基于ZigBee/RFID的高速公路機電設備一體化監測系統設計

楊渝+陳瑤+蘇昆+劉六仙

摘 要：針對當前智慧交通技術對高速公路機電設備智能化監測水平的發展需求，在結合ZigBee/RFID無線通信技術的基礎上，提出一種基于ZigBee/RFID的高速公路機電設備一體化監測系統，通過構建包括智能感知層、網絡傳輸層、信息整合層、應用服務層等核心模塊的監測平臺架構，實現對高速公路機電設備的實時在線監測與智能化管理，可有效提高對機電設備故障及突發情況的快速反饋及處理能力，進而提升高速公路營運管理的整體水平，為實現智能化交通服務提供一定的參考價值。

關鍵詞：物聯網 機電設備 監測系統 ZigBee/RFID

中圖分類號：TP27 文獻標識碼：A 文章編號：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

隨著智慧交通技術的快速發展和迅速普及，高速公路機電設備的在線監測與智能管理技術作為其重要組成部分，受到越來越多的重視[1，2]。在傳統交通運營環境下，高速公路機電設備在管理維護過程中普遍存在分布點線長面廣、故障情況頻發、維護技術復雜、修復時間緊迫等問題[3，4]，難以實現高速公路機電設備的實時在線故障監測及快速預警，從而無法實現在智慧交通技術背景下的高速公路機電設備智能化管理與運營。

為適應當前智慧交通技術整體發展的需要，進而提升高速公路機電設備的現代化監測管理水平，在結合當前物聯網主流通信技術的基礎上，該文提出一種基于ZigBee/RFID的高速公路機電設備一體化監測系統，通過構建包括智能感知層、網絡傳輸層、信息整合層、應用服務層等核心技術模塊的一體化監測平臺架構，實現對高速公路機電設備實時運行信息的有效采集，并通過ZigBee/RFID高效通信網絡對采集數據進行快速穩定的傳輸，進而有效解決監測服務中心與外部機電設備之間的鏈接與通信問題，最終實現對高速公路機電設備的實時在線監測及智能化運營管理，為后期智慧交通技術的進一步發展提供強有力的技術支持與保障。

1 ZigBee/RFID高效通信物聯技術

1.1 物聯網技術概述

物聯網技術，作為信息化產業的一次重要變革[5]，是一種通過各種信息標識和傳感設備進行物體信息的獲取、傳輸與處理，進而實現物與物、人與物之間自動化信息交互、處理的智能網絡技術，其綜合了傳感器技術、現代網絡技術、嵌入式計算機技術及無線通信技術等前沿高新技術[6，7]，其技術體系如圖1所示，主要包括感知識別技術、網絡通信技術、智能服務技術以及公共支撐技術。在計算機互聯網的基礎上，物聯網利用RFID等無線數據通信技術，構造一個覆蓋世界上萬事萬物并實現物品信息實時共享的實物互聯網，其發展日新月異，經歷了單體、一對一和一對多、多對多、無線泛聯等階段[8]；經過不斷的發展與演變，物聯網技術發展的最終目標便是實現隨時隨地隨物的互聯新模式，盡可能地趨近于萬事萬物之中形成互聯網，進一步實現便利性與智能化。

智慧交通是物聯網技術重要的應用領域，特別是將物聯網技術應用于高速公路機電設備的監測運營中，采用高效的數據通訊傳輸技術、電子設備控制技術、傳感器技術以及計算機智能處理技術等先進技術，綜合構建針對高速公路機電設備的一體化監測系統平臺，可有效提升公路機電設備的智能化管理水平，并大幅度提高交通運輸效率、保障交通安全，進而有效緩解相關交通問題。

1.2 ZigBee/RFID通信組網技術

RFID是物聯網的技術基礎，但是其識別距離短、設備成本高、讀寫系統工作不靈活，而ZigBee同樣作為一種無線網絡技術，雖然設備成本相對較低，但穿透性差卻是它的致命弱點，兩者可以形成互補。通過自組織網絡協議，網絡中的每臺用戶終端設備都可以直接進行無線通信，可節省大量有線設備的連接，提升網絡信息傳輸的穩定性及可靠性。

為設計一種測量精度高、數據傳輸高效可靠、操作方便的基于ZigBee/RFID的高速公路機電設備一體化監測系統，現將RFID與ZigBee兩者進行結合，構建一種高效通信無線物聯網絡。采用RFID射頻技術對目標進行定位并采集信息，通過無線組網ZigBee技術對定位目標的信息進行快速上傳，其組合技術原理如圖2所示。射頻模塊分為應答器和閱讀器，閱讀器嵌入ZigBee模塊，在2.4 GHz頻段進行通信，適合Zigbee設備推廣及降低生產成本。應答器里面存儲相應信息，當通信的網絡建立后，閱讀器與應答器通信，通過單片機實現對應答器的信息控制與管理，并將結果上傳到上位機；由于ZigBee通信的識別距離長，所以這里采用了ZigBee通信協議，可以建立基站擴大通信的距離。通過自組織網的方式連接讀寫器，高效、快速地讀取設備標簽上的相關信息，同時簡化組網過程，使每個RFID閱讀器可實時快速讀取交換標簽信息。最終實現一個ZigBee/RFID混合組網的感知層無線通信網絡設計，可有效采集并傳輸高速公路機電設備實時狀態信息，為監測系統的穩定運行打下基礎。

2 高速公路機電設備一體化監測系統框架

根據智慧交通環境下提升高速公路機電設備智能化監測與管理的需求，結合當前物聯網中先進的傳感器技術、 ZigBee/RFID高效通信物聯技術、電子設備控制技術以及數據智能分析處理技術，建立一種基于ZigBee/RFID的高速公路機電設備一體化監測系統框架，如圖3所示，其主要包括：智能感知層、網絡傳輸層、信息整合層、應用服務層等4個核心技術模塊。

（1）智能感知層。利用物聯網感知技術中的智能傳感器、RFID電子標簽、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等，實現對高速公路機電設備運行狀態數據和故障情況信息的統一智能感知；采用ZigBee/RFID高效通信技術，結合ZigBee較大的有效通訊半徑，對設備周圍環境進行監測與設備盤點，進而有效實現對機電設備運行情況的實時跟蹤，為后期高速公路機電設備運行數據的高效獲取與穩定傳輸提供了有力的技術支持。

（2）網絡傳輸層。主要提供解析數據傳輸通道，將智能感知層采集的相關數據信息高效可靠地傳送到信息整合層，進而使傳感器網絡與移動通訊技術、互聯網技術相融合，實現更加廣泛的互聯功能；同時可控制信息的發送及數據協議的轉換，支持異構網絡接入，并支持移動性，以實現設備的無縫透明接入。

（3）信息整合層。以機電設備監測數據融合處理集成平臺作為信息整合層的信息處理中心，面向服務架構SOA及企業級服務總線，提供信息的標準接入、Web服務、業務服務接口等功能，通過對高速公路機電設備監測多源異構數據的特征提取、挖掘、關聯等方法，實現海量數據縱向整合和橫向集成的全景應用，支撐高速公路機電設備監測全過程管理。

（4）應用服務層。其高速公路機電設備一體化監測系統主要包括信息查詢、風險評估、在線預警、智能診斷、故障上報、系統管理等功能模塊，通過將各模塊進行有效集成，可顯著提升高速公路機電設備的運行監測水平，進而提高其維護管理工作效率，為實現高速公路機電設備智能化監測運營提供一定的技術支持。

3 結語

針對當前智慧交通技術環境下對高速公路機電設備智能化監測運營技術發展的需求，在結合物聯網ZigBee/RFID無線通信技術的基礎上，提出一種基于ZigBee/RFID的高速公路機電設備一體化監測系統，在滿足高速公路機電設備日常維護管理需求的基礎上，進一步實現對機電設備的實時在線監測與智能化管理，可有效提高對機電設備故障及突發情況的快速反饋及處理能力，進而提升高速公路營運管理的整體水平，為今后智慧交通技術的發展提供了一定的參考價值。

參考文獻

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