双频RFID在市政窖井盖管理中的应用设计

　　0 引 言

　　市政工程是关系民生的大工程，在推进智慧城市建设的过程中，市政设施的智能化也是推进过程中的重要组成部分之一。随着射频识别(Radio Frequency Identification, RFID)技术的日益成熟，RFID 应用已经渗透到生活中的每一个角落。RFID 按供电方式，可以划分为有源和无源两大类，按频率，可以分为低频、高频、超高频和微波四大类。本方案充分利用了有源2.4 GHz RFID 传输距离远和无源超高频RFID 标签成本低廉、无需供电的特点，设计了一种运行可靠、成本低廉的双频RFID 系统方案，并将其运用于市政系统的窖井盖，实现了窖井盖定时上报、异常移位上报和人工巡检路径规划等完整的功能。由于人为和自然因素，市政工程中的窖井盖管理一直是个棘手的问题[1]，本系统有效地解决了窖井盖缺失后可能造成的人员伤亡和财产损失。

　　1 系统方案概述

　　本方案的系统框图如图1 所示。整个方案由RFID 子系统和后台业务系统两大部分组成。其中，RFID 子系统涉及到的设备包括双频RFID 卡，有源RFID 一体式阅读器，手持式超高频RFID 手持机，正常情况下，双频RFID 卡每隔1 小时主动发送握手信号给一体式阅读器，一体式阅读器收集信息后将数据发送给后台服务器，工作人员可以通过监控终端查看所有窖井盖的情况。手持机用于人工例行检查，工作人员按手持机设定的路线进行巡检，并记录异常情况。当窖井盖被异常搬动时，双频RFID 卡将实时把异常信息发送给一体式阅读器，一体式阅读器实时把异常信息转发给后台服务器分析[2]。

　　由于有源RFID 的读取距离可以很远，因此，一个一体式阅读器可以管理许多个窖井盖，有效地节约了方案成本。

　　2 RFID 双频子系统

　　2.1 标签设计

　　本方案采用无源超高频和有源2.4 GHz 相结合的射频方案。标签采用一块标准CR2032 纽扣电池供电，容量240 mAh。标签中无源超高频部分在系统中主要用于人工巡检和标签信息的存储。而有源部分主要实现信息的定时上报和异常上报。标签的结构图如图2 所示。

　　无源超高频部分采用IMPINJ 公司的Monza? X-2K 型芯片，该芯片具备2 716 b 用户存储单元，并且提供了同MCU进行通讯的IIC 接口。有源RFID 部分采用了NORDIC 公司的nRF24LE1 芯片充当系统主控，并完成2.4 GHz 射频发射工作，该芯片是一款在一个极小封装中集成了包括2.4 GHz 无线传输，增强型51 FLASK 高速单片机，丰富外设及接口等的

　　单片FLASK 芯片，性价比极高，很适合应用于各种2.4 GHz的产品设计[3-5]。同时，采用实时时钟芯片完成系统的定时唤醒。磁控开关则用于标签的异常唤醒，当窖井盖被移动时，磁控开关闭合，标签被唤醒。根据窖井盖管理需求，包括标签ID 号、窖井盖类别、窖井盖所属地区等标签信息存储于Monza? X-2K 芯片中。标签的信息帧由前导码、时间戳、ID 号、区域号、类别号、序号、信息类别、电池电压和校验码组成。

　　本设计采用了美国创新型公司AMBIQ 的超低功耗实时时钟芯片AM1801 配合nRF24LE1 协同工作，使得标签的寿命得到大幅度提升。AM1801 芯片具备世界上最低的功耗，在使用外部晶振的条件下，该芯片的工作电流仅为55 nA，平时，nRF24LE1 处于深睡眠模式，在该模式下，nRF24LE1 的电流仅为0.5 μA，加上AM1801 的55 nA 电流，也只有0.55 μA，记为i1。在定时唤醒后，标签需要4 ms 的初始化时间，记为ta，和1 ms 的发射时间，记为ts。在初始化阶段，标签的工作电流为5 mA，记ia，在发射阶段，标签的工作电流为11 mA，记为is。根据式(1)计算得到在12 小时唤醒一次的情况下，标签的平均电流约为0.551 μA，根据式(2)计算得到标签的寿命达到10 年以上。完全可以满足系统使用需求。

　　2.2 阅读器设计

　　系统中阅读器起到了集中器的作用，一个阅读器管理多个窖井盖，然后通过该阅读器的以太网接口，将数据传输到服务器。阅读器的下行链路是2.4 GHz 的射频电路，采用全向天线，完成窖井盖的信息采集。上行链路通过以太网来实现，完成系统和服务器之间的连接。阅读器的结构如图3 所示。

　　2.3 超高频RFID 手持机

　　超高频RFID 手持机用于巡检。首先，下载巡检任务到手持机，然后，工作人员按照巡检任务中的路线，依次到各窖井盖进行检查。在读取窖井盖的超高频RFID 标签后，手持机界面提示记录窖井盖的状态，是否有问题，问题是否解决[6-8]。巡检完毕，工作人员把巡检数据导入服务器，作为工作评价的依据。

　　3 后台服务器功能与窖井盖定位

　　后台服务器用于数据采集、存储、分析、巡检路径的生成和巡检结果的存储。后台服务器内置电子电图，标注了所有窖井盖的具体位置[9-10]。

　　当后台服务器接收到数据后，首先对数据进行存储，然后分析数据是否是异常数据，如果是异常移动信息，马上对比区域号和窖井盖类别号，查找到相应的责任人，并进行短信通知，要求安排突发检查。另外，服务器每天对上报的数据进行横向统计，如果上报率低于100%，分析未上报窖井盖区域，并根据窖井盖ID 号，定位到具体的位置，并短信要求突发排查设备问题。针对具体的窖井盖，系统能根据标签电量变化，分析标签是否工作正常，如电压下降过快，那么可以认为异常漏电，及时通知责任人，更换标签。巡检则是对窖井盖的状态进行定期的检查，是对主动上报的必要补充。服务器根据系统信息，规划最优巡检线路，并将该路径下载到手持设备中。这保证了工作人员的工作是最高效的。

　　4 结 语

　　压力测试结果表明，本文设计开发的系统整体价格低廉，运行稳定。双频标签可以持续工作10 年以上而不更换电池，维护方便，每个标签的成本在50 元人民币以下。该系统的应用大大提升了相关责任单位的职能水平，降低了管理成本，能有效地提升城市综合管理的效率和水平，非常适合在各级城市的市政工程中推广。