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?；蛘咄ㄟ^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.