雙頻RFID在市政窖井蓋管理中的應(yīng)用

引言

市政工程是關(guān)系民生的大工程，在推進智慧城市建設(shè)的 過程中，市政設(shè)施的智能化也是推進過程中的重要組成部分之 一。隨著射頻識別(Radio Frequency Identification, RFID)技 術(shù)的日益成熟，RFID應(yīng)用已經(jīng)滲透到生活中的每一個角落。 RFID按供電方式，可以劃分為有源和無源兩大類，按頻率, 可以分為低頻、高頻、超高頻和微波四大類。本方案充分利用 了有源2.4 GHz RFID傳輸距離遠和無源超高頻RFID標(biāo)簽成 本低廉、無需供電的特點，設(shè)計了一種運行可靠、成本低廉的 雙頻RFID系統(tǒng)方案，并將其運用于市政系統(tǒng)的窖井蓋，實 現(xiàn)了窖井蓋定時上報、異常移位上報和人工巡檢路徑規(guī)劃等 完整的功能。由于人為和自然因素，市政工程中的窖井蓋管理 一直是個棘手的問題，本系統(tǒng)有效地解決了窖井蓋缺失后可 能造成的人員傷亡和財產(chǎn)損失。

1系統(tǒng)方案概述

本方案的系統(tǒng)框圖如圖1所示。整個方案由RFID子系 統(tǒng)和后臺業(yè)務(wù)系統(tǒng)兩大部分組成。其中，RFID子系統(tǒng)涉及到 的設(shè)備包括雙頻RFID卡，有源RFID 一體式閱讀器，手持式 超高頻RFID手持機，正常情況下，雙頻RFID卡每隔1小時 主動發(fā)送握手信號給一體式閱讀器，一體式閱讀器收集信息后 將數(shù)據(jù)發(fā)送給后臺服務(wù)器，工作人員可以通過監(jiān)控終端查看所 有窖井蓋的情況。手持機用于人工例行檢查，工作人員按手持 機設(shè)定的路線進行巡檢，并記錄異常情況。當(dāng)窖井蓋被異常 搬動時，雙頻RFID卡將實時把異常信息發(fā)送給一體式閱讀器, 一體式閱讀器實時把異常信息轉(zhuǎn)發(fā)給后臺服務(wù)器分析。

由于有源RFID的讀取距離可以很遠，因此，一個一體 式閱讀器可以管理許多個窖井蓋，有效地節(jié)約了方案成本。

2 RFID雙頻子系統(tǒng)

2.1 標(biāo)簽設(shè)計

本方案采用無源超高頻和有源2.4 GHz相結(jié)合的射頻方 案。標(biāo)簽采用一塊標(biāo)準(zhǔn)CR2032紐扣電池供電，容量240 mAh。 標(biāo)簽中無源超高頻部分在系統(tǒng)中主要用于人工巡檢和標(biāo)簽信息 的存儲。而有源部分主要實現(xiàn)信息的定時上報和異常上報。標(biāo) 簽的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2標(biāo)簽結(jié)構(gòu)圖

無源超高頻部分采用IMPINJ公司的Monza® X-2K型芯片，該芯片具備2 716 b用戶存儲單元，并且提供了同MCU進行通訊的IIC接口。有源RFID部分采用了 NORDIC公司 的nRF24LE1芯片充當(dāng)系統(tǒng)主控，并完成2.4 GHz射頻發(fā)射 工作，該芯片是一款在一個極小封裝中集成了包括2.4 GHz無

線傳輸，增強型51 FLASK高速單片機，豐富外設(shè)及接口等的 單片F(xiàn)LASK芯片，性價比極高，很適合應(yīng)用于各種2.4 GHz 的產(chǎn)品設(shè)計。同時，采用實時時鐘芯片完成系統(tǒng)的定時喚 醒。磁控開關(guān)則用于標(biāo)簽的異常喚醒，當(dāng)窖井蓋被移動時, 磁控開關(guān)閉合，標(biāo)簽被喚醒。根據(jù)窖井蓋管理需求，包括標(biāo) 簽ID號、窖井蓋類別、窖井蓋所屬地區(qū)等標(biāo)簽信息存儲于 Monza® X-2K芯片中。標(biāo)簽的信息幀由前導(dǎo)碼、時間戳、ID號、 區(qū)域號、類別號、序號、信息類別、電池電壓和校驗碼組成。

本設(shè)計采用了美國創(chuàng)新型公司AMBIQ的超低功耗實時 時鐘芯片AM1801配合nRF24LE1協(xié)同工作，使得標(biāo)簽的壽 命得到大幅度提升。AM1801芯片具備世界上最低的功耗，在 使用外部晶振的條件下，該芯片的工作電流僅為55 nA，平時, nRF24LE1處于深睡眠模式，在該模式下，nRF24LE1的電流 僅為0.5 uA,加上AM1801的55 nA電流，也只有0.55 uA, 記為據(jù) 在定時喚醒后，標(biāo)簽需要4 ms的初始化時間，記為 ta，和1 ms的發(fā)射時間，記為農(nóng)在初始化階段，標(biāo)簽的工作 電流為5 mA，記ia，在發(fā)射階段，標(biāo)簽的工作電流為11 mA， 記為is。根據(jù)式(1)計算得到在12小時喚醒一次的情況下, 標(biāo)簽的平均電流約為0.551 uA,根據(jù)式(2)計算得到標(biāo)簽的 壽命達到10年以上。完全可以滿足系統(tǒng)使用需求。

2.2閱讀器設(shè)計

系統(tǒng)中閱讀器起到了集中器的作用，一個閱讀器管理多 個窖井蓋，然后通過該閱讀器的以太網(wǎng)接口，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)?服務(wù)器。閱讀器的下行鏈路是2.4 GHz的射頻電路，采用全 向天線，完成窖井蓋的信息采集。上行鏈路通過以太網(wǎng)來實現(xiàn), 完成系統(tǒng)和服務(wù)器之間的連接。閱讀器的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3閱讀器的結(jié)構(gòu)圖

2.3超高頻RFID手持機

超高頻RFID手持機用于巡檢。首先，下載巡檢任務(wù)到手 持機，然后，工作人員按照巡檢任務(wù)中的路線，依次到各窖井蓋 進行檢查。在讀取窖井蓋的超高頻RFID標(biāo)簽后，手持機界面 提示記錄窖井蓋的狀態(tài)，是否有問題，問題是否解決”罰。巡檢 完畢，工作人員把巡檢數(shù)據(jù)導(dǎo)入服務(wù)器，作為工作評價的依據(jù)。

3后臺服務(wù)器功能與窖井蓋定位

后臺服務(wù)器用于數(shù)據(jù)采集、存儲、分析、巡檢路徑的生 成和巡檢結(jié)果的存儲。后臺服務(wù)器內(nèi)置電子電圖，標(biāo)注了所有 窖井蓋的具體位置o

當(dāng)后臺服務(wù)器接收到數(shù)據(jù)后，首先對數(shù)據(jù)進行存儲，然 后分析數(shù)據(jù)是否是異常數(shù)據(jù)，如果是異常移動信息，馬上對 比區(qū)域號和窖井蓋類別號，查找到相應(yīng)的責(zé)任人，并進行短 信通知，要求安排突發(fā)檢查。另外，服務(wù)器每天對上報的數(shù) 據(jù)進行橫向統(tǒng)計，如果上報率低于100%,分析未上報窖井蓋 區(qū)域，并根據(jù)窖井蓋ID號，定位到具體的位置，并短信要求 突發(fā)排查設(shè)備問題。針對具體的窖井蓋，系統(tǒng)能根據(jù)標(biāo)簽電 量變化，分析標(biāo)簽是否工作正常，如電壓下降過快，那么可以 認(rèn)為異常漏電，及時通知責(zé)任人，更換標(biāo)簽。

巡檢則是對窖井蓋的狀態(tài)進行定期的檢查，是對主動上 報的必要補充。服務(wù)器根據(jù)系統(tǒng)信息，規(guī)劃最優(yōu)巡檢線路, 并將該路徑下載到手持設(shè)備中。這保證了工作人員的工作是最 高效的。

4結(jié)語

壓力測試結(jié)果表明，本文設(shè)計開發(fā)的系統(tǒng)整體價格低廉, 運行穩(wěn)定。雙頻標(biāo)簽可以持續(xù)工作10年以上而不更換電池, 維護方便，每個標(biāo)簽的成本在50元人民幣以下。該系統(tǒng)的應(yīng) 用大大提升了相關(guān)責(zé)任單位的職能水平，降低了管理成本，能 有效地提升城市綜合管理的效率和水平，非常適合在各級城 市的市政工程中推廣。

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