基于rfid射頻識(shí)別技術(shù)的行車定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于rfid射頻識(shí)別技術(shù)的行車定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0射頻識(shí)別自動(dòng)識(shí)別技術(shù)商用車定位是監(jiān)控行業(yè)生產(chǎn)管理的一部分，在提高企業(yè)生產(chǎn)管理的自動(dòng)化方面發(fā)揮著重要作用。由于鋼鐵企業(yè)現(xiàn)場環(huán)境惡劣,存在高溫、多粉塵、腐蝕性氣體、油污、機(jī)械振動(dòng)、電氣干擾、露天工作環(huán)境及行車移動(dòng)制動(dòng)頻繁、打滑等現(xiàn)象,致使這一位移檢測的自動(dòng)化技術(shù)問題成為行業(yè)的難題。射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)是20世紀(jì)90年代興起的一項(xiàng)新型自動(dòng)識(shí)別技術(shù),將其用于行車定位系統(tǒng)是一種全新的嘗試。相對(duì)于如今比較常用的其他解決方案,如格雷母線、旋轉(zhuǎn)編碼器等,這種方案具有成本低、適應(yīng)性強(qiáng)、無累積誤差、抗干擾能力強(qiáng)、安裝調(diào)整簡單等優(yōu)點(diǎn)。本文分析了RFID技術(shù)進(jìn)行行車定位的特點(diǎn),研制出了一套完整的行車定位系統(tǒng)的解決方案,并通過在鋼廠的現(xiàn)場應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)了物料的實(shí)時(shí)跟蹤以及行車作業(yè)的高效管理,從而提高了鋼鐵企業(yè)的自動(dòng)化程度。1rfid讀寫器位置標(biāo)簽的工作原理射頻識(shí)別技術(shù)利用無線射頻方式進(jìn)行非接觸數(shù)據(jù)通信,從而達(dá)到識(shí)別目標(biāo)和數(shù)據(jù)交換的目的。典型的RFID系統(tǒng)由RFID讀寫器、射頻天線、電子標(biāo)簽以及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)(PLC、計(jì)算機(jī))等組成。其中讀寫器是讀寫標(biāo)簽信息的設(shè)備;射頻天線用于在讀寫器和電子標(biāo)簽之間傳輸射頻信號(hào);電子標(biāo)簽由耦合組件和集成電路芯片組成,并含有用于和射頻天線進(jìn)行通信的內(nèi)置天線。典型的電子標(biāo)簽是無源系統(tǒng),即電子標(biāo)簽內(nèi)不含電池,電子標(biāo)簽工作所需的能量是由讀寫器產(chǎn)生的射頻載波提供的。讀寫器與電子標(biāo)簽之間可以實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)交換,它們之間的信息交互通常采用詢問-應(yīng)答的方式,因此,必須有嚴(yán)格的時(shí)序關(guān)系。典型RFID系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。RFID系統(tǒng)的工作原理是讀寫器在規(guī)定的區(qū)域內(nèi)發(fā)送射頻信號(hào),電子標(biāo)簽內(nèi)有一個(gè)LC串聯(lián)諧振電路,其頻率與讀寫器發(fā)射的頻率相同。當(dāng)讀寫器經(jīng)過這個(gè)區(qū)域時(shí),在電磁波的激勵(lì)下產(chǎn)生感應(yīng)電流,電子標(biāo)簽獲得能量而被啟動(dòng),將標(biāo)簽內(nèi)ID編碼等信息發(fā)射出去或接收讀寫器的數(shù)據(jù)。讀寫器接收到標(biāo)簽信息后,譯碼并進(jìn)行誤碼校驗(yàn)來決定數(shù)據(jù)的有效性,然后通過RS-232或RS-485等總線將數(shù)據(jù)傳送到PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)處理。本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)用于行車定位的RFID讀寫器及位置標(biāo)簽時(shí)需要考慮以下幾點(diǎn)。①讀寫距離短:目前常見的RFID應(yīng)用領(lǐng)域如車輛、貨物管理等,其讀寫距離通常都比較長;而用于行車定位時(shí)正好相反,要求讀寫距離短,以防止同時(shí)讀到多個(gè)標(biāo)簽,影響檢測精度。②讀寫速度快:如在行車移動(dòng)速度為2m/s的情況下,兩個(gè)標(biāo)簽之間的間隔為25cm,則通過一個(gè)標(biāo)簽的檢測時(shí)間僅為125ms,即系統(tǒng)需要在125ms內(nèi)完成位置信息的準(zhǔn)確采集,這對(duì)讀寫器的性能也是一個(gè)極大的考驗(yàn)。③可靠性高:讀寫器能夠長時(shí)間連續(xù)運(yùn)行,電子標(biāo)簽要牢固耐用、易維護(hù)。2多線跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)2.1行車終端的組成利用RFID技術(shù)設(shè)計(jì)行車定位系統(tǒng)的方法是:將具有固定編號(hào)的電子標(biāo)簽等間距地安裝在支架上,支架平行于行車行駛的軌道,利用行車上安裝的讀寫器來識(shí)別和確定行車的位置。行車定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。整個(gè)系統(tǒng)主要由電源模塊、上位機(jī)(這里是行車終端電腦)、PLC控制器、RFID讀寫器、重量傳感器、電流傳感器及接口設(shè)備等構(gòu)成。電子標(biāo)簽作為位置信標(biāo),平行于定位方向沿直線安裝。讀寫器作為位置信息采集裝置,固定安裝在行車的大車和小車上,距標(biāo)簽的安裝距離處于保證能夠可靠讀取的范圍內(nèi)。讀寫器負(fù)責(zé)采集行車X軸和Y軸坐標(biāo)。PLC控制器通過RS-485總線與RFID讀寫器進(jìn)行串行通信,向兩個(gè)讀寫器依次發(fā)送查詢信號(hào)、接收標(biāo)簽ID信息,從而獲得行車的位置信息。同時(shí),采集行車重量傳感器的電壓信號(hào)和電流傳感器的電流信號(hào),結(jié)合行車位置信息,將所有信息封裝成數(shù)據(jù)包,上傳至上位機(jī),即行車終端。行車終端接收PLC控制器發(fā)送過來的行車狀態(tài)信息數(shù)據(jù)包并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,從而獲得行車當(dāng)前位置,實(shí)現(xiàn)行車操作自動(dòng)判斷等功能。2.2系統(tǒng)特征基于RFID技術(shù)的行車定位系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)。能理安排出,整個(gè)穩(wěn)定工作以開好穩(wěn)定該系統(tǒng)不受粉塵、露天、高溫等因素的影響,能夠全天候穩(wěn)定工作。同時(shí),工作間隙范圍較大,大型有軌行車由于機(jī)械自身的震動(dòng)或軌道不平等產(chǎn)生的影響相對(duì)較小。識(shí)別可靠的事件時(shí)間該系統(tǒng)是一種離散的絕對(duì)位置檢測技術(shù),不受行車打滑等的影響,無誤碼、重碼現(xiàn)象。易維護(hù)無機(jī)械接觸、無磨損、無滑差,使用壽命長,電子信標(biāo)經(jīng)過特殊封裝;能夠耐酸、耐堿、耐高溫,防水、防油、防蒸汽等。易調(diào)整動(dòng),易調(diào)整動(dòng)安裝簡單,不需改變現(xiàn)場設(shè)備,不影響現(xiàn)場外觀,當(dāng)現(xiàn)場設(shè)備變動(dòng)時(shí),電子信標(biāo)易變動(dòng),易于調(diào)整。采用成熟可靠的基于射頻識(shí)別技術(shù)的行車定位系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確地確定行車位置,從而能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)督行車操作人員的操作情況,對(duì)行車指令執(zhí)行結(jié)果進(jìn)行自動(dòng)判斷,這不僅提高了行車操作工的勞動(dòng)效率,而且增強(qiáng)了整個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)化程度。2.3標(biāo)簽和標(biāo)簽的安裝針對(duì)前面所提到的RFID技術(shù)應(yīng)用在行車定位系統(tǒng)中的要求與特點(diǎn),本系統(tǒng)在設(shè)備的設(shè)計(jì)與選型上作了精心的研究。RFID讀寫器的工作頻率為902~928MHz,屬于超高頻,在該頻率范圍內(nèi)天線的收發(fā)效率較高。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際環(huán)境,選用了一體化讀寫器,其電路板和射頻天線放在一起,減小了讀寫器的體積,便于安裝。讀寫器的讀寫距離設(shè)為0~50cm,讀取速度為平均每單字(32bit)讀取時(shí)間為6ms,這在碼頭、機(jī)場等對(duì)可靠性要求高的環(huán)境下已有成功的應(yīng)用案例。電子標(biāo)簽選用了無源EM標(biāo)簽,其讀寫速度快,也便于安裝和維護(hù)。每個(gè)標(biāo)簽都具有唯一的序列號(hào),對(duì)應(yīng)行車的每個(gè)位置檢測點(diǎn)。標(biāo)簽外殼采用PVC材料,具有較高的機(jī)械強(qiáng)度和較好的耐蝕性,適合鋼廠惡劣的工作環(huán)境。射頻識(shí)別設(shè)備的安裝也很重要,安裝是否恰當(dāng)直接關(guān)系到行車的定位效果,主要考慮的因素有安裝方式、安裝位置等。大小車的安裝方式類似,電子標(biāo)簽安裝在定做的支架上,支架直接焊接在行車行駛的鋼梁上。另外,標(biāo)簽與標(biāo)簽之間間隔的選取也是設(shè)計(jì)定位系統(tǒng)的關(guān)鍵。根據(jù)行車的最快運(yùn)行速度,既要保證行車在高速運(yùn)行過程中每個(gè)標(biāo)簽都能讀到,又要保證定位精度,因此,間距應(yīng)選得適中,而且要留一定的冗余,以保證在個(gè)別標(biāo)簽讀取失敗的情況下不影響鋼卷垛位的判別,我們根據(jù)鋼廠實(shí)際情況選擇了25cm的間距。讀寫器也是安裝在行車上外焊的支架上?？紤]到射頻信號(hào)在傳輸過程中因障礙造成的衰減以及因多徑效應(yīng)在閱讀區(qū)范圍內(nèi)形成的死角而影響讀寫距離,我們通過仔細(xì)調(diào)整讀寫器內(nèi)天線的安裝位置,可以將這些影響降到最低程度。另外,在電子標(biāo)簽后面安裝了金屬板,從而減小了現(xiàn)場復(fù)雜環(huán)境對(duì)讀寫器讀寫距離的影響。在布線方面,針對(duì)行車上電機(jī)啟停產(chǎn)生的強(qiáng)干擾信號(hào),采用屏蔽雙絞線并將屏蔽層接地,從而有效抑制了干擾。2.4通過rfid讀取器實(shí)現(xiàn)與收割機(jī)之間的通信2.4.1命令發(fā)送方式RFID讀寫器含有RS-232和RS-485兩個(gè)通信接口,利用這兩個(gè)接口可以與PLC控制器進(jìn)行通信。讀寫器的工作模式采用命令方式,即接收控制器發(fā)來的命令,并返回命令執(zhí)行結(jié)果。其中,PLC發(fā)往讀寫器的數(shù)據(jù)通信包稱為命令包,讀寫器返回給PLC的數(shù)據(jù)通信包稱為返回包。本系統(tǒng)中用到的讀寫器命令包主要是讀取標(biāo)簽ID號(hào)命令;返回包分讀到標(biāo)簽和未讀到標(biāo)簽兩種情況,PLC根據(jù)返回包的格式來判斷是否檢測到行車的當(dāng)前位置,從而進(jìn)行相應(yīng)的處理。2.4.2plc與上位機(jī)通信作為行車定位系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集模塊,PLC起著舉足輕重的作用,該系統(tǒng)中選用的是西門子公司生產(chǎn)的S7-200?？紤]到系統(tǒng)需要兩個(gè)RS-485通信口,采用自由口通信方式,分別與RFID讀寫器和上位機(jī)進(jìn)行通信,并且需要采集兩路模擬量輸入信號(hào),即吊鉤信號(hào)和重量信號(hào),所以選用了CPU-224XP。PLC通過自由口通信方式與RFID讀寫器進(jìn)行串口通信。首先,對(duì)PLC串口進(jìn)行初始化,然后根據(jù)RFID讀寫器的串口通信協(xié)議發(fā)送命令包和接收返回包,程序采用中斷的方式來判斷發(fā)送、接收串口數(shù)據(jù)是否完成。每次接收完一個(gè)返回包,都進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn),從而判斷數(shù)據(jù)包是否有效;接著通過返回包的內(nèi)容判斷是否讀到標(biāo)簽,讀到標(biāo)簽則送至發(fā)送緩沖區(qū)并連同其他行車信息一起發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)行處理。至此,PLC程序便運(yùn)行了一次,所需時(shí)間僅為30ms左右,如此循環(huán)不斷地運(yùn)行,即完成了行車位置信息的實(shí)時(shí)采集。3系統(tǒng)應(yīng)用3.1數(shù)據(jù)庫服務(wù)器接口行車定位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在需求分析及設(shè)備調(diào)研的基礎(chǔ)上進(jìn)行,整個(gè)系統(tǒng)按部署的位置分為地面部分和行車部分,如圖3所示。地面部分包括數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、系統(tǒng)主控計(jì)算機(jī)(含主控軟件)、無線局域網(wǎng)布線系統(tǒng)、主控計(jì)算機(jī)通過車間局域網(wǎng)與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器相連接。行車部分包括車載終端(含終端軟件)、射頻識(shí)別系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器作為行車定位系統(tǒng)與MES系統(tǒng)的接口,負(fù)責(zé)從MES系統(tǒng)中獲得行車調(diào)度指令,并將行車調(diào)度指令執(zhí)行結(jié)果反饋至MES系統(tǒng)。地面主控機(jī)從數(shù)據(jù)服務(wù)器中讀取行車指令,通過無線局域網(wǎng)傳遞給行車車載終端,行車操作人員根據(jù)指令執(zhí)行行車作業(yè)。通過行車定位系統(tǒng),車載終端能夠自動(dòng)判別行車操作人員對(duì)指令的執(zhí)行情況,并將執(zhí)行結(jié)果及相關(guān)的行車位置、材料重量等狀態(tài)信息通過無線局域網(wǎng)反饋給地面主控機(jī),相關(guān)數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)服務(wù)器,以供MES系統(tǒng)使用。3.2分析與生產(chǎn)相關(guān)流程基于RFID技術(shù)的行車定位系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)。①實(shí)用性:最完美的系統(tǒng)如果不實(shí)用,也是沒有價(jià)值的。在開發(fā)系統(tǒng)之前,我們?cè)敿?xì)地進(jìn)行了需求分析,分析與生產(chǎn)相關(guān)的所有流程,使系統(tǒng)能夠完全融入到生產(chǎn)過程中。②易擴(kuò)展性:采用模塊化的設(shè)計(jì)方法,軟件設(shè)計(jì)采用面向?qū)ο蟮姆椒?模塊間數(shù)據(jù)接口規(guī)范,使系統(tǒng)便于擴(kuò)展與推廣。③易操作性:盡管行車調(diào)度及庫存管理整個(gè)生產(chǎn)過程是一個(gè)復(fù)雜的過程,但是系統(tǒng)軟件能夠?qū)⑦@一過程簡單化,軟件界面友好、容易操作。因此,利用RFID設(shè)計(jì)行車定位系統(tǒng)具有定位精度高、可靠性好、維護(hù)工作量小等特點(diǎn),是一種非