張培高

(瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 瀘州 646000)

1 RFID介紹

RFID是Radio Frequency Identification的縮寫，即射頻識別，俗稱電子標(biāo)簽。RFID是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，它通過射頻信號自動識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識別工作無須人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境。RFID技術(shù)可識別高速運(yùn)動物體并可同時識別多個標(biāo)簽，操作快捷方便[1]。

RFID是一種簡單的無線系統(tǒng)，只有2個基本器件，該系統(tǒng)用于控制、檢測和跟蹤物體。系統(tǒng)由一個詢問器(或閱讀器)和很多應(yīng)答器(或標(biāo)簽)組成。其基木結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 RFID系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)框圖

標(biāo)簽：由耦合元件及芯片組成，每個標(biāo)簽具有唯一的電子編碼，附著在物體上標(biāo)識目標(biāo)對象。

閱讀器：讀取或者寫入標(biāo)簽信息的設(shè)備，可設(shè)計為手持式或固定式。

天線：在標(biāo)簽和閱讀器間傳遞射頻信號。

2 路燈監(jiān)控系統(tǒng)硬件組成

圖2 路燈監(jiān)控系統(tǒng)基本組成

2.1 PLC控制模塊

PLC可以進(jìn)行A/D、D/A轉(zhuǎn)換，通用于RS-422、RS485、RS232通訊接口，編程方便、接線簡單，抗干擾能力強(qiáng)，價格便宜，對于環(huán)境復(fù)雜的無人值班的監(jiān)控地區(qū)特別適用，故本文采用PLC來控制路燈，路燈監(jiān)控系統(tǒng)終端的框架如圖3所示。

圖3 路燈監(jiān)控終端的框架

2.2 LoRa通信模塊

LoRa廣域網(wǎng)技術(shù)(即Low Power Wide Area Network，簡稱LPWAN)。它靈敏度高(-148dbm)、抗干擾能力強(qiáng)、通流容量大，贏得了廣泛地關(guān)注。LoRa的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)：將獲取的相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)關(guān)基站，再匯總到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，最終送到應(yīng)用服務(wù)器。在發(fā)射功率一定時，通常擴(kuò)頻因子被設(shè)置得越大，模塊可獲得的接收靈敏度就越高，通信距離將越遠(yuǎn)，但會同時導(dǎo)致通信速率降低[2]。

3 路燈監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件主要是將采集到的電流/電壓信號進(jìn)行解碼分析，并將信息傳送至監(jiān)控中心平臺。當(dāng)安裝了射頻標(biāo)簽的車輛處于監(jiān)控區(qū)域時，路燈附近的RFID讀寫裝置會立刻監(jiān)測汽車的行駛速度并上傳數(shù)據(jù)信息。路燈監(jiān)控系統(tǒng)工作流程如圖4所示。

圖4 路燈監(jiān)控系統(tǒng)工作流程

當(dāng)車輛V=0時，監(jiān)控中心無反饋信息，PLC控制觸點(diǎn)不動作，不開啟路燈。

V——汽車行駛速度；S——兩相鄰燈桿距離；

T——汽車經(jīng)過兩燈桿的時間

本文選用晶體管輸出的PLC，其響應(yīng)時間在0.2ms以下；通信距離越遠(yuǎn)，LoRa的通信速率就越低，故需要在一個合理的區(qū)域范圍內(nèi)裝設(shè)一臺監(jiān)控中心服務(wù)器，以致縮短信息響應(yīng)時間；RFID現(xiàn)在實(shí)際中可以達(dá)到的響應(yīng)時間是500個/1s左右標(biāo)簽，但是速度一般不超過80km/h。幾種模塊響應(yīng)時間都在毫秒級甚至微秒級，故相對于汽車正常行駛速度來說可以忽略。

4 路燈監(jiān)控系統(tǒng)總體方案

城市街道燈桿間距是根據(jù)燈桿高低，車道寬窄，光源亮度來設(shè)置的。一般情況下，城市道路的路燈間距在25～50m之間，如果道路不是很寬的小型路燈，在光源不是很亮的情況下，間距可以稍微縮短至20m左右。

當(dāng)安裝RFID標(biāo)簽的車輛正常駛?cè)胙b有RFID智能終端的街道，RFID讀寫器模塊對監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的車輛RFID標(biāo)簽信息進(jìn)行不間斷掃描，并記錄到本地數(shù)據(jù)庫；由于不同街道的車流量不同，每條街道設(shè)置一個本地數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫將獲取的數(shù)據(jù)信息通過LoRa傳送至監(jiān)控中心主機(jī)，監(jiān)控中心服務(wù)器根據(jù)車輛當(dāng)前狀態(tài)判斷是否開啟路燈，開啟多長時間或者多長時間熄滅。當(dāng)裝有RFID標(biāo)簽的汽車駛出該RFID智能終端的感應(yīng)范圍，RFID讀寫器將再次將數(shù)據(jù)傳送回監(jiān)控中心，監(jiān)控中心數(shù)據(jù)接收到數(shù)據(jù)后，服務(wù)器就會再次通過LoRa無線通信系統(tǒng)傳送至PLC執(zhí)行路燈的關(guān)閉[3]。如此，監(jiān)控中心根據(jù)本地傳送的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出前方燈桿需要提前啟動的時間和汽車后方燈桿實(shí)時熄滅的時間，實(shí)現(xiàn)路燈精細(xì)化控制，節(jié)約相關(guān)的人力與物力資源。

5 結(jié)語

本文設(shè)計的基于PLC、RFID和LoRa的遠(yuǎn)程路燈監(jiān)控系統(tǒng)，能夠解決不同速度車輛與路燈照明之間的匹配問題，實(shí)現(xiàn)了城市路燈的精細(xì)化控制，具有遙控、遙測和遙信功能，有效地解決了城市路燈控制的靈活性、實(shí)時性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性等問題，同時抗干擾力強(qiáng)，通信穩(wěn)定，進(jìn)一步優(yōu)化了城市路燈管理系統(tǒng)，達(dá)到了更節(jié)約電能的目的。