基于RFID的婴儿电子防盗系统——阅读器设计

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基于RFID 的婴儿电子防盗系统--阅读器设计
吴振龙
（杭州师范大学钱江学院 理工分院，浙江 杭州 310036）
摘 要：婴儿在医院被盗是一个困扰医院的顽疾，给医院、家庭带来物质和精神的双重损失，同时也造成不良的社会影响。

本论文结合基于RFID 技术的婴儿电子防盗系统（RFID-Based Infants Electronic Anti-theft System，RFID-IEATS）的研究,在具体了解RFID 技术研究以及应用领域的基础上,分析了基于RFID 的婴儿电子防盗系统，完成了阅读器设计。

关键词：射频识别；婴儿防盗；阅读器；标签
中图分类号：R197.32;TP391.44 文献标识码：A 文章编号：1003-5168(2015)-12-0112-2
近年来，国内一些医院的婴儿被盗案件也频频发生。

如何有效避免这种问题的出现，在此设计一种基于RFID 的婴儿电子防盗系统，能够防止婴儿在医院内被盗，有效保护婴儿的安全，保障各方权益。

本论文阐述了基于RFID 的婴儿电子防盗系统，主要进行了阅读器设计。

1 系统介绍
当激活婴儿标签并投入使用后，该系统便将电子标签的相关数据存储到数据库中，然后该系统将收到的标签和系统关键参数实时显示在终端上，如果出现异常或危险如婴儿标记被破坏、检测不到婴儿标记、婴儿进入危险区域、婴儿被非法抱离母婴或护理区域等，该系统就会报警。

根据以上的要求，我们设计了基于RFID 的婴儿电子防盗系统(RFID-Based Infants Electronic Anti-theft System，RFID-IEATS)。

2 RFID 阅读器工作原理分析2.1 RFID 阅读器实现框图
阅读器主要由单端天线、射频接口、通信接口、控制和稳压电源组成，电子标签主要由PCB 天线、射频接口、控制和电源组成，而作为电子标签和阅读器的最关键的射频接口和控制两大部分则基本相同。

电子标签与阅读器之间通过耦合元件实现射频信号的空间（无接触）耦合；在耦合通道内，根据时序关系，实现能量的传递和数据的交换。

射频接口是nRF24L01射频模块，射频接口nRF24L01只需要很少的外部电路元件，应用nRF24L01设计的主动式RFID 系统，发挥了射频芯片高集成度、工作频率稳定、低功耗、设计简洁、不需
要曼彻斯特编码和底层通信协议设计等优点，降低了设计成本，缩短了研发周期，并且几乎不需要调试硬件，可扩展性比较好。

阅读器和电子标签的设计框图如图3-1所示。

图3-1 阅读器和电子标签的设计框图
阅读器的微控制器采用低电压、高性能、微功耗的COMS16位单片机MSP430F123。

电子标签的微控制器采用的是MSP430F2101，考虑到标签的尺寸和电源的功率消耗，标签电源采用3V-330mAh 纽扣电池，使用35768Hz 晶体振荡器的MSP430F2101微控制器，虽然时钟周期相对比较长，但是这样可以使微控制器待机功率消耗降到最低，可以满足实际要求。

2.2 RFID 阅读器的硬件电路说明
RFID 阅读器的硬件电路包括MSP430模块，nRF24L01模块和MAX485模块。

为降低功耗，MSP430采用8M 晶振作为工作时钟。

nRF24L01是一款新型单片射频收发器件，工作于2.4 GHz ～2.5 GHz ISM 频段。

内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块，并融合了增强型ShockBurst 技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。

nRF24L01功耗低，在以-6 dBm 的功率发射时，工作电流也只有9 mA;接收时，工作电流只有12.3 mA，多种低功率工作模式（掉电模式和空闲模式）使节能设计更方便。

2.3 数据通信协议设计
本设计的微功耗主动式RFID 阅读器系统通信协议参考ISO/IEC 18000-7协议标准。

为了确保阅读器和电子标签能够可靠地、有效地、安全地进行数据通信，通信双方需要遵守共同约定的通信协议。

因为该系统中的电子标签要根据不同的情况产生不同的数据，所以相对应的数据通信编码也不相同。

因为阅读器与电子标签之间可能被其他数据终端或外界环境干扰通信、发生错误，所以需要通信协议来确保数据传输的可靠性。

该系统的数据通信协议格式中前导码是nRF24L01自动产生；地址则包括标签地址和阅读器地址；用户数据可以是由用户自定义写入标签的信息；CRC 校验可选8或16位，也是硬件自动产生。

其中状态字是表示标签、阅读器和中间件的工作状态，也可以用作系统检测电子标签、中间件和阅读器工作是否正常，与此同时可以根据状态码知道发生故障的类别和位置。

3 RFID 阅读器软件设计
阅读器软件设计采用C 语言编程，通过IAR for MSP430软件编译。

本系统采用nRF24L01作为阅读器与电子标签的通信射频接口。

nRF24L01的工作频率达到2.4GHz，采用SPI 接口与MCU 连接，最高支持8Mbps 传输速率，ShockBurst 传输模式，自动生成前导码和CRC 校验码。

采用半双工方式通信
,在发射和接收模式间切换需要等待550μs 的稳定时间。

RFID 系统中无线通信的软件流程如图4-1所示。

图4-1 阅读器工作流程
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1144 结语
近年来，在医院婴儿被盗的事件时有发生，成为社会上
所关注的一个焦点问题。

基于RFID的婴儿电子防盗系统，成本低、设计简单、对人体安全。

可以更好地防止医院婴儿被盗和防止医护人员抱错婴儿，保护婴儿的安全，减轻医务人员的工作，可以提高医院管理水平和质量。

参考文献：
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作者简介：
吴振龙（1992.12—）男，杭州师范大学钱江学院理工分院电子信息工程专业在读。

高钻井液抑制性。

3.3 抗粘土污染能力评价
表3 抗粘土污染能力评价
项目ρg/cm3FVs HTHPml PVmPa.s YPPa GelPa/Pa泥饼厚度
mm
Ca2+mg/l
原浆 1.144492063/60.7100原浆+3%土粉 1.158********/36 2.0-原浆+0.6%CaO+3%土粉 1.1553535116/12 1.0-原浆+1%CaO+3%土粉 1.154562873/70.8-原浆+1%CaO+6%土粉 1.16977485420/45 2.5-
取长3-2井1500m井浆加入粘土进行抗粘土污染能力评价，实验表明阳离子钻井液中加入CaO乳液，加入土粉进行热滚，对3%土粉加量在有较好的抗污染能力，加量为6%时钻井液粘切值急剧升高。

4 现场应用
4.1 高钙钻井液的维护方法：在维护工艺上，要特别注意掌握好几个关键指标，包括滤液中Ca2+ 的浓度，并使用FCLS控制流变性能。

石膏侵对高钙钻井液的性能一般不会有很大的影响。

但在钻入大段石膏地层时，钻井液的粘度、切力及滤失量都会有所增加。

正确的处理方法是，在钻遇石膏层之前可先加适量烧碱经行预处理以维持所需的PH值。

当钻遇石膏层后，先不急于加石灰，待PH值开始出现下降时再行加入。

此时若流变性和滤失量出现较大变化，可通过加入FCLS等处理剂进行控制。

4.2 钻井液的使用效果：采用酒东区块完成的长209井、长3-2井、长2-7井的数据进行比对，其中长209井采用的是阳离子聚合物体系，长3-2井和长2-7井都采用的是高钙阳离子钻井液。

可以看出：①高钙阳离子钻井液体系密度比较稳定。

②固相含量相对较少，容易在高密度条件下维持较低的粘度和切力，有利于提高钻速。

5 结语
5.1 现场应用表明石灰处理钻井液，Ca2+含量在1200-2000ml/L之间，碱度储备在3000-6000mg/L之间较为适宜。

依据碱度储备，及现场生石灰有效利用率50%、口井泥浆量1500m3计算，口井钻井液生石灰消耗量应在15-22t之间。

即可满足提高抑制性，改善泥饼质量，增加钻井液抗盐钙和粘土污染能力，改善流变性的目的。

5.2 对于高钙阳离子钻井液的PH值应控制在11-12，若PH值过低，Ca2+含量增加,钻井液的粘度及切力将超过极限范围；若pH值过高，Ca2＋含量减小，钻井液抑制性将会降低，将失去钙处理的意义。

参考文献：
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[2]汪军英，李益寿，李云志等.阳离子钻井液在吐哈温西区块的研究与应用[J].钻井液与完井液，2008，25(3):39-42 .
[2]艾贵成.钾钙基阳离子钻井液技术[J].石油钻采工艺，2007，29(4):87-88 .
作者简介：
孟滢（1988-）女，助理工程师，研究方向：钻井工程设计。

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