所示的安防监控系统提供了一种低成本、小尺寸的解决方案。配备运动传感器的RFID标签可以粘贴到窗户、门和保险箱上,而震动感应标签可以粘贴到药盒上。商用RFID阅读器具有两个功能:a)用于检测通过运动或震动感应开关激活的任何传感器;b)还用于为该区域提供低功耗RF辐射,而在标签激活时为其供电。由于每个RFID标签都有自己唯一的ID,因此RFID阅读器就知道所检测到的活动发生在哪里。一旦捕获到活动数据,就可以将其传输到云端进行分析,并在适当的时候通过智能手机或电子邮件警报通知用户。

图1:使用RFID标签的安防监控。

传感器工作原理

图2中的工作原理图说明了震动传感器和运动传感器的工作机制。

图2:震动传感器由RFID芯片、天线和震动传感器组成(a)。在正常(不受干扰)状态下,金属球会使震动传感器的两个触点短路(b)。当传感器受到干扰时,其金属球不再使两个触点短路,从而使天线能够接收电能而用于RFID芯片并传输其信号(c)。运动传感器由RFID芯片、天线和磁簧开关组成(d)。在正常状态下,磁簧开关由附近所贴的一块磁铁保持在ON状态。这会使天线短路,从而阻止RFID芯片接收电能(e)。磁铁脱落后,磁簧开关转换为OFF状态,从而启用RFID器件(f)。

震动探测器

如前所述,震动传感器由RFID芯片和天线组成,如图2a所示。震动开关由一个空腔及其内部的一个滚动的微小金属球所组成。当将震动开关直立放置时,球会滚动到两个伸出空腔的导电触点上,从而形成导电通路(图2b)。如果将传感器朝另一个方向倾斜,则触点就会断开,这样就形成了检测运动或方向的简单方法。当用作安防传感器时,冲击开关是连接在天线的两个端子之间并直立放置,这样就能将它们短路在其无源位置。所产生的短路破坏了RFID芯片与天线之间的阻抗匹配,从而阻止了RFID标签辐射信号。如果将震动传感器倾斜,则金属球将会从触点上移开,这样RFID标签就能够接收电能并辐射信号,然后由RFID阅读器所读取。

运动传感器

图2d中所示的运动传感器系统由一个RFID芯片、一根天线、一个磁簧开关和一个磁铁所组成。磁簧开关在密封的玻璃腔中由两个铁磁柔性金属簧片触点所组成。开关的两个触点为常开,直到磁场的存在而使它们闭合(图2e)。当将传感器移到磁铁作用范围以外时,其触点将返回到初始开路状态(如图2f所示),从而启用RFID芯片并警告阅读器标签已移动。图1中对此进行了插图说明,例如,将带有磁簧开关的RFID标签固定在窗户上,而将磁铁贴在RFID标签附近的墙上。当窗户关闭时,磁铁使磁簧开关保持在短路位置,从而使天线处于分流状态,进而使芯片处于非活动状态。当将窗户向上或向下移动时,磁铁远离而不足以使磁簧开关保持短路状态。此时,磁簧开关恢复到开路位置,RFID标签就变为活动状态。

傻瓜传感器与智能系统

由于每个RFID标签都有自己的唯一ID,因此可以将其与要监控的特定对象或位置相关联。 RFID阅读器或基于云的安防应用可以使用这个信息来了解有关事件性质的更多信息,包括识别可能入侵者的数量、他们的位置,以及对他们的活动进行一些推断。这样的分析还可以减少由宠物或其他善意干扰所引起的错误警报的数量。

RFID技术是一种可创建鲁棒、可靠且低成本安防系统的有前途的工具。标签易于安装,不需要电池,因此可确保其长期可靠性。但是,在实际应用中必须格外小心,以便确保RFID阅读器的位置能够完全覆盖所监控的区域。其商业化还需要开发“智能”RFID阅读器,而至少可以对RFID标签所产生的活动进行第一层处理。

Wang Wei、Cihan Asci和Sameer Sonkusale就职于美国塔夫茨大学(位于马萨诸塞州梅德福)电气与计算机工程系。

(原文链接:Security monitoring system uses RFID tags,由赵明灿编译)

本文为《电子技术设计》2020年12月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里

责编:Gavin

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