列車出入庫自動識別系統(tǒng)設(shè)計

孫曉東1，韋建榮，鄒 璞，張鵬躍

(1.中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266111;2.北京航天測控技術(shù)有限公司，北京 100041)

0 引言

動車組列車地面功能調(diào)試是動車組生產(chǎn)最關(guān)鍵的步驟之一，為了實現(xiàn)數(shù)字化調(diào)試，中車四方廠配置了十多個調(diào)試車庫，每個車庫有3個調(diào)試臺位，總共60多個調(diào)試臺位。以往列車出入庫采用人工記錄，效率低下、管理不便，很難滿足列車數(shù)字化調(diào)試的需求。為提高調(diào)試管理效率，保證列車出入庫信息記錄的可靠性，有必要對列車出入庫進行自動識別，自動記錄車庫和調(diào)試臺位編號、車輛編號、入庫/出庫、進出庫時間等信息。

RFID無線射頻識別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對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識別工作無須人工干預(yù)，可以工作于各種惡劣環(huán)境。目前，RFID技術(shù)在智能倉儲、智能交通等領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)非常成熟[1]。

RFID閱讀器一般采用外部供電，通過LAN口與主控計算機通信，由軟件控制進行不間斷識別，從而捕獲和存儲RFID標簽的信息。這種識別方式簡單，但設(shè)備整體功耗較大。而列車數(shù)字化調(diào)試線的現(xiàn)場調(diào)試工裝一般不具備外部供電和有線入網(wǎng)的條件，需要具備長時間自供電及無線通訊的能力。因此，需要設(shè)計一種低功耗的觸發(fā)機制，僅當列車靠近識別裝置時才觸發(fā)RFID標簽的識別功能。此外，還需要選擇一種合適的無線通信方式，既要保證通信的可靠性，又要盡量降低通信的功耗。

本文針對動車組調(diào)試過程中車輛出入庫信息自動記錄的需求，提出了一種基于RFID識別技術(shù)和LoRa無線通信技術(shù)的設(shè)計方法，避免了現(xiàn)場操作人員手工記錄、手工錄入系統(tǒng)的繁瑣過程，提高了列車出入庫信息記錄的實時性和可靠性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

列車出入庫自動識別系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，采用LoRa低功耗無線通信技術(shù)實現(xiàn)調(diào)試線現(xiàn)場分布式信息的獲取，基于現(xiàn)有的數(shù)字化調(diào)試線平臺實現(xiàn)私有云服務(wù)。系統(tǒng)主要由RFID電子標簽、RFID閱讀器(LoRa節(jié)點)、LoRa網(wǎng)關(guān)、LoRa通信服務(wù)器、數(shù)字化調(diào)試線數(shù)據(jù)庫、客戶端軟件等部分組成。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

RFID標簽通過RFID打印機預(yù)先寫入列車編號等相關(guān)信息，粘貼于列車車頭底部區(qū)域，2臺RFID閱讀器分別安裝在庫房調(diào)試臺位兩側(cè)出入口的軌道旁。每個車庫具有3個調(diào)試臺位，總共部署6臺RFID閱讀器。當列車出入庫時，會被RFID閱讀器中的兩個超聲波傳感器檢測到，從而觸發(fā)RFID檢測單元讀取標簽信息。RFID閱讀器將識別到的列車出入庫信息通過LoRaWAN協(xié)議發(fā)送給LoRa網(wǎng)關(guān)，再由LoRa網(wǎng)關(guān)發(fā)送給調(diào)試現(xiàn)場的WiFi網(wǎng)關(guān)。隨后，列車出入庫信息通過MQTT協(xié)議發(fā)送給位于機房的LoRa通信服務(wù)器，LoRa通信服務(wù)器解析數(shù)據(jù)，并封裝成符合信息化調(diào)試線標準格式的消息，以WebService方式發(fā)送給調(diào)試線數(shù)據(jù)庫?？蛻舳送ㄟ^B/S方式訪問調(diào)試線數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)列車出入庫狀態(tài)的實時監(jiān)測或者歷史信息的查閱。

RFID閱讀器采用大容量電池供電，兩個低功耗超聲波傳感器處于連續(xù)工作模式，RFID檢測單元和LoRa通信單元僅在初始化配置和列車經(jīng)過時才工作，平時處于睡眠模式，從而保證了RFID閱讀器能夠長時間自供電工作。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 RFID電子標簽

根據(jù)工作頻率的不同，RFID標簽可以分為低頻(LF)、高頻(HF)、超高頻(UHF)和微波等不同種類。RFID標簽的工作頻率不僅決定著射頻識別系統(tǒng)工作原理(電感耦合還是電磁耦合)、識別距離，還決定著RFID標簽及RFID讀寫器實現(xiàn)的難易程度和成本。

數(shù)字化調(diào)試車間具有多個調(diào)試臺位，RFID閱讀器的識別距離需要適中(約4 m)，距離太近則識別不到RFID標簽信息，距離太遠則容易識別到其它臺位的列車信息，因此，RFID標簽需要工作在超高頻段。另外，考慮到列車表面為金屬材料，需要選用無源、抗金屬標簽。系統(tǒng)選用Confidex公司的Silverline系列柔性可打印抗金屬電子標簽，通過RFID打印機將列車信息寫入標簽的EPC存儲區(qū)，并在標簽表面打印相應(yīng)的可視信息。

2.2 RFID閱讀器

RFID閱讀器負責(zé)讀取RFID標簽的信息，并通過LoRa無線通信的方式將數(shù)據(jù)上傳至云端數(shù)據(jù)庫。RFID檢測裝置的功能框圖如圖2所示。

圖2 RFID檢測裝置功能框圖

RFID閱讀器采用自供電的方式工作，由6只松下NCR18650BD組成的鋰離子電池組(2并3串)，提供11.1 V、6400 mAh，總計71.04 Wh的電能；提供以TI公司BQ24610芯片為核心的快充電路[2]，充電電流可達3 A，充電狀態(tài)具有LED顯示。

由于RFID讀信息和LoRa無線通信時功耗較大，為了減小功耗、提高設(shè)備待機時間，需要采用一種低功耗的觸發(fā)方式，觸發(fā)信號捕獲電路需要持續(xù)工作，當列車運行且RFID標簽靠近時才觸發(fā)讀取RFID標簽的信息，并啟動一次LoRa無線通信。

列車運行方向識別單元實現(xiàn)觸發(fā)信號捕獲功能，以兩個超聲波傳感器為核心，面向調(diào)試臺位的軌道，并呈90o夾角安裝。設(shè)計選用ROBOT公司高性能超聲波傳感器SRF02，其在6 m的測距范圍內(nèi)精度可達1 cm，而功耗不超過20 mW。處理器通過兩個UART串口分別連續(xù)讀取兩個超聲波傳感器的測量結(jié)果[3]，并通過算法實時判斷列車是否進入探測區(qū)域，以及列車運行的方向。一旦檢測到列車車頭經(jīng)過，RFID讀寫單元即被喚醒，處理器通過UART串口讀取RFID模塊的識別結(jié)果。

RFID讀寫單元負責(zé)讀取列車上RFID標簽的信息。RFID模塊及天線選用深圳智天行科技的產(chǎn)品：ZTX-MD810R模塊及9 dBi的圓極化天線。ZTX-MD810R模塊以PHYCHIPS公司的PR9200芯片為核心，通過UART串口與外部處理器連接，并提供一個睡眠模式控制管腳。ZTX-MD810R模塊讀取信息時功率較大(約0.6 W)，一般處于睡眠模式(功耗僅100 uA)，一旦列車運行方向識別單元檢測到列車車頭經(jīng)過，即被喚醒，處理器通過UART串口讀取ZTX-MD810R模塊的識別結(jié)果。

LoRa無線通信單元以Semtech公司的SX1278芯片為核心，其采用LoRaTM擴頻調(diào)制技術(shù)，具有接收靈敏度高、抗干擾能力強、通信距離遠等優(yōu)點。模塊工作在433 MHz頻段，輸出功率+20 dBm，一般處于休眠模式(功耗僅10 uA)，LoRa通信時被喚醒。

RFID閱讀器選用ST公司的32位超低功耗處理器STM32L151，其具有32 MHz主頻、1.25 DMIPS、0.28 uA待機功耗[4]。STM32 L151處理器負責(zé)RFID閱讀器各單元電路的管理。

2.3 LoRa網(wǎng)關(guān)

LoRa網(wǎng)關(guān)是連接RFID閱讀器和數(shù)字化調(diào)試車間網(wǎng)絡(luò)的橋梁。本系統(tǒng)無線通信頻率不高，數(shù)據(jù)量不大，可選用LoRaWAN單通道網(wǎng)關(guān)。

LoRa網(wǎng)關(guān)選用深圳摩侖科技的GL2000產(chǎn)品。GL2000網(wǎng)關(guān)以Semtech公司的SX1278芯片為核心，采用LoRaWAN協(xié)議，支持CLASS A和CLASS C通信方式， LoRa數(shù)據(jù)傳輸速率21.875kbps，輸出功率可達20dBm，可以實現(xiàn)與數(shù)字化調(diào)試車間6臺RFID閱讀器的無線通信。GL2000網(wǎng)關(guān)上行具有WiFi接口，負責(zé)接入調(diào)試車間的網(wǎng)絡(luò)，通過UDP和MQTT協(xié)議與LoRa服務(wù)器通信。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 RFID信息存儲格式

目前，超高頻RFID使用最為廣泛的是EPC Class-1 Gen-2標準，該標準由EPCglobal組織于2004年12月16日制定，具有標簽閱讀速度快、編碼形式靈活、兼容其它RFID頻譜、安全性強等優(yōu)點。標準中將RFID標簽信息存儲區(qū)域分為Reserved區(qū)、EPC區(qū)、TID區(qū)和User區(qū)四個獨立的存儲區(qū)塊，其中Reserved區(qū)存儲滅活口令和訪問口令；EPC區(qū)存儲EPC號碼；TID區(qū)存儲唯一的標簽識別號碼；User區(qū)存儲用戶定義的數(shù)據(jù)[5]。

本系統(tǒng)采用EPC GID-96編碼方案，充分考慮車輛調(diào)試過程中列車分類的特點。EPC GID-96通用標識符由標頭和EPC域名管理者、對象分類、序列號3個字段構(gòu)成。其中，標頭固定為8-bit的0x35；域名管理者表示一個組織實體，分配28-bit空間；對象分類表示該組織實體下的某一物品種類，分配24-bit空間；序列號表示某一具體的物理對象，分配36-bit空間。

按照實際需求，在RFID電子標簽的EPC區(qū)存儲企業(yè)代碼、列車車型、列車編號及車輛號等特征類型數(shù)據(jù)。列車出入庫RFID信息存儲格式如表1所示。

表1 RFID信息存儲格式 bit

3.2 RFID閱讀器軟件

RFID閱讀器軟件通過STM32處理器實現(xiàn)，功能包括：通過SPI接口與LoRa接口通信，通過串口與超聲波傳感器、RFID模塊通信，通過IIC接口控制OLED顯示，通過模擬輸入接口檢測電池電量，通過IO口進行狀態(tài)監(jiān)測與控制，通過RTC時鐘進行時間管理等。

RFID閱讀器的軟件流程圖如圖3所示。

初始化過程包括：LoRa通信模塊初始化并處于休眠模式、超聲波傳感器初始化并處于連續(xù)工作模式、RFID模塊初始化并處于睡眠模式、電池電量檢測和OLED顯示初始化，以及IO初始化。若初始化過程異常，則啟動LoRa工作，將異常信息上報給服務(wù)器。

初始化并自檢正常后，啟動超聲波傳感器工作，探測是否有列車經(jīng)過。當列車接近RFID閱讀器時，其中一個超聲波傳感器先探測到列車，而另一個超聲波傳感器未探測到列車，此時RFID模塊從低功耗模式被喚醒；當兩個超聲波傳感器同時探測到列車，則說明車頭已經(jīng)進入RFID閱讀器的識別范圍，RFID模塊讀取電子標簽信息，同時根據(jù)超聲波傳感器的探測順序判定該過程為列車入庫或出庫。

列車RFID標簽信息被讀取后，RFID模塊重新進入低功耗模式，并喚醒LoRa無線通信模塊，將列車出入庫信息通過LoRa無線通信模塊發(fā)送至LoRa網(wǎng)關(guān)。之后，LoRa無線通信模塊進入低功耗模式。

3.3 LoRa消息傳遞流程

RFID閱讀器將數(shù)據(jù)經(jīng)網(wǎng)關(guān)發(fā)送至服務(wù)器，最后由終端用戶訪問。LoRa消息傳遞流程如圖4所示。

圖4 LoRa消息傳遞流程圖

RFID閱讀器將數(shù)據(jù)內(nèi)容通過 LoRa協(xié)議發(fā)送出去，LoRa網(wǎng)關(guān)接收并解析節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)，使用packet-forwarde服務(wù)形成LoRaWAN消息數(shù)據(jù)，再通過互聯(lián)網(wǎng)的UDP 協(xié)議將這些數(shù)據(jù)發(fā)送至LoRa服務(wù)器[6]。

LoRa服務(wù)器軟件部署在Ubuntu16.0.4系統(tǒng)中，包括LoRa-gateway-bridge、MQTT broker、LoRa-server和LoRa-app-server四個服務(wù)。其中，LoRa-gateway-bridge接收來自LoRa網(wǎng)關(guān)的UDP消息，然后通過MQTT協(xié)議方式發(fā)送給MQTT服務(wù)器(MQTT broker)；網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器(LoRa-server)負責(zé)匯總LoRa數(shù)據(jù)并將這些數(shù)據(jù)存儲在該服務(wù)器所依賴的數(shù)據(jù)庫中；應(yīng)用服務(wù)器(LoRa-app-server)從LoRa-server的數(shù)據(jù)庫中讀取數(shù)據(jù)，并提供 http、MQTT 之類的數(shù)據(jù)接口，方便客戶端應(yīng)用程序調(diào)用。上述四個服務(wù)基于loraserver官方提供的開源代碼開發(fā)。

部署RFID閱讀器節(jié)點時，需要將每一個節(jié)點注冊到LoRa服務(wù)器中。將每一個RFID閱讀器節(jié)點自身的Device EUI和Application key填入LoRa服務(wù)器的注冊項中，LoRa-server將依據(jù)這兩個特征參數(shù)，計算出LoRaWAN通信過程中的密鑰。

RFID閱讀器節(jié)點啟動后，使用OTAA入網(wǎng)協(xié)議向LoRa-server傳遞入網(wǎng)請求。LoRa-server驗證閱讀器節(jié)點的合法性后，將通信密鑰發(fā)送給節(jié)點。此后，RFID閱讀器節(jié)點和LoRa服務(wù)器之間即可通過該密鑰傳遞數(shù)據(jù)，從而保證通信的安全性。

3.4 WebService通信接口

Webservice是一種可編程的web服務(wù)，通過在平臺上部署基于XML文件格式訪問的服務(wù)程序，實現(xiàn)跨平臺、低耦合的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換。利用XML文件豐富的數(shù)據(jù)格式，用戶可以實現(xiàn)WebService的穩(wěn)定發(fā)布、快速發(fā)現(xiàn)，也可以方便的遠程配置WebService。

WebService可以在任何支持網(wǎng)絡(luò)通信的操作系統(tǒng)中運行，為應(yīng)用程序提供數(shù)據(jù)和服務(wù)，實現(xiàn)應(yīng)用程序之間的相互通信。

WebService具有以下特點：

1)跨平臺間的相互通信。兩個應(yīng)用程序只要能讀寫XML文件，就能通過WebService實現(xiàn)互相通信。而不受硬件平臺、操作系統(tǒng)、通信協(xié)議的限制。

2)簡單方便的開發(fā)、部署。用戶只要獲得描述WebService的WSDL文件，就可以方便地生成客戶端代理，并通過代理訪問WebService。

3)簡潔的通信架構(gòu)。WebService可用基于XML的SOAP來表示數(shù)據(jù)和調(diào)用請求，并通過HTTP協(xié)議傳輸XML格式的數(shù)據(jù)[7]。

LoRa服務(wù)器需要與數(shù)字化調(diào)試線服務(wù)器進行信息交互，由LoRa服務(wù)器將車輛出入庫信息發(fā)送給后者的數(shù)據(jù)庫。針對現(xiàn)有的數(shù)字化調(diào)試線管理平臺對接口形式、調(diào)用方法、通信方式的管理方法，本系統(tǒng)建立了基于WebService的數(shù)據(jù)封裝與數(shù)據(jù)傳輸接口，實現(xiàn)與數(shù)字化調(diào)試線管理平臺的兼容[8]。

WebService接口包括兩類接口：車輛RFID信息接口和RFID閱讀器信息接口。車輛RFID信息接口定義與車輛RFID信息相關(guān)的操作，包括車輛進出狀態(tài)接口、車輛基礎(chǔ)信息查詢接口、車輛進出狀態(tài)查詢接口等。RFID閱讀器信息接口定義與現(xiàn)場檢測裝置信息相關(guān)的操作，包括設(shè)備電量信息存儲接口、設(shè)備自檢信息存儲接口、設(shè)備自檢信息查詢接口、設(shè)備電量信息查詢接口等。WebService接口功能如圖5所示。

圖5 Webservice接口功能

WebService接口使用XML文件表示信息的數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器負責(zé)對XML文件進行數(shù)據(jù)解析和轉(zhuǎn)化。

3.5 數(shù)字化調(diào)試線數(shù)據(jù)庫

數(shù)字化調(diào)試線數(shù)據(jù)庫負責(zé)數(shù)據(jù)的儲存，為了減少大量數(shù)據(jù)的頻繁寫入、查詢和導(dǎo)出等操作對系統(tǒng)資源的占用，本系統(tǒng)利用SQLServer數(shù)據(jù)庫來儲存列車出入庫過程中產(chǎn)生的狀態(tài)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的儲存方式為聚簇存放[9]。它具有以下優(yōu)點：

1)聚簇功能可以大大提高按聚簇碼進行查詢的效率；

2)聚簇以后，相同聚簇碼的元組聚簇在一起，節(jié)省了存儲空間；

3)聚簇功能不僅適用于單個關(guān)系，也適用于多個關(guān)系。

在數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，既要分析當前系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲需求，又要兼顧數(shù)據(jù)庫已有表項結(jié)構(gòu)特點，同時還要充分考慮未來數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的變化，減少數(shù)據(jù)庫中的鏈接和遷移。在當前數(shù)據(jù)庫已有的故障信息表格、狀態(tài)信息表格、車輛基礎(chǔ)信息表格和人員信息表格基礎(chǔ)上，新建兩張數(shù)據(jù)庫表格，包括車輛RFID信息表格和閱讀器設(shè)備信息表格，按照各自定義的格式儲存數(shù)據(jù)。

3.6 Web界面

終端計算機可以通過B/S方式訪問web服務(wù)器，查詢列車出入庫信息，web界面通過C#開發(fā)。

C#是一種簡單、安全、面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計語言，它吸收了C++、Visual Basic、Delphi、Java等語言的優(yōu)點，繼承了C語言的語法風(fēng)格，同時又繼承了C++的面向?qū)ο筇匦?。不同的是，C#的對象模型已經(jīng)面向Internet進行了重新設(shè)計，使用的是.NET框架的類庫。其特點有：語言簡潔、保留了C++的強大功能、快速應(yīng)用開發(fā)功能、語言的自由性、強大的Web服務(wù)器控件、支持跨平臺、與XML相融合[10]。

列車出入庫信息查詢界面主要包括實時監(jiān)測、信息查詢和設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測界面。實時監(jiān)測界面主要負責(zé)顯示車輛出入庫狀態(tài)，并按最新時間排序，每五分鐘更新一次；信息查詢界面主要用于查詢指定條件下列車的出入庫狀態(tài)；設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測界面負責(zé)查看現(xiàn)場各節(jié)點設(shè)備的電量和自檢狀態(tài)等信息。列車出入庫信息查詢頁面效果如圖6所示。

圖6 列車出入庫信息查詢頁面

4 實驗結(jié)果與分析

RFID閱讀器實物如圖7所示，低功耗模式下，整體功耗小于50 mW；RFID閱讀時，功耗約0.6 W；LoRa通訊時，功耗約0.1 W。大容量電池可滿足1個月的連續(xù)工作時間。

圖7 RFID閱讀器實物圖

現(xiàn)場測試驗證表明：超聲波傳感器有效探測距離大于5 m，RFID模塊可以準確識別到3 m以內(nèi)的RFID標簽，LoRa通信距離可達到400 m(調(diào)試車間最大長度)，車輛出入庫信息的記錄與顯示正常，數(shù)據(jù)更新與車輛出入庫保持同步。

5 結(jié)束語

本文根據(jù)車輛調(diào)試車間列車出入庫的特點，采用低功耗的LoRa無線通信傳輸方式，自動將車輛出入庫信息采集并及時、準確地發(fā)送至數(shù)字化調(diào)試線的數(shù)據(jù)庫，有效的降低了現(xiàn)場調(diào)試人員的工作強度。平臺采用符合LoRa傳輸標準的LoRaWAN協(xié)議，以及符合物聯(lián)網(wǎng)通信的MQTT協(xié)議設(shè)計，具有良好的通用性和可移植性，為今后車輛調(diào)試過程中其它功能的LoRa傳感器數(shù)據(jù)無線接入數(shù)字化調(diào)試線服務(wù)器提供了支持。