0 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 系統方案，并將其運用于市政系統的窖井蓋，實現了窖井蓋定時上報、異常移位上報和人工巡檢路徑規劃等完整的功能。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[1]，本系統有效地解決了窖井蓋缺失后可能造成的人員傷亡和財產損失。

　　1 系統方案概述

　　本方案的系統框圖如圖1 所示。整個方案由RFID 子系統和后臺業務系統兩大部分組成。其中，RFID 子系統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據發送給后臺服務器，工作人員可以通過監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送給一體式閱讀器，一體式閱讀器實時把異常信息轉發給后臺服務器分析[2]。

　　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，有效地節約了方案成本。

　　2 RFID 雙頻子系統

　　2.1 標簽設計

　　本方案采用無源超高頻和有源2.4 GHz 相結合的射頻方案。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信息的定時上報和異常上報。標簽的結構圖如圖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 芯片充當系統主控，并完成2.4 GHz 射頻發射工作，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FLASK 芯片，性價比極高，很適合應用于各種2.4 GHz的產品設計[3-5]。同時，采用實時時鐘芯片完成系統的定時喚醒。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新型公司AMBIQ 的超低功耗實時時鐘芯片AM1801 配合nRF24LE1 協同工作，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 μA，加上AM1801 的55 nA 電流，也只有0.55 μA，記為i1。在定時喚醒后，標簽需要4 ms 的初始化時間，記為ta，和1 ms 的發射時間，記為ts。在初始化階段，標簽的工作電流為5 mA，記ia，在發射階段，標簽的工作電流為11 mA，記為is。根據式(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 μA，根據式(2)計算得到標簽的壽命達到10 年以上。完全可以滿足系統使用需求。

　　2.2 閱讀器設計

　　系統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接口，將數據傳輸到服務器。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來實現，完成系統和服務器之間的連接。閱讀器的結構如圖3 所示。

　　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，是否有問題，問題是否解決[6-8]。巡檢完畢，工作人員把巡檢數據導入服務器，作為工作評價的依據。

　　3 后臺服務器功能與窖井蓋定位

　　后臺服務器用于數據采集、存儲、分析、巡檢路徑的生成和巡檢結果的存儲。后臺服務器內置電子電圖，標注了所有窖井蓋的具體位置[9-10]。

　　當后臺服務器接收到數據后，首先對數據進行存儲，然后分析數據是否是異常數據，如果是異常移動信息，馬上對比區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，要求安排突發檢查。另外，服務器每天對上報的數據進行橫向統計，如果上報率低于100%，分析未上報窖井蓋區域，并根據窖井蓋ID 號，定位到具體的位置，并短信要求突發排查設備問題。針對具體的窖井蓋，系統能根據標簽電量變化，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進行定期的檢查，是對主動上報的必要補充。服務器根據系統信息，規劃最優巡檢線路，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 語

　　壓力測試結果表明，本文設計開發的系統整體價格低廉，運行穩定。雙頻標簽可以持續工作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。