RFID技術在城市道路照明管理中的應用研究

2016-07-16
      無線射頻識別(Radio Frequency Identification,RFID)是一種通過射頻信號進行非接觸式的自動識別并獲取相關信息的技術。它廣泛應用于定位、物體跟蹤、電子防偽等多個行業及專業領域。本文對RFID技術在城市道路照明管理中的應用進行討論和分析。

 關鍵詞  RFID技術  無線射頻識別系統  路燈故障監控  信息數字化

 

近年來,隨著城市化進程的進一步加快,城市各領域公用設施建設發展迅速。城市道路照明的設施管理范圍不斷增大,數量不斷增加,如電纜、設備箱、井蓋、路燈等。照明設施中存在大量資產部件,因其可移動性、易破壞性,城市戶外分布廣的特點,給管理部門帶來了管理難度,同時非法偷盜、城市意外事故、自然天氣影響等問題的突顯,使照明設施直接與間接損壞逐年成不穩定上升狀態,給社會安定、安全、資源節約等造成了負面影響。

采用RFID無線射頻識別技術、傳感器技術、計算機網絡技術、無線通訊技術,實現城市道路照明設施的網絡化、一體化管理,實現現有相關資源的共享,提高城市綜合管理的效率和水平顯得尤為必要。

 

    一、 RFID技術簡述

 

1、 RFID的概念及其工作原理

無線射頻識別系統技術(Radio Frequency Identification,RFID)是一種非接觸式智能自動識別技術。它可以作用于各種惡劣環境,可識別高速運動物體并可同時識別多個標簽,操作快捷方便。射頻識別技術是一項利用射頻信號通過空間耦合(交變磁場或電磁場)實現無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息無需人工干預達到識別目的技術。

RFID技術的基本工作原理是:標簽進入磁場后,接收解讀器發出的射頻信號,憑借感應電流所獲得的能量發送出存儲在芯片中的產品信息(Passive Tag,無源標簽或被動標簽),或者主動發送某一頻率的信號(Active Tag,有源標簽或主動標簽);解讀器讀取信息并解碼后,送至中央信息系統進行有關數據處理。

一套完整的RFID系統 是由閱讀器(Reader)、電子標簽(TAG)(也就是所謂的應答器(Transponder)及應用軟件系統三個部份所組成, 其工作原理是Reader 發射一特定頻率的無線電波能量給Transponder, 用以驅動 Transponder電路將內部的數據送出,此時 Reader 便依序接收解讀數據, 送給應用程序做相應的處理。

 

2、 RFID的特性

與傳統條形碼識別技術相比,RFID有以下優勢:

    1)快速掃描:條形碼一次只能有一個條形碼受到掃描; RFID辨識器可同時辨識讀取數個 RFID標簽。

    2)體積小型化、形狀多樣化:RFID在讀取上并不受尺寸大小與形狀限制,不需為了讀取精確度而配合紙張的固定尺寸和印刷品質。此外, RFID標簽更可往小型化與多樣形態發展,以應用于不同產品。

    3)抗污染能力和耐久性:傳統條形碼的載體是紙張,因此容易受到污染,但 RFID對水、油和化學藥品等物質具有很強抵抗性。此外,由于條形碼是附于塑料袋或外包裝紙箱上,所以特別容易受到折損; RFID卷標是將數據存在芯片中,因此可以免受污損。

    4)可重復使用:現今的條形碼印刷上去之后就無法更改, RFID標簽則可以重復地新增、修改、刪除,RFID卷標內儲存的數據,方便信息的更新。

    5)穿透性和無屏障閱讀:在被覆蓋的情況下, RFID能夠穿透紙張、木材和塑料等非金屬或非透明的材質,并能夠進行穿透性通信。而條形碼掃描機必須在近距離而且沒有物體阻擋的情況下,才可以辨讀條形碼。

    6)安全性:由于 RFID承載的是電子式信息,其數據內容可經由密碼保護,使其內容不易被偽造及變造。

近年來,RFID因其所具備的遠距離讀取、高儲存量等特性而備受矚目。

 

    二、 RFID在城市照明設施管理中的應用

 

創造性的將RFID技術應用到城市道路照明上,能夠以實時監控的方式實現區域的安全防控和城市照明設施管理,對異常情況實時報警,實現了全覆蓋、無盲區的管理。無論是管理對象的當前位置、狀態,還是其移動軌跡、參數的變化,乃至曲線、歷史位置和狀態,都能查看自動生成的記錄,真正實現了將“物”的信息數字化。

系統整體由射頻識別單元、信息無線傳輸單元、后臺數據處理單元3個部分組成(祥見圖2  RFID遠程監控系統框架圖)。路燈井蓋背面和路燈燈桿頂端安裝內嵌有傳感器的標識卡(圖1),當其姿態、位置或狀態發生異常變化時,其上的標識卡通過傳感器立即感知,并向附近的信號收發器發送報警信息。信號收發器通過RFID技術接收相關信號,并通過GPRS通信方式,將信息傳送至照明管理中心的監控指揮中心,將前端感應裝置編碼、編號和位置信息與GIS地圖結合,迅速判斷被監控對象的位置與狀態并進行報警,報警將通過指揮中心可視化大屏上直接顯示出來,使指揮中心可及時迅速調動相關工作人員,及時解決故障,消除安全隱患。系統還可實現井蓋盤點、定位監控、報警聯動、閾值設置以及對其它路燈、電源箱等照明設施的防盜報警功能。

    三、 RFID技術在路燈故障監控中應用的技術研究

 

1、通過研究三軸重力加速度傳感器、光敏傳感器特性,實現燈桿傾斜、井蓋異動檢測功能。攻克建立燈桿傾斜、井蓋異動檢測模型,并充分考慮刮風、車輛等外界因素對模型的影響。

綜合分析技術經濟性能、設備制造能力、實時性等因素,提出了應用有源RFID技術、三軸重力加速度傳感器、光敏傳感器實現市政部件的防盜、監管的方案。

提出了基于三軸重力加速度傳感器的燈桿傾斜、井蓋異動檢測模型,考慮到刮風、車輛等外界干擾因素,確定燈桿傾斜報警角度為20°,井蓋異動角度為15°,現場測試證明該模型準確性較高,檢測準確率在95%以上。

提出無效數據的篩選機制,測量三軸重力加速度傳感器X、Y、Z軸的加速度Ax,Ay,Az,計算Ax2+Ay2+Az2,如果這個平方和接近1g的平方,那么說明這組采樣值是有效的,可以用來計算;否則將該采樣值丟棄。利用有效的采樣值,通過開平方和反正切函數等數學計算(圖3),求出傾斜角度α=arctan((Ax2+Az2 )/Ay)。

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                   計算角度示意圖

2、 研究電子標簽采集上傳算法。傳統的等時間間隔的數據采集上傳算法,在占用網絡帶寬和檢測精度上存在缺陷。簽于此,提出一種新的自適應數據變化規律數據采集上傳算法,在該算法中,根據對當前一段時間所采集的數據變化情況的評估,設置一種判斷數據采集上傳的策略。根據網絡性能參數在當前時刻的變化趨勢,自我調整采集上傳數據的時間間隔,當判斷物體狀態未發生改變,增大數據采集上傳時間間隔;當判斷物體狀態發生改變時,減少數據采集上傳時間間隔。最后,通過現場應用驗證該算法,一方面在較小占用網絡帶寬的情況下,能得到更精確的檢測結果;另一方面,降低了電子標簽的功耗,有利于延長其電池使用壽命。

 

3、研究基于RSSI值的有源RFID定位算法,實現比較精確的目標定位跟蹤。攻克RFID無線射頻信號遮擋、反射和衍射對定位精度影響的技術難題。

采用LoRa調制技術,接收靈敏度可達-148dBm,解決了建筑物、人體、車輛、小區植物、植被等環境對RFID無線射頻信號遮擋;

采用基于RSSI值的加權三角質心算法,通過對無線電傳播路徑損耗模型的分析,設計了加權質心算法,通過加權因子來體現信標節點對質心坐標決定權的大小,利用加權因子體現各信標節點對質心位置的影響程度, 反映它們之間的內在關系。

 

    四、國內外RFID技術應用到照明行業的案例的比較

 

目前國內外針對市政部件的管理,還沒有較好的完整解決方案。國內部分廠家,采用無源RFID的方式,對一些廣告牌等室外資產進行管理,采用人工的方式用手持讀卡器進行巡視掃描管理,減輕了手工登記、抄表、核對的工作量,其優點是系統實施成本較低,缺點是需要人工現場巡視,數據不能實時上傳,且不能對物體和資產的狀態進行監控。有的廠家采用GPS方式實現定位,再通過GPRS方式直接通過運營商上傳數據,系統部署較為方便,但功耗大、成本高,只能適用于汽車等場合。對無法經常充電、應用數量很大的井蓋、燈桿等的管理很難適用。在部分院校、高檔小區內,還有采用wifi技術實現上傳的解決方案,但該方案在城市區域,一方面嚴重依賴于Wifi的組網、布網建設情況,不具有普遍適用性;另一方面城市范圍內各種公用私用的Wifi接入點數量繁多,很容易造成數據和信號的互相干擾,不如獨立組網的系統安全、可靠性高;另外采用Wifi技術,由于傳輸協議的原因,數據傳輸量大于RFID,這對設備的電池使用壽命等都是很大的考驗。

除了采用GPS、Wifi等技術外,國外的RFID廠商,在部隊設施、戰場應用領域,結合GPS定位,開發了能快速部署應用,實現物體定位和狀態監控的系統,并采用Zigbee技術組網上傳數據,具有定位準確、應用方便、數據實時性好、可靠性高等優點,但缺點是成本太高,在其他關注成本的場合完全無法應用,且由于功耗大,只能在1-3天內短期使用,不適合日常應用。

因此,RFID應用到城市照明行業中相對技術可靠,應用性強。

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