基于ZigBee/RFID的高速公路机电设备一体化监测系统设计

杨渝+陈瑶+苏昆+刘六仙

摘 要：针对当前智慧交通技术对高速公路机电设备智能化监测水平的发展需求，在结合ZigBee/RFID无线通信技术的基础上，提出一种基于ZigBee/RFID的高速公路机电设备一体化监测系统，通过构建包括智能感知层、网络传输层、信息整合层、应用服务层等核心模块的监测平台架构，实现对高速公路机电设备的实时在线监测与智能化管理，可有效提高对机电设备故障及突发情况的快速反馈及处理能力，进而提升高速公路营运管理的整体水平，为实现智能化交通服务提供一定的参考价值。

关键词：物联网 机电设备 监测系统 ZigBee/RFID

中图分类号：TP27 文献标识码：A 文章编号：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

隨着智慧交通技术的快速发展和迅速普及，高速公路机电设备的在线监测与智能管理技术作为其重要组成部分，受到越来越多的重视[1，2]。在传统交通运营环境下，高速公路机电设备在管理维护过程中普遍存在分布点线长面广、故障情况频发、维护技术复杂、修复时间紧迫等问题[3，4]，难以实现高速公路机电设备的实时在线故障监测及快速预警，从而无法实现在智慧交通技术背景下的高速公路机电设备智能化管理与运营。

为适应当前智慧交通技术整体发展的需要，进而提升高速公路机电设备的现代化监测管理水平，在结合当前物联网主流通信技术的基础上，该文提出一种基于ZigBee/RFID的高速公路机电设备一体化监测系统，通过构建包括智能感知层、网络传输层、信息整合层、应用服务层等核心技术模块的一体化监测平台架构，实现对高速公路机电设备实时运行信息的有效采集，并通过ZigBee/RFID高效通信网络对采集数据进行快速稳定的传输，进而有效解决监测服务中心与外部机电设备之间的链接与通信问题，最终实现对高速公路机电设备的实时在线监测及智能化运营管理，为后期智慧交通技术的进一步发展提供强有力的技术支持与保障。

1 ZigBee/RFID高效通信物联技术

1.1 物联网技术概述

物联网技术，作为信息化产业的一次重要变革[5]，是一种通过各种信息标识和传感设备进行物体信息的获取、传输与处理，进而实现物与物、人与物之间自动化信息交互、处理的智能网络技术，其综合了传感器技术、现代网络技术、嵌入式计算机技术及无线通信技术等前沿高新技术[6，7]，其技术体系如图1所示，主要包括感知识别技术、网络通信技术、智能服务技术以及公共支撑技术。在计算机互联网的基础上，物联网利用RFID等无线数据通信技术，构造一个覆盖世界上万事万物并实现物品信息实时共享的实物互联网，其发展日新月异，经历了单体、一对一和一对多、多对多、无线泛联等阶段[8]；经过不断的发展与演变，物联网技术发展的最终目标便是实现随时随地随物的互联新模式，尽可能地趋近于万事万物之中形成互联网，进一步实现便利性与智能化。

智慧交通是物联网技术重要的应用领域，特别是将物联网技术应用于高速公路机电设备的监测运营中，采用高效的数据通讯传输技术、电子设备控制技术、传感器技术以及计算机智能处理技术等先进技术，综合构建针对高速公路机电设备的一体化监测系统平台，可有效提升公路机电设备的智能化管理水平，并大幅度提高交通运输效率、保障交通安全，进而有效缓解相关交通问题。

1.2 ZigBee/RFID通信组网技术

RFID是物联网的技术基础，但是其识别距离短、设备成本高、读写系统工作不灵活，而ZigBee同样作为一种无线网络技术，虽然设备成本相对较低，但穿透性差却是它的致命弱点，两者可以形成互补。通过自组织网络协议，网络中的每台用户终端设备都可以直接进行无线通信，可节省大量有线设备的连接，提升网络信息传输的稳定性及可靠性。

为设计一种测量精度高、数据传输高效可靠、操作方便的基于ZigBee/RFID的高速公路机电设备一体化监测系统，现将RFID与ZigBee两者进行结合，构建一种高效通信无线物联网络。采用RFID射频技术对目标进行定位并采集信息，通过无线组网ZigBee技术对定位目标的信息进行快速上传，其组合技术原理如图2所示。射频模块分为应答器和阅读器，阅读器嵌入ZigBee模块，在2.4 GHz频段进行通信，适合Zigbee设备推广及降低生产成本。应答器里面存储相应信息，当通信的网络建立后，阅读器与应答器通信，通过单片机实现对应答器的信息控制与管理，并将结果上传到上位机；由于ZigBee通信的识别距离长，所以这里采用了ZigBee通信协议，可以建立基站扩大通信的距离。通过自组织网的方式连接读写器，高效、快速地读取设备标签上的相关信息，同时简化组网过程，使每个RFID阅读器可实时快速读取交换标签信息。最终实现一个ZigBee/RFID混合组网的感知层无线通信网络设计，可有效采集并传输高速公路机电设备实时状态信息，为监测系统的稳定运行打下基础。

2 高速公路机电设备一体化监测系统框架

根据智慧交通环境下提升高速公路机电设备智能化监测与管理的需求，结合当前物联网中先进的传感器技术、 ZigBee/RFID高效通信物联技术、电子设备控制技术以及数据智能分析处理技术，建立一种基于ZigBee/RFID的高速公路机电设备一体化监测系统框架，如图3所示，其主要包括：智能感知层、网络传输层、信息整合层、应用服务层等4个核心技术模块。

（1）智能感知层。利用物联网感知技术中的智能传感器、RFID电子标签、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等，实现对高速公路机电设备运行状态数据和故障情况信息的统一智能感知；采用ZigBee/RFID高效通信技术，结合ZigBee较大的有效通讯半径，对设备周围环境进行监测与设备盘点，进而有效实现对机电设备运行情况的实时跟踪，为后期高速公路机电设备运行数据的高效获取与稳定传输提供了有力的技术支持。

（2）网络传输层。主要提供解析数据传输通道，将智能感知层采集的相关数据信息高效可靠地传送到信息整合层，进而使传感器网络与移动通讯技术、互联网技术相融合，实现更加广泛的互联功能；同时可控制信息的发送及数据协议的转换，支持异构网络接入，并支持移动性，以实现设备的无缝透明接入。

（3）信息整合层。以机电设备监测数据融合处理集成平台作为信息整合层的信息处理中心，面向服务架构SOA及企业级服务总线，提供信息的標准接入、Web服务、业务服务接口等功能，通过对高速公路机电设备监测多源异构数据的特征提取、挖掘、关联等方法，实现海量数据纵向整合和横向集成的全景应用，支撑高速公路机电设备监测全过程管理。

（4）应用服务层。其高速公路机电设备一体化监测系统主要包括信息查询、风险评估、在线预警、智能诊断、故障上报、系统管理等功能模块，通过将各模块进行有效集成，可显著提升高速公路机电设备的运行监测水平，进而提高其维护管理工作效率，为实现高速公路机电设备智能化监测运营提供一定的技术支持。

3 结语

针对当前智慧交通技术环境下对高速公路机电设备智能化监测运营技术发展的需求，在结合物联网ZigBee/RFID无线通信技术的基础上，提出一种基于ZigBee/RFID的高速公路机电设备一体化监测系统，在满足高速公路机电设备日常维护管理需求的基础上，进一步实现对机电设备的实时在线监测与智能化管理，可有效提高对机电设备故障及突发情况的快速反馈及处理能力，进而提升高速公路营运管理的整体水平，为今后智慧交通技术的发展提供了一定的参考价值。

参考文献

[1] 王小军，王少飞，涂耘.智慧高速公路总体设计[J].公路，2016，61（4）：137-142.

[2] 胡永利，孙艳丰，尹宝才.物联网信息感知与交互技术[J].计算机学报，2012，35（6）：1147-1159.

[3] 王玉凡.关于高速公路机电设备的维护与管理的分析[J].北方交通，2014（12）：127-132.

[4] 刘保.高速公路机电设备维护管理系统分析[J].交通科技，2015（6）：177-179.

[5] 蒋新华，陈宇，朱铨，等.交通物联网的发展现状及趋势研究[J].计算机应用研究，2013，30（8）：2256-2261.

[6] 郭瑞，李胤，王永超，等.基于ZigBee技术的RFID装备管理系统设计[J].电力系统自动化，2008，32（23）：89-93.

[7] 李通，于军琪，周建，等.基于ZigBee的高速公路机电设备监测系统设计[J].电子测试，2012（6）：68-74.

[8] 马越超，樊可钰.基于ZigBee的交通诱导信息发布系统设计[J].科技资讯，2011，（34）：14-16.