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(jìn)智慧城市建設(shè)的 過(guò)程中，市政設(shè)施的智能化也是推進(jìn)過(guò)程中的重要組成部分之 一。隨著射頻識(shí)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(gè)角落。 RFID按供電方式，可以劃分為有源和無(wú)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(yuǎn)和無(wú)源超高頻RFID標(biāo)簽成 本低廉、無(wú)需供電的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種運(yùn)行可靠、成本低廉的 雙頻RFID系統(tǒng)方案，并將其運(yùn)用于市政系統(tǒng)的窖井蓋，實(shí) 現(xiàn)了窖井蓋定時(shí)上報(bào)、異常移位上報(bào)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(gè)棘手的問(wèn)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(cái)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(gè)方案由RFID子系 統(tǒng)和后臺(tái)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(jī)，正常情況下，雙頻RFID卡每隔1小時(shí) 主動(dòng)發(fā)送握手信號(hào)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(tái)服務(wù)器，工作人員可以通過(guò)監(jiān)控終端查看所 有窖井蓋的情況。手持機(jī)用于人工例行檢查，工作人員按手持 機(jī)設(shè)定的路線進(jìn)行巡檢，并記錄異常情況。當(dāng)窖井蓋被異常 搬動(dòng)時(shí)，雙頻RFID卡將實(shí)時(shí)把異常信息發(fā)送給一體式閱讀器, 一體式閱讀器實(shí)時(shí)把異常信息轉(zhuǎn)發(fā)給后臺(tái)服務(wù)器分析。

由于有源RFID的讀取距離可以很遠(yuǎn)，因此，一個(gè)一體 式閱讀器可以管理許多個(gè)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(jì)

本方案采用無(wú)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(wú)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(chǔ)。而有源部分主要實(shí)現(xiàn)信息的定時(shí)上報(bào)和異常上報(bào)。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(wú)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(chǔ)單元，并且提供了同MCU進(jìn)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(gè)極小封裝中集成了包括2.4 GHz無(wú)

線傳輸，增強(qiáng)型51 FLASK高速單片機(jī)，豐富外設(shè)及接口等的 單片F(xiàn)LASK芯片，性價(jià)比極高，很適合應(yīng)用于各種2.4 GHz 的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。同時(shí)，采用實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片完成系統(tǒng)的定時(shí)喚 醒。磁控開(kāi)關(guān)則用于標(biāo)簽的異常喚醒，當(dāng)窖井蓋被移動(dòng)時(shí), 磁控開(kāi)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(hào)、窖井蓋類別、窖井蓋所屬地區(qū)等標(biāo)簽信息存儲(chǔ)于 Monza® X-2K芯片中。標(biāo)簽的信息幀由前導(dǎo)碼、時(shí)間戳、ID號(hào)、 區(qū)域號(hào)、類別號(hào)、序號(hào)、信息類別、電池電壓和校驗(yàn)碼組成。

本設(shè)計(jì)采用了美國(guó)創(chuàng)新型公司AMBIQ的超低功耗實(shí)時(shí) 時(shí)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(shí), 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(shí)喚醒后，標(biāo)簽需要4 ms的初始化時(shí)間，記為 ta，和1 ms的發(fā)射時(shí)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(jì)算得到在12小時(shí)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(jì)算得到標(biāo)簽的 壽命達(dá)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(jì)

系統(tǒng)中閱讀器起到了集中器的作用，一個(gè)閱讀器管理多 個(gè)窖井蓋，然后通過(guò)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(guò)以太網(wǎng)來(lái)實(shí)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(jī)

超高頻RFID手持機(jī)用于巡檢。首先，下載巡檢任務(wù)到手 持機(jī)，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(jìn)行檢查。在讀取窖井蓋的超高頻RFID標(biāo)簽后，手持機(jī)界面 提示記錄窖井蓋的狀態(tài)，是否有問(wèn)題，問(wèn)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(píng)價(jià)的依據(jù)。

3后臺(tái)服務(wù)器功能與窖井蓋定位

后臺(tái)服務(wù)器用于數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、分析、巡檢路徑的生 成和巡檢結(jié)果的存儲(chǔ)。后臺(tái)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(tái)服務(wù)器接收到數(shù)據(jù)后，首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，然 后分析數(shù)據(jù)是否是異常數(shù)據(jù)，如果是異常移動(dòng)信息，馬上對(duì) 比區(qū)域號(hào)和窖井蓋類別號(hào)，查找到相應(yīng)的責(zé)任人，并進(jìn)行短 信通知，要求安排突發(fā)檢查。另外，服務(wù)器每天對(duì)上報(bào)的數(shù) 據(jù)進(jìn)行橫向統(tǒng)計(jì)，如果上報(bào)率低于100%,分析未上報(bào)窖井蓋 區(qū)域，并根據(jù)窖井蓋ID號(hào)，定位到具體的位置，并短信要求 突發(fā)排查設(shè)備問(wèn)題。針對(duì)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(guò)快，那么可以 認(rèn)為異常漏電，及時(shí)通知責(zé)任人，更換標(biāo)簽。

巡檢則是對(duì)窖井蓋的狀態(tài)進(jìn)行定期的檢查，是對(duì)主動(dòng)上 報(bào)的必要補(bǔ)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(yǔ)

壓力測(cè)試結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)整體價(jià)格低廉, 運(yùn)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(hù)方便，每個(gè)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(jí)城 市的市政工程中推廣。

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