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        基于RFID技術(shù)的起重機械人機交互系統(tǒng)研究*

        2013-06-06 04:33:42丁樹慶任詩波
        機電工程技術(shù) 2013年6期
        關(guān)鍵詞:起重機射頻無線

        丁樹慶,任詩波

        (南京市特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院,江蘇南京 210019)

        0 引言

        我國是一個制造業(yè)大國,作為制造業(yè)物料搬運重要設(shè)備的起重機械在造船、港口、冶金等行業(yè)有著廣泛的使用。特別是近年來,隨著我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展和企業(yè)投資、搬遷加快,以及建筑市場不斷升溫回暖,起重機等機電類特種設(shè)備已連續(xù)5年以年增速超過兩位百分比的速率高速增長。與此同時,起重機械等特種設(shè)備的安全使用、管理和監(jiān)察責(zé)任越來越重,發(fā)生起重機械安全事故的情況也屢見不鮮。各種原因引起的事故也時常發(fā)生,事故多是死亡或重傷,給社會造成較大的損失。

        與發(fā)達國家相比,我國特種設(shè)備的事故發(fā)生率要較高,事故系統(tǒng)通常涉及四個要素,即:人、機、環(huán)境、管理。其中,人的不安全行為和機械的不安全狀態(tài)是事故的直接因素,生產(chǎn)環(huán)境的不良,將影響人的行為和對機械設(shè)備產(chǎn)生不良的作用,是構(gòu)成事故的重要因素;而管理上的欠缺是事故發(fā)生的間接因素,對人、機、環(huán)境都會產(chǎn)生作用。有不少使用單位對特種設(shè)備的安全使用管理不重視,處于被動管理,造成安全隱患。

        起重機事故關(guān)系國計民生、危害重大,目前眾多的起重機司機雖然有上崗證,由于缺少監(jiān)督和復(fù)核手段,實際工作中違規(guī)嚴重。加強檢查和考核非常重要。造成起重機事故頻發(fā)的主要原因,一方面是由于起重機管理不到位,違章操作、違章超載等現(xiàn)象普遍存在;二是由于對起重機安全隱患不能夠及時發(fā)現(xiàn),例如關(guān)鍵焊縫出現(xiàn)微裂、螺栓松動的情況下沒有及時發(fā)現(xiàn),致使在起重機繼續(xù)使用過程中使?jié)撛诘娜毕葸M一步惡化,最終導(dǎo)致事故的發(fā)生。

        1 人機交互控制過程

        利用RFID 卡作為“人機交互”接口,起重機通過RFID 卡識別作業(yè)人員;作業(yè)人員刷卡控制起重機運行,實現(xiàn)“人機互認”識別。通過遠程起重機作業(yè)人員監(jiān)管系統(tǒng),對持證作業(yè)人員實行發(fā)卡認證管理[1];同時可以在線授權(quán)起重機作業(yè)人員,實現(xiàn)每一臺起重機的工班管理。經(jīng)過授權(quán)發(fā)卡的作業(yè)人員,可以通過刷卡解鎖控制起重機運行,對于未經(jīng)授權(quán)的發(fā)卡作業(yè)人員,即使持卡也不能解鎖啟動起重機。

        采用RFID 技術(shù)具有如下優(yōu)勢:第一,可以標識每臺起重機和每個操作人員,真正做到一人一機;第二,可以非接觸式遠距離對物體進行識別,適應(yīng)在起重機現(xiàn)場的惡劣工況,第三,可以存儲較大的信息,為系統(tǒng)功能完善奠定基礎(chǔ);第四,RFID識別卡的信息可以隨時更新,可以有效實現(xiàn)授權(quán)發(fā)卡。

        2 系統(tǒng)體系架構(gòu)

        “人機交互”識別系統(tǒng)主要由射頻識別終端和管理終端兩部分組成。識別終端由人員識別射頻卡、射頻讀卡器、無線發(fā)射模塊、行車開關(guān)控制裝置等部分組成。其中人員識別卡根據(jù)作業(yè)人員的工作職能不同寫入卡片不同信息,賦予作業(yè)人員不同控制起重機的權(quán)限。作業(yè)人員分操作人員、檢修人員和管理人員,作業(yè)人員解鎖運行起重機運行,點檢人員控制起重機后起重機處于檢修狀態(tài),管理人員控制起重機后實施檢查。人機識別設(shè)備為一射頻讀卡器,采用了ARM7 處理器,行車開關(guān)控制裝置主要和起重機的行車開關(guān)串聯(lián),保證了無刷卡的情況下,無法啟動起重機,實現(xiàn)了作業(yè)人員的身份識別及起重機作業(yè)管理,系統(tǒng)功能架構(gòu)如圖1所示。

        起重機的人員信息及作業(yè)信息通過無線傳輸模式發(fā)送到管理終端,信息存入管理終端的服務(wù)器中。管理人員可以通過服務(wù)器直接查看即時的作業(yè)信息及人員信息,完成相應(yīng)的管理工作。或者通過電腦、移動終端等通過瀏覽器登陸系統(tǒng)服務(wù)器,查詢即時的作業(yè)信息及人員信息,完成相應(yīng)的管理工作。

        圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)的起重機人機互認及監(jiān)控系統(tǒng)功能架構(gòu)

        服務(wù)器可以實現(xiàn)對起重機械進行管理,包括設(shè)備信息管理、人員權(quán)限管理、檢驗報告管理、操作信息管理、作業(yè)記錄管理、違規(guī)記錄管理等管理項目。

        系統(tǒng)基于RFID 技術(shù),采用ISO18000-6C 協(xié)議,實現(xiàn)射頻識別,系統(tǒng)識別作業(yè)人員的身份信息,根據(jù)不同的權(quán)限完成不同的起重機作業(yè)。針對強干擾、高污染、粉塵等復(fù)雜工況,射頻識別卡采用聚氯乙稀材料所做的外殼進行封裝,這樣射頻識別卡的高頻損耗小、機械強度高、抗腐蝕性能好、防水性、密封性較好[2]。同時本設(shè)計中選用特制的FR4 印制板作為制作射頻天線的基板,板厚0.4 mm,天線偶極子的圖形是用傳統(tǒng)的腐蝕方法做出,并且芯片和天線可方便地焊接。這種方法生產(chǎn)工藝簡單,可靠性和一致性好,成本較低,提高了系統(tǒng)在復(fù)雜工控下的穩(wěn)定性。

        3 RFID射頻識別

        RFID射頻識別終端硬件電路包括天線切換電路、射頻收發(fā)電路、數(shù)字信號處理電路、數(shù)據(jù)接口電路和電源電路等五個部分組成[3]。天線切換電路接收數(shù)字信號處理電路控制信號切換工作天線;射頻收發(fā)電路完成射頻信號調(diào)制/解調(diào);數(shù)字信號處理電路是讀寫器的核心,完成信號編解碼、與上位機通信及讀寫器管理等功能;數(shù)據(jù)接口電路完成通訊信號的轉(zhuǎn)換;電源電路完成+12VDC—+5VDC轉(zhuǎn)換。本方案的特點是:解調(diào)后的兩路基帶信號直接送入ADC 轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,并作數(shù)字濾波、數(shù)字噪聲消除等數(shù)字信號處理。提高了信號處理的靈活性。如圖2所示。

        圖2 射頻識別工作原理

        圖3 射頻識別系統(tǒng)

        圖4 射頻識別功率驅(qū)動電路

        射頻識別終端硬件選用ARM為核心控制器,技術(shù)成熟,升級容易,系統(tǒng)可靠性高,實現(xiàn)了存儲管理、數(shù)據(jù)通訊、射頻識別等功能。圖3、圖4給出了射頻識別的協(xié)議電路及驅(qū)動電路,采用ADF7020 芯片作為系統(tǒng)射頻識別芯片,RF2173作為射頻識別驅(qū)動電路。實現(xiàn)主頻862 MHz~928 MHz的超高頻信號識別。Rfout為識別卡無線信號,在-50 dbm 左右,通過基于HS2812 的混頻電路,實現(xiàn)基帶放大,到200 mV,通過比較判決電路,實現(xiàn)ISO18000-6C協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸。

        圖5 給出了射頻識別終端設(shè)備存儲電路,采用鐵電存儲器93C64,可以讀寫,存儲相關(guān)作業(yè)人員的信息,與識別卡的信息匹配,完成不同的作業(yè)。

        4 無線數(shù)據(jù)通訊及組網(wǎng)

        系統(tǒng)由發(fā)送模塊和接收模塊組成。采用C8051F930 為主控制器,無線收發(fā)模塊采用Si4432,其中發(fā)送模塊主要將要發(fā)送的數(shù)據(jù)經(jīng)C8051F930 處理后,通過Si4432 發(fā)送出去;在接收模塊中,Si4432 則將數(shù)據(jù)正確接收后傳入主控系統(tǒng)中,從而實現(xiàn)短距離的無線通信。該系統(tǒng)實現(xiàn)了低功耗、小體積、高靈敏度條件下的200~1 000 m 高質(zhì)量無線數(shù)據(jù)傳輸。

        設(shè)計高效組網(wǎng)模式,實現(xiàn)對多臺起重機的集中監(jiān)管,組網(wǎng)模式分三個層次,第一層次是每臺起重機安裝識別終端,第二層次在每個車間或工作區(qū)域建立一個匯集節(jié)點,對每個車間或工作區(qū)域的所有起重機通過無線方式進行統(tǒng)一監(jiān)控,對每臺起重機械按照起重機的注冊代碼進行編號,根據(jù)編號對每臺起重機的識別卡進行了唯一性區(qū)分。

        圖5 存儲電路

        系統(tǒng)在工作的過程中,服務(wù)器通過輪詢法對多臺起重機進行管理,服務(wù)器每隔3s向管理的起重機進行呼叫,滿足呼叫條件的起重機射頻讀卡器的無線發(fā)射模塊響應(yīng),發(fā)送讀卡信息,不滿足呼叫條件的起重機的射頻讀卡器的無線發(fā)射模塊則不響應(yīng)??紤]到無線發(fā)射模塊的功率性能,服務(wù)器可以對1 000 m內(nèi)的起重機實施監(jiān)管,考慮無線模塊的響應(yīng)時間(<10 ms),服務(wù)器可以滿足對范圍內(nèi)300 臺起重機的統(tǒng)一管理,實際上作業(yè)現(xiàn)場的起重機數(shù)量遠低于該數(shù)目,滿足了多臺起重機監(jiān)管的功能。第三層次是匯集節(jié)點的聯(lián)網(wǎng)技術(shù),每個匯集節(jié)點通過有線或無線方式聯(lián)網(wǎng)(考慮成本問題,采用有線聯(lián)網(wǎng)),實現(xiàn)全部起重機的安全監(jiān)控。在網(wǎng)絡(luò)上,任何一個地方均可以訪問服務(wù)器,獲取監(jiān)控狀態(tài)和數(shù)據(jù)。整個系統(tǒng)組網(wǎng)的運營費用較低,監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定。

        5 無線通訊協(xié)議

        無線通訊數(shù)據(jù)傳輸包括無線發(fā)射程序和無線接收程序,無線發(fā)送程序負責(zé)寫入數(shù)據(jù)載荷,并根據(jù)通信協(xié)議為數(shù)據(jù)載荷加上前導(dǎo)碼、同步字、數(shù)據(jù)載荷長度及CRC校驗字節(jié),形成數(shù)據(jù)包將其發(fā)送出去;無線接收程序負責(zé)接收并檢驗數(shù)據(jù)包中的CRC字節(jié),以確保接收到的數(shù)據(jù)的正確性。

        圖6 所示數(shù)據(jù)包定義了無線收發(fā)模塊之間的通信協(xié)議。

        圖6 無線通訊協(xié)議

        數(shù)據(jù)包由5個部分組成:

        BootCode:引導(dǎo)碼,1個字節(jié),固定為40H;

        Length:數(shù)據(jù)包有效長度,1個字節(jié),該長度為后4 個部分的總字節(jié)數(shù)(定長17 字節(jié)命令參數(shù)時,Length為14H);

        Command:命令碼,1個字節(jié);

        Address:遠端PC地址,1~254,0 和255 為保留,地址暫時固定為01H;

        Data:命令參數(shù)或返回狀態(tài),其長度隨命令而變化,建議參數(shù)項目個數(shù)為定長17字節(jié),不使用空間部分填充00H;

        CheckSum:校驗和,1 個字節(jié),為從引導(dǎo)碼(BootCode)開始到命令參數(shù)(Command Param)全部字節(jié)總和、丟棄進位后的字節(jié)補碼。

        6 信息管理服務(wù)平臺

        遠程服務(wù)器平臺軟件包括識別終端管理軟件、發(fā)卡管理軟件、作業(yè)授權(quán)管理、作業(yè)記錄管理、起重機信息管理等四個部分。識別終端管理軟件設(shè)定射頻讀寫器運行參數(shù)和功能演示。軟件通過RS232 口與讀寫器連接,對讀寫器進行參數(shù)設(shè)定,控制標簽讀寫等操作。

        發(fā)卡管理軟件實現(xiàn)了起重機作業(yè)人員、點檢人員和管理人員的發(fā)卡管理,對于已經(jīng)取得上崗證的實現(xiàn)一人一卡,持卡人員才具有控制起重機的權(quán)限。

        作業(yè)授權(quán)管理實現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)管的起重機的作業(yè)權(quán)限,通過作業(yè)授權(quán)模塊可以管理任意可操作起重機的作業(yè)人員和作業(yè)實現(xiàn),只有經(jīng)過授權(quán)的作業(yè)人員在授權(quán)的時間段內(nèi)可以解鎖控制起重機的運行。

        作業(yè)記錄管理有效記錄了起重機作業(yè)人員、點檢人員和管理人員的作業(yè)過程,包括作業(yè)記錄、點檢記錄和管理記錄。記錄起重機名稱、射頻卡的有效性、作業(yè)人員姓名、設(shè)備內(nèi)部編號、上機時間、下機時間、操作時長等信息。作業(yè)記錄可以根據(jù)人員和設(shè)備進行檢索,方便管理人員進行查詢和管理。作業(yè)記錄保存作業(yè)人員操作起重機的過程,點檢記錄保存維修人員檢修起重機的過程,管理記錄記錄管理人員檢查設(shè)備的過程。

        設(shè)備信息管理中可以查看設(shè)備的詳細信息,如設(shè)備名稱、注冊代碼、規(guī)格型號、設(shè)備使用地點等設(shè)備基本信息、額定起重量等設(shè)備技術(shù)參數(shù)以及設(shè)備的檢驗信息。

        圖7 射頻識別人機交互管理界面

        7 技術(shù)實現(xiàn)及應(yīng)用

        本文研究了基于RFID射頻識別技術(shù)的起重機械人機交互監(jiān)控管理系統(tǒng),通過RFID射頻識別卡存儲作業(yè)人員信息,實現(xiàn)作業(yè)人員身份認證管理;通過無線組網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸,遠程下載可解鎖運行起重機的作業(yè)人員信息。

        如圖7 所示,作業(yè)人員對起重機進行操作時,射頻識別終端彈出提示信息,包括操作人員姓名、操作動作、操作設(shè)備等信息,同時所有操作記錄在終端的顯示屏上以列表的形式顯示出來,系統(tǒng)的使用可有效實現(xiàn)作業(yè)人員的動態(tài)管理和作業(yè)記錄的追溯管理,確保起重機在授權(quán)人員的控制下安全運行。將本文研究成果應(yīng)用于某鋼廠起重機的管理中,管理人員可通過遠程計算機實現(xiàn)起重機的運行管理、點檢管理和檢查管理,有效地杜絕了起重機作業(yè)人員違規(guī)作業(yè),保障起重機定期檢修和安全的有效檢查,提高起重機安全管理的效率。

        [1]梁龍,崔婷,孟憲,等.基于MSP430 的無源RFID 考勤系統(tǒng)[J].計算機系統(tǒng)應(yīng)用,2012(9):27-31.

        [2]蘆東昕,李強,柳長安.基于ARM 的RFID 閱讀器設(shè)計[J].微計算機信息,2006(29):286-288.

        [3]章峰勇.RFID電子標簽及其天線制造技術(shù)[J].信息記錄材料,2008(6):44-49.

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