雙頻RFID在市政窖井蓋管理中的應(yīng)用設(shè)計(jì)

　　0 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)的過程中，市政設(shè)施的智能化也是推進(jìn)過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)和無源超高頻RFID 標(biāo)簽成本低廉、無需供電的特點(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)棘手的問題[1]，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[2]。

　　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(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。

　　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(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)[3-5]。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 μA，加上AM1801 的55 nA 電流，也只有0.55 μA，記為i1。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ts。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 μA，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，然后通過該閱讀器的以太網(wǎng)接口，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?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(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。

　　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)，是否有問題，問題是否解決[6-8]。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[9-10]。

　　當(dāng)后臺(tái)服務(wù)器接收到數(shù)據(jù)后，首先對數(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(shí)通知責(zé)任人，更換標(biāo)簽。巡檢則是對窖井蓋的狀態(tài)進(jìn)行定期的檢查，是對主動(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

　　壓力測試結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)開發(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。