基于ZigBee/RFID的高速公路機(jī)電設(shè)備一體化監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊渝+陳瑤+蘇昆+劉六仙

摘 要：針對當(dāng)前智慧交通技術(shù)對高速公路機(jī)電設(shè)備智能化監(jiān)測水平的發(fā)展需求，在結(jié)合ZigBee/RFID無線通信技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出一種基于ZigBee/RFID的高速公路機(jī)電設(shè)備一體化監(jiān)測系統(tǒng)，通過構(gòu)建包括智能感知層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、信息整合層、應(yīng)用服務(wù)層等核心模塊的監(jiān)測平臺(tái)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對高速公路機(jī)電設(shè)備的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測與智能化管理，可有效提高對機(jī)電設(shè)備故障及突發(fā)情況的快速反饋及處理能力，進(jìn)而提升高速公路營運(yùn)管理的整體水平，為實(shí)現(xiàn)智能化交通服務(wù)提供一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng) 機(jī)電設(shè)備 監(jiān)測系統(tǒng) ZigBee/RFID

中圖分類號(hào)：TP27 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）03（a）-0021-04

Design of Monitoring Integration System for Highway Electromechanical Equipment Based on ZigBee/RFID

Yang Yu1* Chen Yao1 Su Kun2 Liu Liuxian2

（1.Traffic Science Research Institute of Yunnan Province， KunmingYunnan， 650011， China；

2.Highway Management Department of Yunnan Province， KunmingYunnan， 650216， China）

Abstract：According to the development demand of intelligent traffic technology for the intelligent monitoring level about highway electromechanical equipment， an monitoring integration system for highway electromechanical equipment based on ZigBee/RFID was proposed based on the combination of ZigBee/RFID wireless communication technology. Buliding the monitoring platform framework by the integration of some core moduls including the intelligent sensing layer， the network transport layer， the information integration layer and the application service layer， the real-time online monitoring and intelligent management for highway electromechanical equipment was realized， which could effectively enhance the ability of quick feedback and handling for the failure and unexpected situation about electromechanical equipment， improve the overall level of the operation and management of highway and provide a certain reference value for achieving the smart traffic services.

Key Words：Internet of Things； Electromechanical equipment； Monitoring system； ZigBee/RFID

隨著智慧交通技術(shù)的快速發(fā)展和迅速普及，高速公路機(jī)電設(shè)備的在線監(jiān)測與智能管理技術(shù)作為其重要組成部分，受到越來越多的重視[1，2]。在傳統(tǒng)交通運(yùn)營環(huán)境下，高速公路機(jī)電設(shè)備在管理維護(hù)過程中普遍存在分布點(diǎn)線長面廣、故障情況頻發(fā)、維護(hù)技術(shù)復(fù)雜、修復(fù)時(shí)間緊迫等問題[3，4]，難以實(shí)現(xiàn)高速公路機(jī)電設(shè)備的實(shí)時(shí)在線故障監(jiān)測及快速預(yù)警，從而無法實(shí)現(xiàn)在智慧交通技術(shù)背景下的高速公路機(jī)電設(shè)備智能化管理與運(yùn)營。

為適應(yīng)當(dāng)前智慧交通技術(shù)整體發(fā)展的需要，進(jìn)而提升高速公路機(jī)電設(shè)備的現(xiàn)代化監(jiān)測管理水平，在結(jié)合當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)主流通信技術(shù)的基礎(chǔ)上，該文提出一種基于ZigBee/RFID的高速公路機(jī)電設(shè)備一體化監(jiān)測系統(tǒng)，通過構(gòu)建包括智能感知層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、信息整合層、應(yīng)用服務(wù)層等核心技術(shù)模塊的一體化監(jiān)測平臺(tái)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對高速公路機(jī)電設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行信息的有效采集，并通過ZigBee/RFID高效通信網(wǎng)絡(luò)對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行快速穩(wěn)定的傳輸，進(jìn)而有效解決監(jiān)測服務(wù)中心與外部機(jī)電設(shè)備之間的鏈接與通信問題，最終實(shí)現(xiàn)對高速公路機(jī)電設(shè)備的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測及智能化運(yùn)營管理，為后期智慧交通技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持與保障。

1 ZigBee/RFID高效通信物聯(lián)技術(shù)

1.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概述

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，作為信息化產(chǎn)業(yè)的一次重要變革[5]，是一種通過各種信息標(biāo)識(shí)和傳感設(shè)備進(jìn)行物體信息的獲取、傳輸與處理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)物與物、人與物之間自動(dòng)化信息交互、處理的智能網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其綜合了傳感器技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、嵌入式計(jì)算機(jī)技術(shù)及無線通信技術(shù)等前沿高新技術(shù)[6，7]，其技術(shù)體系如圖1所示，主要包括感知識(shí)別技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、智能服務(wù)技術(shù)以及公共支撐技術(shù)。在計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，物聯(lián)網(wǎng)利用RFID等無線數(shù)據(jù)通信技術(shù)，構(gòu)造一個(gè)覆蓋世界上萬事萬物并實(shí)現(xiàn)物品信息實(shí)時(shí)共享的實(shí)物互聯(lián)網(wǎng)，其發(fā)展日新月異，經(jīng)歷了單體、一對一和一對多、多對多、無線泛聯(lián)等階段[8]；經(jīng)過不斷的發(fā)展與演變，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的最終目標(biāo)便是實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地隨物的互聯(lián)新模式，盡可能地趨近于萬事萬物之中形成互聯(lián)網(wǎng)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)便利性與智能化。

智慧交通是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)重要的應(yīng)用領(lǐng)域，特別是將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于高速公路機(jī)電設(shè)備的監(jiān)測運(yùn)營中，采用高效的數(shù)據(jù)通訊傳輸技術(shù)、電子設(shè)備控制技術(shù)、傳感器技術(shù)以及計(jì)算機(jī)智能處理技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，綜合構(gòu)建針對高速公路機(jī)電設(shè)備的一體化監(jiān)測系統(tǒng)平臺(tái)，可有效提升公路機(jī)電設(shè)備的智能化管理水平，并大幅度提高交通運(yùn)輸效率、保障交通安全，進(jìn)而有效緩解相關(guān)交通問題。

1.2 ZigBee/RFID通信組網(wǎng)技術(shù)

RFID是物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)基礎(chǔ)，但是其識(shí)別距離短、設(shè)備成本高、讀寫系統(tǒng)工作不靈活，而ZigBee同樣作為一種無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，雖然設(shè)備成本相對較低，但穿透性差卻是它的致命弱點(diǎn)，兩者可以形成互補(bǔ)。通過自組織網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)中的每臺(tái)用戶終端設(shè)備都可以直接進(jìn)行無線通信，可節(jié)省大量有線設(shè)備的連接，提升網(wǎng)絡(luò)信息傳輸?shù)姆€(wěn)定性及可靠性。

為設(shè)計(jì)一種測量精度高、數(shù)據(jù)傳輸高效可靠、操作方便的基于ZigBee/RFID的高速公路機(jī)電設(shè)備一體化監(jiān)測系統(tǒng)，現(xiàn)將RFID與ZigBee兩者進(jìn)行結(jié)合，構(gòu)建一種高效通信無線物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。采用RFID射頻技術(shù)對目標(biāo)進(jìn)行定位并采集信息，通過無線組網(wǎng)ZigBee技術(shù)對定位目標(biāo)的信息進(jìn)行快速上傳，其組合技術(shù)原理如圖2所示。射頻模塊分為應(yīng)答器和閱讀器，閱讀器嵌入ZigBee模塊，在2.4 GHz頻段進(jìn)行通信，適合Zigbee設(shè)備推廣及降低生產(chǎn)成本。應(yīng)答器里面存儲(chǔ)相應(yīng)信息，當(dāng)通信的網(wǎng)絡(luò)建立后，閱讀器與應(yīng)答器通信，通過單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對應(yīng)答器的信息控制與管理，并將結(jié)果上傳到上位機(jī)；由于ZigBee通信的識(shí)別距離長，所以這里采用了ZigBee通信協(xié)議，可以建立基站擴(kuò)大通信的距離。通過自組織網(wǎng)的方式連接讀寫器，高效、快速地讀取設(shè)備標(biāo)簽上的相關(guān)信息，同時(shí)簡化組網(wǎng)過程，使每個(gè)RFID閱讀器可實(shí)時(shí)快速讀取交換標(biāo)簽信息。最終實(shí)現(xiàn)一個(gè)ZigBee/RFID混合組網(wǎng)的感知層無線通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，可有效采集并傳輸高速公路機(jī)電設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)信息，為監(jiān)測系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行打下基礎(chǔ)。

2 高速公路機(jī)電設(shè)備一體化監(jiān)測系統(tǒng)框架

根據(jù)智慧交通環(huán)境下提升高速公路機(jī)電設(shè)備智能化監(jiān)測與管理的需求，結(jié)合當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)中先進(jìn)的傳感器技術(shù)、 ZigBee/RFID高效通信物聯(lián)技術(shù)、電子設(shè)備控制技術(shù)以及數(shù)據(jù)智能分析處理技術(shù)，建立一種基于ZigBee/RFID的高速公路機(jī)電設(shè)備一體化監(jiān)測系統(tǒng)框架，如圖3所示，其主要包括：智能感知層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、信息整合層、應(yīng)用服務(wù)層等4個(gè)核心技術(shù)模塊。

（1）智能感知層。利用物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)中的智能傳感器、RFID電子標(biāo)簽、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等，實(shí)現(xiàn)對高速公路機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)和故障情況信息的統(tǒng)一智能感知；采用ZigBee/RFID高效通信技術(shù)，結(jié)合ZigBee較大的有效通訊半徑，對設(shè)備周圍環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測與設(shè)備盤點(diǎn)，進(jìn)而有效實(shí)現(xiàn)對機(jī)電設(shè)備運(yùn)行情況的實(shí)時(shí)跟蹤，為后期高速公路機(jī)電設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的高效獲取與穩(wěn)定傳輸提供了有力的技術(shù)支持。

（2）網(wǎng)絡(luò)傳輸層。主要提供解析數(shù)據(jù)傳輸通道，將智能感知層采集的相關(guān)數(shù)據(jù)信息高效可靠地傳送到信息整合層，進(jìn)而使傳感器網(wǎng)絡(luò)與移動(dòng)通訊技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相融合，實(shí)現(xiàn)更加廣泛的互聯(lián)功能；同時(shí)可控制信息的發(fā)送及數(shù)據(jù)協(xié)議的轉(zhuǎn)換，支持異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)接入，并支持移動(dòng)性，以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的無縫透明接入。

（3）信息整合層。以機(jī)電設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)融合處理集成平臺(tái)作為信息整合層的信息處理中心，面向服務(wù)架構(gòu)SOA及企業(yè)級(jí)服務(wù)總線，提供信息的標(biāo)準(zhǔn)接入、Web服務(wù)、業(yè)務(wù)服務(wù)接口等功能，通過對高速公路機(jī)電設(shè)備監(jiān)測多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的特征提取、挖掘、關(guān)聯(lián)等方法，實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)縱向整合和橫向集成的全景應(yīng)用，支撐高速公路機(jī)電設(shè)備監(jiān)測全過程管理。

（4）應(yīng)用服務(wù)層。其高速公路機(jī)電設(shè)備一體化監(jiān)測系統(tǒng)主要包括信息查詢、風(fēng)險(xiǎn)評估、在線預(yù)警、智能診斷、故障上報(bào)、系統(tǒng)管理等功能模塊，通過將各模塊進(jìn)行有效集成，可顯著提升高速公路機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行監(jiān)測水平，進(jìn)而提高其維護(hù)管理工作效率，為實(shí)現(xiàn)高速公路機(jī)電設(shè)備智能化監(jiān)測運(yùn)營提供一定的技術(shù)支持。

3 結(jié)語

針對當(dāng)前智慧交通技術(shù)環(huán)境下對高速公路機(jī)電設(shè)備智能化監(jiān)測運(yùn)營技術(shù)發(fā)展的需求，在結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)ZigBee/RFID無線通信技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出一種基于ZigBee/RFID的高速公路機(jī)電設(shè)備一體化監(jiān)測系統(tǒng)，在滿足高速公路機(jī)電設(shè)備日常維護(hù)管理需求的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對機(jī)電設(shè)備的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測與智能化管理，可有效提高對機(jī)電設(shè)備故障及突發(fā)情況的快速反饋及處理能力，進(jìn)而提升高速公路營運(yùn)管理的整體水平，為今后智慧交通技術(shù)的發(fā)展提供了一定的參考價(jià)值。

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