基于RFID的RC赛车计时系统的设计与实现
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【摘要】本文分析了现有RC赛车计时系统的优势与劣势后，提出了基于rfid技术实现的rc赛车计时系统设计，给出了该系统的设计方案和实验结果，并对实验结果进行了分析提出了后续改进方案。
【关键词】射频识别;RC赛车;计时系统
1.引言
RC赛车是远程控制（Remote control， RC）赛车或无线电控制（Radio control， RC）赛车简称。近年来，欧美、日本为主的RC（Remote Control）车模产业发展很快，先进碳纤维轻质材料和CNC铝合金零件大量用于1：10到1：5等比例竞赛车模上，这类比例车模主要用于成人的RC车模比赛，车模玩家在平时训练和比赛时需要对车辆进行身份识别和精确计时，目前的RC车模玩家在训练或竞技比赛时通常使用人工计时法、摄影计时法、光电感应计时法三种计时方法：
（1）人工计时法：是借助光电发射器和光电接收器组成计时器手工记录车辆时间，此方法是传统的方法，由于精度低，缺乏数据自动处理方法，目前通常只用在非正式比赛中。
（2）摄影计时法：是采用专用光学摄像机摄录车辆的起始和终点位置并实时记录时间点，计时精度高，能精确测定起点和终点的时间，但其缺点在于每个车辆的个体不能自动识别。
（3）光电感应计时法：在赛道起点设置光电传感器，当赛车通过计时起点时，光电传感器采集赛车通过信号，该信号经过处理后传送到电脑，开始计时。当赛车通过计时终点时，传感器采集赛车结束信号，该信号经过处理后传送到电脑，结束计时，最后电脑自动输出计时结果和排名并能实时显示。此计时方法使用方便、计时准确，目前广泛应用于RC赛车竞赛和车辆性能测试。但此系统无法用于以汽油机为动力的大比例车模在野外或者有灰尘的环境中比赛，此技术对车辆的自动识别也比较困难。
上述三种计时方式都在灰尘和雨水环境中无法采集比赛数据，也无法自动识别每辆车的个体信息（如车辆编号或车型），也无法实时记录任意位置和时间点信息。
为此本课题提出将射频识别技术（Radio Frequency Identification--RFID）技术与RC车模竞赛规则相结合，以RFID技术为核心设计车辆时间和位置信号接收处理设备，研制适合于室内和室外（灰尘环境中）中长距离比赛的自动计圈及计时系统，车模需要事先安装电子标签或无线感应器，当车辆经过天线等信号接收器时，其携带的电子标签感应器向接收器发送对应于每一辆车的特征码，该数据经过处理后实时显示，从而实现自动计圈和自动计时的目的，这将使计算和整理车模比赛排名和统计工作变得简单高效。
2.RFID计时系统设计
RFID射频识别技术是一种无线通信技术，通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，无需识别系统与特定目标之间建立机械或者光学接触。这种非接触式的自动识别技术，具有使用寿命长、读取距离远、读取时间短、安全性高等特点，已经被运用于门禁控制、电子门票、物流和供应管理、生产制造和装配、航空行李处理等领域。RFID计时系统除了能实时计时还能够区分不同赛车，该系统可以为不同的赛车公司、赛车俱乐部及个人参赛者提供了一系列计时解决方案。
本系统的RC车模RFID计时系统由四部分组成（图1）：电子标签、阅读器、天线阵列和信息处理终端。电子标签分为有源标签和无源标签，无源标签在识别时从识别从空间电磁场中得到能量，有源标签则本身携带电源，并可以主动发出电磁波。阅读器由天线、耦合元件、芯片组成，可以读取或写入标签信息。阅读器与电子标签之间的通讯及能量感应方式大致上可以分两种：感应耦合及后向散射耦合。低频的RFID设备大多采用第一种方式，而较高频大多采用第二种方式。信息处理终端则包含拥有特定功能的软硬件，负责对阅读器读取的信息进行处理。
图1 RFID计时系统组成
2.1 电子标签
为了识别通过计时点的不同赛车，每个电子标签进行唯一的编码，每辆赛车再通过不同电子标签进行标定。电子标签可依据赛车外形或赛道条件，附着在赛车底部或顶部用于标识目标对象。设计初期采用无源标签对赛车进行标定，有效的利用了无源标签小巧轻便、免维护、使用寿命长的优势。设计后期随着识别情况的复杂化、识别距离增长、识别时赛车速度加快以及需要传递的数据量增加等情况，可以采用有源标签。
2.2 天线阵列
RC比赛中，赛道环境十分复杂：赛车速度可以达到80km/h，赛车位置分布随机，环境中可能存在雨水、烟尘或电磁干扰等复杂情况;同时，计时系统需要在计时过程中准确识别不同赛车，即需要考虑防碰撞等问题，因此计时系统对于天线的设计有着一定要求。本项目实验赛道宽度为60cm，可以并行通过两辆赛车。实验拟定采用三个宽30cm，长5cm矩形天线，组成天线阵列铺设在赛道上，用于标签和阅读器间传递射频信号。如图2所示：
图2 计时点天线阵列
天线A、天线B、天线C为长度宽度相同的三个天线线圈。天线C的左右边分别位于天线A与天线B的中轴线处，通过绝缘薄膜材料隔开。因为附着于赛车底部的电子标签与天线水平面垂直距离较近，近似考虑矩形天线磁场主要集中在矩形区域内。天线A与天线B所发出的磁场，在宽度上基本可以覆盖整个赛道，保证赛车在赛道两侧通过时的识别问题。天线C发出的磁场则与天线A、天线B发出的磁场各重合一半，主要针对赛车在赛道中心通过时的识别问题。项目通过这样重合设置天线的方式，提高赛车通过时的识别率。若赛车通过时同时被多个天线识别，则通过信息处理终端的软件部分予以处理。
图3 阅读器示意图
2.3 阅读器
天线阵列的一端连接阅读器，阅读器向天线阵列提供能量，天线阵列返回读取的电子芯片信息，如图3所示。阅读器按发送电磁波的频率可分为低频阅读器、高频阅读器、超高频阅读器等。低频阅读器具有功耗低、结构简单等优势，但识别距离较近，识别速度较慢;高频阅读器具有识别距离远，识别速度快等优势，但相比之下结构复杂、功耗较高。超高频阅读器因其方向性上对信道要求过高，而不在本项目考虑中。
本项目因为对于识别距离、识别速度均有要求，同时希望简化结构、降低功耗，所以低频采用125kHz，高频采用13.56MHz进行实验设计，以期选择满足项目要求的频段。
阅读器通过天线读出电子标签信息后，传递给信息处理终端进行计算、显示等。
2.4 信息处理终端
RFID计时系统设计初衷希望实现自动计时与实时显示，因此需要对前端送回的数据进行处理，并在人性化的交互界面上显示，该功能主要由信息处理终端实现。信息处理终端主要由一台电脑和配套软硬件组成。阅读器通过串口将读取的电子标签信息以ASCII码字符的形式传输给电脑，电脑进行解码后得出电子标签的信息，通过计算得出赛车位置、速度等信息，最后在可视化的图形界面进行实时显示。本项目信息处理终端的图形界面如图4所示：
图4 信息处理终端图新界面
表1 低频阅读器不同距离识别率
距离（米） 识别率
1 1
2 1
3 1
4 0.98
5 0.96
6 0.94
7 0.82
8 0.68
9 0.48
10 0.20
表2 高频阅读器不同距离识别率
距离（米） 识别率
1 1
2 1
3 1
4 1
5 0.99
6 0.96
7 0.88
8 0.74
9 0.58
10 0.30
图5 不同加速距离时高频与低频阅读器识别率
如图4所示，信息处理终端主要可以记录不同赛车对应的圈数、时间、速度，并有“开始”、“结束”、“清空”、“保存”四个按钮，分别供操作者进行比赛开始计时、比赛终止停止计时、清空记录和保存记录。
3.RFID计时实验与结果
本研究赛车采用标准化1：10比例电动房车，实验场地为标准化1：10比例电动房车室内比赛场地。电子标签采用无源标签贴于赛车底盘正下方中间;阅读器分别采用125kHz低频阅读器和13.56MHz高频阅读器，设置在跑道起点和终点位置。实验分为单车速度测试和多车碰撞测试两个部分。
表3 低频阅读器不同距离识别率
距离（米） 识别率
1 1
2 1
3 0.98
4 0.94
5 0.90
6 0.84
7 0.70
8 0.58
9 0.38
10 0.14
表4 高频阅读器不同距离识别率
距离（米） 识别率
1 1
2 1
3 1
4 0.98
5 0.94
6 0.80
7 0.78
8 0.62
9 0.42
10 0.20
图5 不同加速距离时低频与高频碰撞测试结果
3.1 单车识别率测试方法及结果
由于RC车模本身没有速度显示装置，也不能较为轻易的控制速度。为了测试本项目设计计时系统所能识别的最高速度，本研究拟定采用直线加速的方法，通过对加速距离的换算得到最终速度，以及在不同速度下的识别率。单车速度测试过程中，一位驾驶员操作一辆赛车，在直线跑道上从距终点不同距离的位置发车，全程加速直至通过终点。重复实验，得到识别率。实验中距离设定为1米、2米、3米，步长1米，最大距离至10米;每个距离实验50次。阅读器分别采用低频和高频，最终识别率结果分别如表1、表2、图5所示。
由图5可知，在较为近的距离上，低频与高频阅读器均有较高的识别率。识别率随加速距离增加，即速度的增加而下降。高频阅读器识别率高于低频阅读器。
3.2 多车碰撞测试方法与结果
由于实际比赛中可能出现多辆赛车，在较短的时间间隔里通过计时位置，本研究希望计时系统能够准确识别通过的不同车辆，得到不同车辆的通过时间，即防碰撞。本研究拟定采用两辆赛车一前一后行驶，直线加速的方法，通过终点。重复实验，得到识别率。
实验中距离设定为1米、2米、3米，步长1米，最大距离至10米;每个距离实验50次。阅读器分别采用低频和高频，最终结果如表3、表4、图6所示。
从上表可知，前车识别率与第一个实验基本一致，也验证了前一实验的可重复性。后车识别率则随加速距离增加，即速度的增加而显著下降。
3.3 实验存在的问题和改进方案
从前文实验方案及结果可以看出，现有计时系统的设计，对于赛车在较低速度形式情况下，有较高的识别率和防碰撞性。但是对于赛车速度较快的情况则出现了识别率的下降。针对这样的问题，本文认为可以采用有源的电子标签替代现有的无源电子标签，利用赛车电源对电子标签进行供电，从而避免电子标签对天线阵列发出的磁场能量的依赖，进而提高识别率。同时，采用更复杂的天线阵列，更加快速准确的捕获电子标签的信息，也是该计时系统的下一步改进方案。
4.总结
采用RFID技术的赛车计时系统，可在赛场的起点、终点处铺设带有接收天线的地垫， 天线封装后可铺在跑道上。比赛时，赛车上预先安装无源电子标签，赛车经过天线时，控制器通过天线接收到电子标签的信息，从而自动识别不同的车辆，通过软件计算车模通过两个节点之间的时间来实现计算速度的功能。
通过实验测试，本套计时系统能够识别不同的赛车，并实现计时的功能。赛道上安装多个计时点可以计算出每两个计时点之间赛车运动的平均速度。
参考文献
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基金项目：“全国大学生创新创业训练计划”经费支持（项目编号：20130006101，经费编号：205001）。
作者简介：刘家曦（1991―），四川成都人，大学本科，现就读于北京航空航天大学电子信息工程学院。