双频RFID在市政窖井盖管理中的应用

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，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。

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。

图2标签结构图

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。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 uA,加上AM1801的55 nA电流，也只有0.55 uA, 记为据 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，记为农在初始化阶段，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 uA,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。

图3阅读器的结构图

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”罚。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o

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。

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