基于RFID的車(chē)輛檢修人員定位與管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳 堅(jiān)，邱建東

（蘭州交通大學(xué)機(jī)電技術(shù)研究所，蘭州730070）

鐵路車(chē)輛段編組場(chǎng)、整備場(chǎng)等作業(yè)場(chǎng)地具有站坪面積大、檢修人員少、車(chē)輛流動(dòng)大、停車(chē)密集的特點(diǎn)。在一個(gè)大站場(chǎng)里面，數(shù)十名檢修人員分散作業(yè)，雖然有對(duì)講機(jī)等通信設(shè)備，但是監(jiān)控中心很難及時(shí)準(zhǔn)確掌控每個(gè)檢修人員的動(dòng)態(tài)分布及作業(yè)情況，更不能客觀監(jiān)控流動(dòng)人員安全及檢修工作進(jìn)度。

基于此，本文設(shè)計(jì)了基于設(shè)頻識(shí)別（RFID）技術(shù)的車(chē)輛檢修人員定位系統(tǒng)，檢修人員佩戴電子標(biāo)簽作業(yè)，現(xiàn)場(chǎng)安裝的多個(gè)射頻監(jiān)控點(diǎn)識(shí)別到人員標(biāo)簽信息后，通過(guò)CAN總線向監(jiān)控中心傳送相關(guān)信息，經(jīng)定位算法確定作業(yè)人員位置，由上位機(jī)軟件處理并在屏幕上顯示，對(duì)其運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行判別，推演其作業(yè)進(jìn)度和安全情況，進(jìn)而可以進(jìn)行更加合理的調(diào)度管理，保障檢修工作順利、安全、高效地完成。

1 定位系統(tǒng)的組成及工作原理

1.1 系統(tǒng)的基本組成

系統(tǒng)由檢修作業(yè)場(chǎng)與監(jiān)控中心兩部分組成。監(jiān)控中心主要由監(jiān)控計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)通信接口、共享網(wǎng)絡(luò)終端等組成，完成監(jiān)控節(jié)點(diǎn)采集的人員信息管理及系統(tǒng)功能操作，如人員定位跟蹤查詢(xún)、考勤管理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、生產(chǎn)調(diào)度等功能；其中數(shù)據(jù)通信接口由CAN總線驅(qū)動(dòng)器、光電隔離電路、RS-232接口電路等組成；檢修作業(yè)場(chǎng)主要由信息采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸兩部分，信息采集部分由許多固定監(jiān)控點(diǎn)組成。固定監(jiān)控點(diǎn)是指安裝在車(chē)輛軌道沿線附近的讀卡器，不斷地進(jìn)行數(shù)據(jù)巡檢和信號(hào)采集，通過(guò)CAN總線將監(jiān)控點(diǎn)處理的數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)控中心，監(jiān)控中心對(duì)接收到的信息進(jìn)一步分析處理，使管理者很清晰地查看到每個(gè)檢修人員的基本信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)人員的實(shí)時(shí)定位監(jiān)控。系統(tǒng)構(gòu)成如圖1。

圖1 定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 系統(tǒng)的工作原理

檢修人員佩戴小巧的有源電子標(biāo)簽作業(yè)，每個(gè)標(biāo)簽的ID號(hào)碼都是唯一的，并在上位機(jī)系統(tǒng)中和檢修人員的基本信息一一對(duì)應(yīng)。檢修作業(yè)場(chǎng)監(jiān)控點(diǎn)配備的RFID讀卡器通過(guò)固有頻率的射頻載波向電子標(biāo)簽傳送信號(hào)，當(dāng)攜帶電子標(biāo)簽的人員進(jìn)入讀卡器天線有效工作區(qū)內(nèi)，標(biāo)簽主動(dòng)將卡內(nèi)載有識(shí)別碼的信息經(jīng)卡內(nèi)發(fā)射模塊發(fā)射出去，監(jiān)控點(diǎn)接收標(biāo)簽發(fā)射來(lái)的載波信號(hào)，經(jīng)過(guò)監(jiān)控點(diǎn)內(nèi)部MCU處理并提取標(biāo)簽數(shù)據(jù)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線將數(shù)據(jù)傳輸給監(jiān)控中心，由上位機(jī)軟件處理后顯示人員編號(hào)、具體位置、作業(yè)時(shí)間等信息。監(jiān)控人員通過(guò)上位機(jī)畫(huà)面能很清晰看到每個(gè)檢修人員的情況。

1.3 RFID人員定位算法

本系統(tǒng)采用的LARNDMARC定位算法是一種基于信號(hào)強(qiáng)度的定位技術(shù)，它使用接收的信號(hào)強(qiáng)度指示（RSSI）來(lái)確定待定位物體的位置。該算法是基于主動(dòng)RFID校驗(yàn)的動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)，引入?yún)⒖紭?biāo)簽充當(dāng)該定位系統(tǒng)的參考點(diǎn)，通過(guò)參考點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度值與待定位標(biāo)簽的信號(hào)強(qiáng)度值之間的比較，計(jì)算出待定位標(biāo)簽的坐標(biāo)，在本文中不做詳細(xì)的介紹。

2 系統(tǒng)的監(jiān)控節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件部分由監(jiān)控節(jié)點(diǎn)、供電系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)組成，其中監(jiān)控節(jié)點(diǎn)由讀卡器、微控制單元和CAN節(jié)點(diǎn)接口。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)基于CAN總線構(gòu)建。在文中主要介紹讀卡器模塊和CAN節(jié)點(diǎn)接口硬件設(shè)計(jì)。

2.1 讀卡器模塊設(shè)計(jì)

讀卡器模塊由無(wú)線接收模塊、單片機(jī)模塊、天線和電源等組成。當(dāng)佩戴電子標(biāo)簽的檢修人員進(jìn)入讀卡器有效工作區(qū)內(nèi)，電子標(biāo)簽接收到讀卡器的查詢(xún)信號(hào)，將載有個(gè)人信息的射頻信號(hào)經(jīng)標(biāo)簽內(nèi)收發(fā)模塊發(fā)射出去，讀卡器讀取電子標(biāo)簽傳送的射頻信號(hào)；由單片機(jī)模塊處理和提取標(biāo)簽數(shù)據(jù)，完成對(duì)數(shù)據(jù)的讀取后，通過(guò)CAN總線將數(shù)據(jù)傳送至監(jiān)控中心，上位機(jī)記錄檢修人員編號(hào)、作業(yè)時(shí)間、位置等信息。在軌道沿線附近的固定監(jiān)控點(diǎn)，由于其工作環(huán)境的要求，供電系統(tǒng)應(yīng)具備防震、穩(wěn)壓功能。

2.1.1 單片機(jī)的選擇

為滿足智能檢測(cè)系統(tǒng)通用性、經(jīng)濟(jì)性的設(shè)計(jì)要求，單片機(jī)應(yīng)具備體積小、連接外圍器件便利、能夠在線編程調(diào)試的特點(diǎn)，為此選擇了STC12LE-5410AD單片機(jī)作為微控制器。

2.1.2 無(wú)線收發(fā)芯片的選擇

本系統(tǒng)選取nRF2401射頻收發(fā)芯片，其片內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器等功能模塊，工作頻率范圍為2.4 GHz頻段。具有低功耗、多種低功率的特點(diǎn)，內(nèi)置CRC糾檢錯(cuò)硬件電路和協(xié)議。采用載波檢測(cè)技術(shù)，提高了讀卡的防沖突性和移動(dòng)標(biāo)簽的讀取性。

nRF2401有4種工作模式：收發(fā)模式、配置模式、空閑模式和關(guān)機(jī)模式。通過(guò)ShockBurstTM的配置使nRF2401能夠處理射頻協(xié)議，在配置完成后，在nRF2401工作的過(guò)程中，只需改變其最低一個(gè)字節(jié)中的內(nèi)容，以實(shí)現(xiàn)接收模式和發(fā)送模式之間切換。

讀卡器模塊設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 讀卡器模塊結(jié)構(gòu)

2.2 CAN總線節(jié)點(diǎn)接口

數(shù)據(jù)傳輸是以CAN總線為傳輸路徑的，CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性、可靠性是定位系統(tǒng)的關(guān)鍵。CAN節(jié)點(diǎn)由3部分組成：獨(dú)立的CAN控制器SJA1000，CAN接口驅(qū)動(dòng)器PCA82C250和高速光電耦合器6N137。CAN控制器主要實(shí)現(xiàn)CAN總線通信協(xié)議部分和微處理器的接口。為了增強(qiáng)CAN傳輸系統(tǒng)的的抗干擾能力，在CAN控制器SJA1000和CAN驅(qū)動(dòng)器82C250之間使用高速光電耦合器6N137實(shí)現(xiàn)總線上各CAN節(jié)點(diǎn)間的電氣隔離，以保護(hù)控制系統(tǒng)電路，有效的避免干擾，提高工作的穩(wěn)定性、可靠性。節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖3。

圖3 CAN監(jiān)控節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)分為兩部分，（1）監(jiān)控中心的監(jiān)控定位及人員管理系統(tǒng)軟件。（2）監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)。在此主要介紹定位與人員管理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。

本系統(tǒng)的用戶是監(jiān)控人員，為方便操作，應(yīng)采用基于圖形的直接操縱界面，具有高度的人機(jī)交互功能。系統(tǒng)是采用組態(tài)軟件，人員定位與管理系統(tǒng)組態(tài)界面如圖4。

圖4 人員定位與管理系統(tǒng)組態(tài)畫(huà)面

監(jiān)控中心接收到監(jiān)控節(jié)點(diǎn)巡檢掃描讀卡器、由CAN總線傳輸?shù)膶?shí)時(shí)數(shù)據(jù)，由上位機(jī)軟件處理并顯示在屏幕上，監(jiān)控人員可以清晰地查看檢修人員的位置和分布情況；組態(tài)工程時(shí)，利用組態(tài)提供的變量記錄功能記錄數(shù)據(jù)信息，并用報(bào)表編輯功能編輯報(bào)表存檔，以便隨時(shí)查閱。通過(guò)對(duì)檢修人員的作業(yè)時(shí)間和工作區(qū)域，可以查詢(xún)到每個(gè)人員的考勤情況。由各固定監(jiān)控節(jié)點(diǎn)信息匯總成數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表，按指定格式進(jìn)行報(bào)表輸出。該相應(yīng)的存儲(chǔ)單元即為組態(tài)變量采集的對(duì)應(yīng)單元，信號(hào)采集部分直接將相應(yīng)信息存儲(chǔ)于組態(tài)對(duì)應(yīng)的采集單元中，以便實(shí)時(shí)監(jiān)控；通過(guò)調(diào)用記錄，可以查詢(xún)作業(yè)人員的分布情況，進(jìn)行合理的人員調(diào)度工作，實(shí)現(xiàn)資源優(yōu)化配置。

4 結(jié)束語(yǔ)

鐵路整備場(chǎng)、編組站等車(chē)輛流動(dòng)大、檢修工作量大、檢修人員少而分散，監(jiān)控中心及時(shí)了解檢修人員安全信息、位置和作業(yè)完成情況，合理的人員分配能快速、高效的完成檢修作業(yè)，減少貨車(chē)檢修時(shí)間、減少人員流動(dòng)量，降低人員安全隱患?；赗FID技術(shù)和CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)的車(chē)輛檢修人員定位與管理系統(tǒng)能及時(shí)反映作業(yè)人員的位置，并通過(guò)檢修作業(yè)程序預(yù)測(cè)作業(yè)完成情況，還能很好的進(jìn)行考勤管理和生產(chǎn)調(diào)度等工作。經(jīng)大量實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)試用效果良好，符合設(shè)計(jì)的初衷，給檢修站點(diǎn)在檢修人員考勤管理和工作分配帶來(lái)了極大的方便，是其需要的管理手段。

[1] 張智文.射頻識(shí)別技術(shù)理論與實(shí)踐[M] .北京：中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社，2008.

[2] 馬國(guó)華.監(jiān)控組態(tài)軟件及其應(yīng)用[M] . 北京：清華大學(xué)出版社，2001.

[3] 胡洋. RFID技術(shù)的定位算法改進(jìn)及其在圖書(shū)館的應(yīng)用[J] .計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2010（19）：151-153.

[4] 郭海軍，郭江濤. 2.4GHZ射頻技術(shù)在煤礦人員定位系統(tǒng)中的應(yīng)用[J] . 礦業(yè)安全與環(huán)保，2007（12）：37-41.

[5] 柯建華，魏學(xué)業(yè). 基于RFID與CAN的煤礦井下人員定位系統(tǒng)研究[J] . 信息工程，2006（11）：104-106.

[6] Nilm, Liu YH, Lauyc, et al. LARNDMARC: Indoor locationsensing using active RFID. Proc. of the First IEEE International Conference. Washingtion DC; IEEE Computer Society, 2003.407-415.