物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)RFID及應(yīng)用實(shí)例

1、物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù) RFID 及應(yīng)用實(shí)例摘 要： RFID 射頻識(shí)別是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它通過射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù) 據(jù)，識(shí)別工作無須人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境?；?RFID 技術(shù)的智慧型藥盒設(shè)定目標(biāo)為居家照顧的 家用型產(chǎn)品，協(xié)助居家服藥者的用藥管理，提醒與負(fù)責(zé)所有藥物的控管排程。關(guān)鍵字：物聯(lián)網(wǎng) 核心技術(shù) RFID 智慧型藥盒1 物聯(lián)網(wǎng) （The Internet of things ）的定義1999年，MIT Auto-ID Center提出物聯(lián)網(wǎng)的概念：通過射頻識(shí)別（ RFID）、紅外感應(yīng)器、 全球定位系統(tǒng)、 激光掃描器等信息傳感設(shè)備， 按約定的協(xié)議， 把任何物

2、品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來， 進(jìn)行信息交換和通訊，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。2 物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)總體來說，物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)分為幾個(gè)層次：感知層、信息匯聚層、傳輸層、運(yùn)營(yíng)層、 應(yīng)用層。感知層：傳感器技術(shù)、射頻識(shí)別技術(shù)、二維碼技術(shù)、微機(jī)電系統(tǒng)。 信息匯聚層：傳感網(wǎng)自組網(wǎng)技術(shù)、局域網(wǎng)技術(shù)及廣域網(wǎng)技術(shù)。傳輸層：通信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、3G網(wǎng)絡(luò)、GPRS網(wǎng)絡(luò)、廣電網(wǎng)絡(luò)、NBG等廣域網(wǎng)絡(luò)。運(yùn)營(yíng)層：專家系統(tǒng)、云計(jì)算、 API 接口、客戶管理、 GIS、 ERP。 應(yīng)用層：垂直行業(yè)應(yīng)用、系統(tǒng)集成、資源打包。從物聯(lián)網(wǎng)的定義及各層次的作用可以看出，物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵核心技術(shù)是射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）。下面就詳

3、細(xì)介紹一下 RFID技術(shù)。3 RFID 技術(shù)RFID射頻識(shí)別是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它通過射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識(shí)別工作無須人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境。3.1最基本的RFID系統(tǒng)由三部分組成：1. 標(biāo)簽（Tag，即射頻卡）：由耦合元件及芯片組成，標(biāo)簽含有內(nèi)置天線，用于和射頻天 線間進(jìn)行通信。2閱讀器（Reader）:主要由無線收發(fā)模塊、 天線、控制模塊及接口電路等組成。將主機(jī)的讀寫命令傳送到電子標(biāo)簽，再把從主機(jī)發(fā)往電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)加密后送到主機(jī)。3. 天線：在標(biāo)簽和讀取器間傳遞射頻信號(hào)。 發(fā)生在閱讀器和電子標(biāo)簽之間的射頻信號(hào)的耦合類型有兩種：（1）電感耦合。變壓器模型

4、，通過空間高頻交變磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)耦合，依據(jù)的是電磁感應(yīng)定律。（2）電磁反向散射耦合：雷達(dá)原理模型，發(fā)射出去的電磁波，碰到目標(biāo)后反射，同時(shí)攜帶回 目標(biāo)信息，依據(jù)的是電磁波的空間傳播規(guī)律。電感耦合方式一般適合于中、低頻工作的近距離射頻識(shí)別系統(tǒng)。典型的工作頻率有：125kHz、225kHz和13.56MHz。識(shí)別作用距離小于 1m，典型作用距離為 1020m。電磁反向散射耦合方式一般適合于高頻、微波工作的遠(yuǎn)距離射頻識(shí)別系統(tǒng)。典型的工作頻率有：433MHz、915MHz、2.45GHz、5.8GHzo識(shí)別作用距離大于 1m，典型作用距離為 310m。23.2系統(tǒng)的基本工作流程:N當(dāng)融人硼產(chǎn)生刪喚両3i>

5、; sueasassxigij-siswffl#扶麟冒；缺aa發(fā)劇萌劇購(gòu) 嵋信曾S8廿算機(jī)系統(tǒng)虬識(shí)虞鋼信息働搖送至曲機(jī)主聊i閱讀器通過發(fā)射天線發(fā)送一定頻率的射頻信號(hào)，當(dāng)射頻卡進(jìn)入發(fā)射天線工作區(qū)域時(shí)產(chǎn) 生感應(yīng)電流，射頻卡獲得能量被激活；2. 射頻卡將自身編碼等信息通過卡內(nèi)置發(fā)送天線發(fā)送出去；3. 系統(tǒng)接收天線接收到從射頻卡發(fā)送來的載波信號(hào)，經(jīng)天線調(diào)節(jié)器傳送到閱讀器，閱讀 器對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)和解碼然后送到后臺(tái)主系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)處理；4. 主系統(tǒng)根據(jù)邏輯運(yùn)算判斷該卡的合法性，針對(duì)不同的設(shè)定做出相應(yīng)的處理和控制，發(fā) 出指令信號(hào)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作。3.3 RFID技術(shù)的分類：根據(jù)電子標(biāo)簽工作頻率的不同通常

6、可分為低頻(30kHz300kHz)、中高頻(3MHz30MHz)和超高頻系統(tǒng)(300MHz3GHz )。根據(jù)電子標(biāo)簽的不同可分為可讀寫卡(RW)、一次寫入多次讀出卡(WORM )和只讀卡(RO)。根據(jù)電子標(biāo)簽的有源和無源又可分為有源的和無源的。根據(jù)電子標(biāo)簽調(diào)制方式的不同還可分為主動(dòng)式(Active tag )和被動(dòng)式(Passive tag)。4智慧型藥盒與RFID藥罐提醒銀發(fā)族準(zhǔn)時(shí)服藥4.1應(yīng)用背景在醫(yī)院或者安養(yǎng)院這類的醫(yī)療機(jī)構(gòu)里，服用藥物有專業(yè)人士，例如護(hù)士、看護(hù)等統(tǒng)一管 理照顧，按時(shí)給服藥者用藥，不需要服藥者去費(fèi)心處理，發(fā)生錯(cuò)誤的機(jī)率也較低。因此，智 慧型藥盒設(shè)定目標(biāo)為居家照顧的家用型

7、產(chǎn)品，協(xié)助居家服藥者的用藥管理，提醒與負(fù)責(zé)所有 藥物的控管排程。4.2使用對(duì)象及流程為了得知及檢查來自不同處方箋的藥物之間可能的交互作用，以避免對(duì)服藥者造成危 險(xiǎn)，假設(shè)居家服藥者所有的藥物，包括處方箋或非處方箋的用藥，例如維他命等，都必須交 給智慧型藥盒來控管。利用軟體程式，將所有藥物的用藥指示及資訊轉(zhuǎn)成機(jī)器可閱讀的檔案4格式，存放在隨身碟里，這類檔案我們稱之為藥物排程規(guī)格，簡(jiǎn)稱MSS©CPOE 2CPOE nePHRMedication Schedule Specification (M:SS)C linicjl Decbioni SupportDrugLibraryCP0E1ET

8、L (Extract, Transtorm and Loed)1IStandard P rescriptions1JCompilerVerifierPres匚rifrticiri .Authoring ToolPesoription iUser's5#圖1、藥劑師檢查藥物沖突性并產(chǎn)生MSS4.2.1當(dāng)居家服藥者拿到新的處方箋或者要購(gòu)買非處方箋用藥時(shí)，只需要帶著存放有所有用藥 資訊(藥物排程規(guī)格)的隨身碟到藥局交給藥劑師，藥劑師就可以得知其所有用藥資訊，然后 再由輔助程式(Prescription authoring tool)檢查居家服藥者所服用的藥物，彼此之間是否有沖 突的情況產(chǎn)生。

9、經(jīng)過確認(rèn)無誤后，產(chǎn)生新的藥物排程規(guī)格并存放入隨身碟中，再將新增的藥 罐子連同修改過藥物排程規(guī)格后的隨身碟交給居家服藥者帶回，如圖1所示。居家服藥者返回家中后，只需將隨身碟插入智慧型藥盒中，再將藥罐子依照智慧型藥盒的指示放入，接著 遵從智慧型藥盒的指示服藥即可。4.2.2居家服藥者從藥劑師獲得的藥罐子，底部都貼有RFID tag用來做為辨別不同藥的依據(jù)，在智慧型藥盒里，我們裝設(shè)有RFID reader，當(dāng)居家服藥者每次放入一個(gè)藥罐時(shí)，智慧型藥盒利用RFID將藥罐子跟相對(duì)應(yīng)的藥物排程規(guī)格連結(jié)起來，再根據(jù)藥物排程規(guī)格里面所提供的用藥指示跟資訊，利用內(nèi)部的藥物排程程式，自動(dòng)產(chǎn)生藥物服用時(shí)程表。用藥時(shí)間

10、到時(shí)，智慧 型藥盒便可正確的告知居家服藥者，該服用哪些藥物，其劑量各分別為多少，并顯示其相對(duì) 應(yīng)的藥罐子在藥盒上的位置。4.3智慧型藥盒的設(shè)計(jì)與架構(gòu)1. 貼有 RFID tag 的藥罐子(Container with RFID tag)2. 存有藥物排程規(guī)則的記憶卡(MSS flash disk)3. 附有環(huán)狀指示燈(Indicator light)的圓形插槽(Socket)4. 提醒裝置(Reminder)5. 螢?zāi)?LED display and Text display)6. 輔助驗(yàn)證單次服用藥物正確盒(Verification box)7. 集藥盒(Dispensing drawer)

11、8. 確認(rèn)按鈕(Push to dispense, PTD)9. USB插孔存放 MSSLEDRFID tagRemind er-SockelTextdisplayVarficatian box JFt4SS in MSS flash diskIndicatorlight/21Z1/ Dispenser base7圖2、智慧型藥盒設(shè)計(jì)圖4.4 RFID技術(shù)及使用步驟441最初要使用智慧型藥盒時(shí)，先將存有藥物排程規(guī)格 MSS的隨身碟插入智慧型藥盒中，接著再將藥罐子一次一個(gè)地插入圓形插槽中。在每個(gè)用來放置藥罐子的圓型插槽中，各設(shè)置了 一個(gè)開關(guān)感應(yīng)器，如圖三所示。再利用二維感應(yīng)陣列(bin ary

12、sen sor array, BSA )去記錄每個(gè)圓形 插槽是否被放入藥罐子，如圖四所示。當(dāng)智慧型藥盒透過開關(guān)感應(yīng)器感應(yīng)到有藥罐子被放入 時(shí)，會(huì)指示RFID Reader去讀取藥罐子上的tag，并將其id記錄下來。經(jīng)過一段時(shí)間后，如果 一直不再有新的藥罐子被放入，也就是表示居家服藥者完成放置所有其服用的藥罐子；接著 智慧型藥盒會(huì)將藥罐子鎖在藥盒上，并開始建立圓形插槽和藥罐子id的對(duì)應(yīng)位置關(guān)系圖表，此關(guān)系表在日后有藥罐子新增或移除時(shí)，也會(huì)連帶被更改。圖3、開關(guān)感應(yīng)器圖4、二維開關(guān)感應(yīng)陣列在放置藥罐子操作的過程中，需要一次放入一個(gè)藥罐子的原因是避免RFID Reader同時(shí)讀取到多個(gè)RFID ta

13、gs而無法正確對(duì)應(yīng)其藥罐子被放入哪個(gè)圓形插槽的位置關(guān)系。4.4.2至此，居家服藥者已經(jīng)將智慧型藥盒設(shè)置完成。之后智慧型藥盒會(huì)依據(jù)其內(nèi)部的藥物排 程程式所建立出來的藥物使用時(shí)程表按時(shí)去通知居家服藥者每次所需要服用的藥物及劑量。 當(dāng)服藥的時(shí)間到時(shí)，智慧型藥盒會(huì)透過提醒裝置發(fā)出聲響或閃光來通知居家服藥者。此時(shí)， 居家服藥者收到通知后，只要到智慧型藥盒前按下確認(rèn)按鈕，智慧型藥盒利用環(huán)狀指示燈顏 色的變化去顯示此次要服用的藥物有哪些，例如：此次需要服用的藥物其指示燈會(huì)顯示紅色；并將其藥罐子上的鎖解開。居家服藥者依照環(huán)狀指示燈一次將一個(gè)藥罐子拿出的同時(shí)，被拿 出的藥罐子其指示燈會(huì)轉(zhuǎn)成綠色，LED螢?zāi)簧蠒?huì)顯示此藥所需服用的劑量。居家服藥者依據(jù)指示取出正確的劑量后，放入輔助驗(yàn)證單次服用藥物正確盒，確認(rèn)劑量是否正確后，最后將 藥罐子放回。此時(shí)智慧型藥盒關(guān)閉其環(huán)狀指示燈并將藥罐子重新鎖在藥盒上。利用以上機(jī)制，可以避免居家服藥者拿到錯(cuò)誤的藥物或服用錯(cuò)誤的藥物劑量。當(dāng)服藥時(shí)間到了，如果居家服藥者沒有依照指示來服用藥物，智慧型藥盒在提醒一段時(shí) 間后，會(huì)重新加以排程，之后依據(jù)新的藥物服用時(shí)程表來再次通知居家服藥