(威海職業(yè)學(xué)院 船舶工程系，山東 威海 264210)

現(xiàn)代船舶建造是資金、技術(shù)、勞動力密集型產(chǎn)業(yè)。船舶工業(yè)生產(chǎn)具有生產(chǎn)周期長、高處作業(yè)多、立體交叉作業(yè)多、大件吊裝作業(yè)多、密閉艙室作業(yè)多、水上作業(yè)多等特點。建造員工的安全管理問題尤顯突出。為此，利用HF高頻RFID技術(shù)，建立船舶建造施工人員監(jiān)控系統(tǒng)，以期提高船舶建造的安全管理水平。

1 員工安全監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡介

基于RFID技術(shù)的在建船舶員工安全監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)見圖1。監(jiān)控系統(tǒng)主要由主控系統(tǒng)、監(jiān)控器終端組成。主控系統(tǒng)采用計算機，并連接GPRS無線模塊。

圖1 基于RDID技術(shù)的在建船舶施工人員監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

監(jiān)控器終端放置于船舶建造的關(guān)鍵崗位，如：放置于在建船舶的舷梯入口。監(jiān)控器終端通過RFID門型天線，讀取置于施工人員安全帽上的電子標(biāo)簽信息，識別確認(rèn)后可以通過安全門閘，并將檢測信息通過GPRS無線模塊傳輸?shù)街骺刂行倪M行集中管理。

主控系統(tǒng)通過GPRS無線模塊與外圍監(jiān)控器終端進行通信，監(jiān)控器終端見圖2。

圖2 監(jiān)控器終端結(jié)構(gòu)示意

監(jiān)控器終端采用STC89C52RD+處理器，并包含有RS232接口、SDRAM存儲器、實時時鐘電路、GPRS無線模塊、HF頻段RFID讀寫器、天線、以及其它控制電路等。

GPRS無線模塊采用SIMCOM公司生產(chǎn)的SIM300模塊。該模塊與MCU間采用3.6 V電平的標(biāo)準(zhǔn)異步串行口協(xié)議進行通信。

由于船舶建造現(xiàn)場環(huán)境比較復(fù)雜，本系統(tǒng)設(shè)備工作環(huán)境比較惡劣，外界干擾較多，在硬件設(shè)計中，采用多種抗干擾措施，主要有：信號傳輸屏蔽、減少電源共模干擾、設(shè)備機殼屏蔽隔離、輸入信號濾波、電路板合理分區(qū)等，同時考慮到信息傳遞距離較遠，在軟件設(shè)計中采取了數(shù)據(jù)重發(fā)機制和信號斷點續(xù)傳等技術(shù)，避免通信過程中信息丟失。為確保系統(tǒng)可靠工作，在結(jié)構(gòu)設(shè)計上采取防水、防潮、防撞擊等措施[1-2]。

2 安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

2.1 監(jiān)控器終端處理器硬件設(shè)計

監(jiān)控器終端的主控器采用STC89C54RD+單片機。STC89C52RC單片機工作電壓5.5～3.4 V(5 V單片機)或3.8～2.0 V(3 V單片機)，最高頻率時鐘為80 MHz，flash存儲器為8 kb，RAM為512 b，可反復(fù)擦寫編程；工作溫度范圍是40～80 ℃，內(nèi)置看門狗電路，內(nèi)部電源供電系統(tǒng)、時鐘電路和復(fù)位電路都經(jīng)過特殊處理；“6時鐘/機器周期”和“12時鐘/機器周期”可在ISP編程時反復(fù)設(shè)置。其突出的優(yōu)點是：性價比高，完全兼容ATMEL公司的51單片機，無法解密、低功耗、高速、高可靠、強抗靜電、強抗干擾等。

綜合考慮處理器、GPRS無線模塊、RFID讀寫器部分，電源電路分別輸出3.6 V、5 V、24 V。

2.2 GPRS無線模塊通信網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)計

GPRS無線模塊采用SIMCOM公司生產(chǎn)的GPRS模塊SIM300。此模塊內(nèi)嵌標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP協(xié)議，接口采用TTL電平，外圍具有A/D、SPI、音頻、MIC接口等。

SIM300電源電壓范圍是3.4～4.5 V，低于3.4 V自動關(guān)閉模塊，而且在進行TCP/IP傳輸時，消耗的功率很大。電源采用低壓差可調(diào)穩(wěn)壓芯片MIC29302bu，可以提供3 A輸出能力。SIM300模塊需外置一個sim卡座，插入申請GPRS服務(wù)的手機卡；天線采用MM9329-2700B射頻轉(zhuǎn)接器和通用的棒形天線。

SIM300模塊接口采用TTL電平，單片機采用串行通信方式控制SIM300模塊。

2.3 RFID遠距離讀取器設(shè)計

RFID遠距離讀寫器采用TI的TRF7960前端ASIC。TRF7960是德州儀器公司生產(chǎn)的一款高集成度的讀寫芯片，支持ISO/IEC14443(Type A和Type B)協(xié)議、ISO/IEC15693協(xié)議和Tag-it協(xié)議，工作頻率為13.56 MHz。它內(nèi)部集成調(diào)制、解調(diào)和解碼電路，可直接驅(qū)動近操作距離的天線，其中調(diào)制電路可調(diào)制控制器發(fā)送來的命令和數(shù)據(jù)，并將其傳送給射頻系列電子標(biāo)簽；解調(diào)電路用于解調(diào)射頻系列電子標(biāo)簽送來的調(diào)制信號，處理數(shù)據(jù)幀和進行錯誤檢測。由于組件很少，讀卡器IC耗電、占用的空間也很少，因此可以解決敏感度和噪聲衰減問題。其他集成功能還包括故障檢查、數(shù)據(jù)格式化、成幀以及適合多讀卡器環(huán)境的防碰撞支持等。

TRF7960具有寬泛操作電壓(2.7～5.5 V)，與微控制器之間通信使用8位并行或者串行( SPI)靈活的通信方式。本系統(tǒng)TRF7960的基本外圍電路見圖3。

圖3 TRF7960外圍基本電路

為實現(xiàn)遠距離RFID電子標(biāo)簽識別的目的，除了采用不同的天線結(jié)構(gòu)外，必須在射頻ASIC與天線之間加入射頻功率放大電路。本系統(tǒng)硬件設(shè)計見圖4。功率放大電路由放大器輸入端濾波匹配、射頻放大、放大器輸出濾波匹配、50 Ω天線接口等電路組成。射頻功率放大電路設(shè)計為C類放大狀態(tài)，中心頻率為13.56 MHz，輸出功率4 W。兩級濾波匹配網(wǎng)絡(luò)的Q值設(shè)定在4～8之間。

TRF7960在單片機的控制下，將命令信號通過天線發(fā)送給RFID電子標(biāo)簽，電子標(biāo)簽接收到命令信號后作出響應(yīng)。響應(yīng)信號被天線接收后，進入射頻接收電路進行處理。發(fā)射的射頻載波幅度非常大，而接收信號幅度是非常微弱的。為保證TRF7960能夠有效接收電子標(biāo)簽返回的響應(yīng)信號，系統(tǒng)采用ASIC外部電路實現(xiàn)解調(diào)功能，將解調(diào)的基帶信號輸入給TRF7960的RX_AM端。外部射頻接收電路由接收輸入匹配、衰減、檢波器、無源帶通濾波、射隨器、4級有源濾波器等電路組成。射頻接收電路見圖5。

圖4 射頻功率放大電路

圖5 射頻接收電路

射頻發(fā)射功率放大電路與射頻接收電路采用大面積獨立地線處理方式，分別在TRF7960芯片處通過磁珠與系統(tǒng)地線連接，以降低相互干擾。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

員工安全監(jiān)控系統(tǒng)的程序包括：主控系統(tǒng)程序、監(jiān)控器終端程序[3]。

3.1 主控系統(tǒng)程序設(shè)計

主控系統(tǒng)軟件是由Visual Basic和數(shù)據(jù)庫ACCESS共同編寫的管理軟件，主要實現(xiàn)在職員工信息登記、安全信息查詢和數(shù)據(jù)打印、員工在崗信息等。通信流程見圖6。

圖6 主控系統(tǒng)通信流程

3.2 監(jiān)控器終端程序設(shè)計

終端CPU控制TRF7960，按照ISO15693協(xié)議發(fā)送射頻信號，經(jīng)功率放大電路送至門型天線，處于天線電磁場范圍的員工所附的電子標(biāo)簽響應(yīng)，返回相關(guān)電子信息經(jīng)接收電路送至TRF7960，經(jīng)CPU變換為對應(yīng)員工的編號、姓名、部門、工作崗位、安全等級等信息。此信息經(jīng)無線模塊發(fā)送到主控系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理。終端程序的核心是對TRF7960進行讀/寫電子標(biāo)簽操作。CPU讀/寫1個Byte的C語言程序代碼如下。

//從1個地址讀出1個字節(jié)

uchar ReadSingle( unsigned char address) {

uchar buf;

P1= 0x00;

CLK=1;

P1= 0xff;

CLK=0;

address= (0x40|address) ;//地址，讀單個

address = ( 0x5f & addr ess) ;//寄存器地址

P1= addr ess;//發(fā)送命令

CLK= 1;

CLK= 0;

CLK= 1; //當(dāng)CLK為高電平時輸出有效數(shù)據(jù)

buf = P1;

CLK= 0;

P1= 0x00;

P1| = 0x80;

CLK= 1;

P1= 0x00;

CLK= 0;

}

//向1個地址寫入1個數(shù)據(jù)

void WriteSingle(unsigned char address，unsigned char data) {

P1= 0x00;

CLK=1;

P1= 0xFF;

CLK=0;

address = (0x1F&address) ;

//設(shè)置地址為非連續(xù)寫register address

P1=address; //發(fā)送命令和數(shù)據(jù)

CLK=1;

CLK=0;

P1=data; //發(fā)送命令和數(shù)據(jù)

CLK=1;

CLK=0;

P1|=0x80;

CLK= 1;

P1= 0x00;

CLK= 0;

}

4 結(jié)論

本研究的創(chuàng)新點在于結(jié)合了RFID和GPRS技術(shù)的優(yōu)點，在RFID 通信鏈路中使用了射頻功率放大、預(yù)檢波技術(shù)及加密算法，提高了數(shù)據(jù)通信的安全性，具有成本低、可靠性高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。根據(jù)上面所述工作原理及實施方案，很好地實現(xiàn)了系統(tǒng)的各項功能，各項指標(biāo)達到設(shè)計的要求。若采用1對門型天線，電子標(biāo)簽的有效檢測距離可達3 m 以上，有很廣闊的應(yīng)用前景。

[1] 李鶴鳴，王厚華.基于單片機的船舶設(shè)備信號采集及處理系統(tǒng)[J].船海工程,2007(6)：35-38.

[2] 吳紅娉，楊 森.基于3G的無線視頻監(jiān)控傳輸系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用[J].計算機時代,2011(9)：19-21.

[3] 潘麗麗，霍修坤，方榮富,等.基于無源標(biāo)簽的遠距離射頻識別系統(tǒng)[J].通信技術(shù)，2011(6)：102-104.