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              RFID技术在城市道路照明管理中的应用研究

              2016-07-16
                    无线射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)是一种通过射频信号进行非接触式的自动识别并获取相关信息的技术。它广泛应用于定位、物体跟踪、电子防伪等多个行业及专业领域。本文对RFID技术在城市道路照明管理中的应用进行讨论和分析。

               关键词  RFID技术  无线射频识别系统  路灯故障监控  信息数字化

               

              近年来,随着城市化进程的进一步加快,城市各领域公用设施建设发展迅速。城市道路照明的设施管理范围不断增大,数量不断增加,如电缆、设备箱、井盖、路灯等。照明设施中存在大量资产部件,因其可移动性、易破坏性,城市户外分布广的特点,给管理部门带来了管理难度,同时非法偷盗、城市意外事故、自然天气影响等问题的突显,使照明设施直接与间接损坏逐年成不稳定上升状态,给社会安定、安全、资源节约等造成了负面影响。

              采用RFID无线射频识别技术、传感器技术、计算机网络技术、无线通讯技术,实现城市道路照明设施的网络化、一体化管理,实现现有相关资源的共享,提高城市综合管理的效率和水平显得尤为必要。

               

                  一、 RFID技术简述

               

              1、 RFID的概念及其工作原理

              无线射频识别系统技术(Radio Frequency Identification,RFID)是一种非接触式智能自动识别技术。它可以作用于各种恶劣环境,可识别高速运动物体并可同时识别多个标签,操作快捷方便。射频识别技术是一项利用射频信号通过空间耦合(交变磁场或电磁场)实现无接触信息传递并通过所传递的信息无需人工干预达到识别目的技术。

              RFID技术的基本工作原理是:标签进入磁场后,接收解读器发出的射频信号,凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息(Passive Tag,无源标签或被动标签),或者主动发送某一频率的信号(Active Tag,有源标签或主动标签);解读器读取信息并解码后,送至中央信息系统进行有关数据处理。

              一套完整的RFID系统 是由阅读器(Reader)、电子标签(TAG)(也就是所谓的应答器(Transponder)及应用软件系统三个部份所组成, 其工作原理是Reader 发射一特定频率的无线电波能量给Transponder, 用以驱动 Transponder电路将内部的数据送出,此时 Reader 便依序接收解读数据, 送给应用程序做相应的处理。

               

              2、 RFID的特性

              与传统条形码识别技术相比,RFID有以下优势:

                  1)快速扫描:条形码一次只能有一个条形码受到扫描; RFID辨识器可同时辨识读取数个 RFID标签。

                  2)体积小型化、形状多样化:RFID在读取上并不受尺寸大小与形状限制,不需为了读取精确度而配合纸张的固定尺寸和印刷品质。此外, RFID标签更可往小型化与多样形态发展,以应用于不同产品。

                  3)抗污染能力和耐久性:传统条形码的载体是纸张,因此容易受到污染,但 RFID对水、油和化学药品等物质具有很强抵抗性。此外,由于条形码是附于塑料袋或外包装纸箱上,所以特别容易受到折损; RFID卷标是将数据存在芯片中,因此可以免受污损。

                  4)可重复使用:现今的条形码印刷上去之后就无法更改, RFID标签则可以重复地新增、修改、删除,RFID卷标内储存的数据,方便信息的更新。

                  5)穿透性和无屏障阅读:在被覆盖的情况下, RFID能够穿透纸张、木材和塑料等非金属或非透明的材质,并能够进行穿透性通信。而条形码扫描机必须在近距离而且没有物体阻挡的情况下,才可以辨读条形码。

                  6)安全性:由于 RFID承载的是电子式信息,其数据内容可经由密码;,使其内容不易被伪造及变造。

              近年来,RFID因其所具备的远距离读取、高储存量等特性而备受瞩目。

               

                  二、 RFID在城市照明设施管理中的应用

               

              创造性的将RFID技术应用到城市道路照明上,能够以实时监控的方式实现区域的安全防控和城市照明设施管理,对异常情况实时报警,实现了全覆盖、无盲区的管理。无论是管理对象的当前位置、状态,还是其移动轨迹、参数的变化,乃至曲线、历史位置和状态,都能查看自动生成的记录,真正实现了将“物”的信息数字化。

              系统整体由射频识别单元、信息无线传输单元、后台数据处理单元3个部分组成(祥见图2  RFID远程监控系统框架图)。路灯井盖背面和路灯灯杆顶端安装内嵌有传感器的标识卡(图1),当其姿态、位置或状态发生异常变化时,其上的标识卡通过传感器立即感知,并向附近的信号收发器发送报警信息。信号收发器通过RFID技术接收相关信号,并通过GPRS通信方式,将信息传送至照明管理中心的监控指挥中心,将前端感应装置编码、编号和位置信息与GIS地图结合,迅速判断被监控对象的位置与状态并进行报警,报警将通过指挥中心可视化大屏上直接显示出来,使指挥中心可及时迅速调动相关工作人员,及时解决故障,消除安全隐患。系统还可实现井盖盘点、定位监控、报警联动、阈值设置以及对其它路灯、电源箱等照明设施的防盗报警功能。

                  三、 RFID技术在路灯故障监控中应用的技术研究

               

              1、通过研究三轴重力加速度传感器、光敏传感器特性,实现灯杆倾斜、井盖异动检测功能。攻克建立灯杆倾斜、井盖异动检测模型,并充分考虑刮风、车辆等外界因素对模型的影响。

              综合分析技术经济性能、设备制造能力、实时性等因素,提出了应用有源RFID技术、三轴重力加速度传感器、光敏传感器实现市政部件的防盗、监管的方案。

              提出了基于三轴重力加速度传感器的灯杆倾斜、井盖异动检测模型,考虑到刮风、车辆等外界干扰因素,确定灯杆倾斜报警角度为20°,井盖异动角度为15°,现场测试证明该模型准确性较高,检测准确率在95%以上。

              提出无效数据的筛选机制,测量三轴重力加速度传感器X、Y、Z轴的加速度Ax,Ay,Az,计算Ax2+Ay2+Az2,如果这个平方和接近1g的平方,那么说明这组采样值是有效的,可以用来计算;否则将该采样值丢弃。利用有效的采样值,通过开平方和反正切函数等数学计算(图3),求出倾斜角度α=arctan((Ax2+Az2 )/Ay)。

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                                 计算角度示意图

              2、 研究电子标签采集上传算法。传统的等时间间隔的数据采集上传算法,在占用网络带宽和检测精度上存在缺陷。签于此,提出一种新的自适应数据变化规律数据采集上传算法,在该算法中,根据对当前一段时间所采集的数据变化情况的评估,设置一种判断数据采集上传的策略。根据网络性能参数在当前时刻的变化趋势,自我调整采集上传数据的时间间隔,当判断物体状态未发生改变,增大数据采集上传时间间隔;当判断物体状态发生改变时,减少数据采集上传时间间隔。最后,通过现场应用验证该算法,一方面在较小占用网络带宽的情况下,能得到更精确的检测结果;另一方面,降低了电子标签的功耗,有利于延长其电池使用寿命。

               

              3、研究基于RSSI值的有源RFID定位算法,实现比较精确的目标定位跟踪。攻克RFID无线射频信号遮挡、反射和衍射对定位精度影响的技术难题。

              采用LoRa调制技术,接收灵敏度可达-148dBm,解决了建筑物、人体、车辆、小区植物、植被等环境对RFID无线射频信号遮挡;

              采用基于RSSI值的加权三角质心算法,通过对无线电传播路径损耗模型的分析,设计了加权质心算法,通过加权因子来体现信标节点对质心坐标决定权的大小,利用加权因子体现各信标节点对质心位置的影响程度, 反映它们之间的内在关系。

               

                  四、国内外RFID技术应用到照明行业的案例的比较

               

              目前国内外针对市政部件的管理,还没有较好的完整解决方案。国内部分厂家,采用无源RFID的方式,对一些广告牌等室外资产进行管理,采用人工的方式用手持读卡器进行巡视扫描管理,减轻了手工登记、抄表、核对的工作量,其优点是系统实施成本较低,缺点是需要人工现场巡视,数据不能实时上传,且不能对物体和资产的状态进行监控。有的厂家采用GPS方式实现定位,再通过GPRS方式直接通过运营商上传数据,系统部署较为方便,但功耗大、成本高,只能适用于汽车等场合。对无法经常充电、应用数量很大的井盖、灯杆等的管理很难适用。在部分院校、高档小区内,还有采用wifi技术实现上传的解决方案,但该方案在城市区域,一方面严重依赖于Wifi的组网、布网建设情况,不具有普遍适用性;另一方面城市范围内各种公用私用的Wifi接入点数量繁多,很容易造成数据和信号的互相干扰,不如独立组网的系统安全、可靠性高;另外采用Wifi技术,由于传输协议的原因,数据传输量大于RFID,这对设备的电池使用寿命等都是很大的考验。

              除了采用GPS、Wifi等技术外,国外的RFID厂商,在部队设施、战场应用领域,结合GPS定位,开发了能快速部署应用,实现物体定位和状态监控的系统,并采用Zigbee技术组网上传数据,具有定位准确、应用方便、数据实时性好、可靠性高等优点,但缺点是成本太高,在其他关注成本的场合完全无法应用,且由于功耗大,只能在1-3天内短期使用,不适合日常应用。

              因此,RFID应用到城市照明行业中相对技术可靠,应用性强。

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