引言

市政工程是關系民生的大工程，在推進智慧城市建設的 過程中，市政設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 術的日益成熟，RFID應用已經(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標簽成 本低廉、無需供電的特點，設計了一種運行可靠、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)務系統(tǒng)兩大部分組成。其中，RFID子系統(tǒng)涉及到 的設備包括雙頻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 機設定的路線進行巡檢，并記錄異常情況。當窖井蓋被異常 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 標簽設計

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。標簽采用一塊標準CR2032紐扣電池供電，容量240 mAh。 標簽中無源超高頻部分在系統(tǒng)中主要用于人工巡檢和標簽信息 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 簽的結(jié)構圖如圖2所示。

圖2標簽結(jié)構圖

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，豐富外設及接口等的 單片F(xiàn)LASK芯片，性價比極高，很適合應用于各種2.4 GHz 的產(chǎn)品設計。同時，采用實時時鐘芯片完成系統(tǒng)的定時喚 醒。磁控開關則用于標簽的異常喚醒，當窖井蓋被移動時, 磁控開關閉合，標簽被喚醒。根據(jù)窖井蓋管理需求，包括標 簽ID號、窖井蓋類別、窖井蓋所屬地區(qū)等標簽信息存儲于 Monza® X-2K芯片中。標簽的信息幀由前導碼、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，標簽的工作 電流為5 mA，記ia，在發(fā)射階段，標簽的工作電流為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, 標簽的平均電流約為0.551 uA,根據(jù)式(2)計算得到標簽的 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)和服務器之間的連接。閱讀器的結(jié)構如圖3所示。

圖3閱讀器的結(jié)構圖

2.3超高頻RFID手持機

超高頻RFID手持機用于巡檢。首先，下載巡檢任務到手 持機，然后，工作人員按照巡檢任務中的路線，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)導入服務器，作為工作評價的依據(jù)。

3后臺服務器功能與窖井蓋定位

后臺服務器用于數(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。后臺服務器內(nèi)置電子電圖，標注了所有 窖井蓋的具體位置o

當后臺服務器接收到數(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，查找到相應的責任人，并進行短 信通知，要求安排突發(fā)檢查。另外，服務器每天對上報的數(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)排查設備問題。針對具體的窖井蓋，系統(tǒng)能根據(jù)標簽電 量變化，分析標簽是否工作正常，如電壓下降過快，那么可以 認為異常漏電，及時通知責任人，更換標簽。

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，本文設計開發(fā)的系統(tǒng)整體價格低廉, 運行穩(wěn)定。雙頻標簽可以持續(xù)工作10年以上而不更換電池, 維護方便，每個標簽的成本在50元人民幣以下。該系統(tǒng)的應 用大大提升了相關責任單位的職能水平，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。

20211222_61c209eb6d4f3__雙頻RFID在市政窖井蓋管理中的應用