基于rfid射频识别技术的行车定位系统设计

基于rfid射频识别技术的行车定位系统设计

0射频识别自动识别技术商用车定位是监控行业生产管理的一部分，在提高企业生产管理的自动化方面发挥着重要作用。由于钢铁企业现场环境恶劣,存在高温、多粉尘、腐蚀性气体、油污、机械振动、电气干扰、露天工作环境及行车移动制动频繁、打滑等现象,致使这一位移检测的自动化技术问题成为行业的难题。射频识别(RFID)技术是20世纪90年代兴起的一项新型自动识别技术,将其用于行车定位系统是一种全新的尝试。相对于如今比较常用的其他解决方案,如格雷母线、旋转编码器等,这种方案具有成本低、适应性强、无累积误差、抗干扰能力强、安装调整简单等优点。本文分析了RFID技术进行行车定位的特点,研制出了一套完整的行车定位系统的解决方案,并通过在钢厂的现场应用,实现了物料的实时跟踪以及行车作业的高效管理,从而提高了钢铁企业的自动化程度。1rfid读写器位置标签的工作原理射频识别技术利用无线射频方式进行非接触数据通信,从而达到识别目标和数据交换的目的。典型的RFID系统由RFID读写器、射频天线、电子标签以及计算机控制系统(PLC、计算机)等组成。其中读写器是读写标签信息的设备;射频天线用于在读写器和电子标签之间传输射频信号;电子标签由耦合组件和集成电路芯片组成,并含有用于和射频天线进行通信的内置天线。典型的电子标签是无源系统,即电子标签内不含电池,电子标签工作所需的能量是由读写器产生的射频载波提供的。读写器与电子标签之间可以实现双向数据交换,它们之间的信息交互通常采用询问-应答的方式,因此,必须有严格的时序关系。典型RFID系统结构如图1所示。RFID系统的工作原理是读写器在规定的区域内发送射频信号,电子标签内有一个LC串联谐振电路,其频率与读写器发射的频率相同。当读写器经过这个区域时,在电磁波的激励下产生感应电流,电子标签获得能量而被启动,将标签内ID编码等信息发射出去或接收读写器的数据。读写器接收到标签信息后,译码并进行误码校验来决定数据的有效性,然后通过RS-232或RS-485等总线将数据传送到PLC控制系统进行相关处理。本系统在设计用于行车定位的RFID读写器及位置标签时需要考虑以下几点。①读写距离短:目前常见的RFID应用领域如车辆、货物管理等,其读写距离通常都比较长;而用于行车定位时正好相反,要求读写距离短,以防止同时读到多个标签,影响检测精度。②读写速度快:如在行车移动速度为2m/s的情况下,两个标签之间的间隔为25cm,则通过一个标签的检测时间仅为125ms,即系统需要在125ms内完成位置信息的准确采集,这对读写器的性能也是一个极大的考验。③可靠性高:读写器能够长时间连续运行,电子标签要牢固耐用、易维护。2多线跟踪系统的设计2.1行车终端的组成利用RFID技术设计行车定位系统的方法是:将具有固定编号的电子标签等间距地安装在支架上,支架平行于行车行驶的轨道,利用行车上安装的读写器来识别和确定行车的位置。行车定位系统结构如图2所示。整个系统主要由电源模块、上位机(这里是行车终端电脑)、PLC控制器、RFID读写器、重量传感器、电流传感器及接口设备等构成。电子标签作为位置信标,平行于定位方向沿直线安装。读写器作为位置信息采集装置,固定安装在行车的大车和小车上,距标签的安装距离处于保证能够可靠读取的范围内。读写器负责采集行车X轴和Y轴坐标。PLC控制器通过RS-485总线与RFID读写器进行串行通信,向两个读写器依次发送查询信号、接收标签ID信息,从而获得行车的位置信息。同时,采集行车重量传感器的电压信号和电流传感器的电流信号,结合行车位置信息,将所有信息封装成数据包,上传至上位机,即行车终端。行车终端接收PLC控制器发送过来的行车状态信息数据包并进行数据处理,从而获得行车当前位置,实现行车操作自动判断等功能。2.2系统特征基于RFID技术的行车定位系统具有如下特点。能理安排出,整个稳定工作以开好稳定该系统不受粉尘、露天、高温等因素的影响,能够全天候稳定工作。同时,工作间隙范围较大,大型有轨行车由于机械自身的震动或轨道不平等产生的影响相对较小。识别可靠的事件时间该系统是一种离散的绝对位置检测技术,不受行车打滑等的影响,无误码、重码现象。易维护无机械接触、无磨损、无滑差,使用寿命长,电子信标经过特殊封装;能够耐酸、耐碱、耐高温,防水、防油、防蒸汽等。易调整动,易调整动安装简单,不需改变现场设备,不影响现场外观,当现场设备变动时,电子信标易变动,易于调整。采用成熟可靠的基于射频识别技术的行车定位系统能够实时准确地确定行车位置,从而能够实时监督行车操作人员的操作情况,对行车指令执行结果进行自动判断,这不仅提高了行车操作工的劳动效率,而且增强了整个系统的自动化程度。2.3标签和标签的安装针对前面所提到的RFID技术应用在行车定位系统中的要求与特点,本系统在设备的设计与选型上作了精心的研究。RFID读写器的工作频率为902~928MHz,属于超高频,在该频率范围内天线的收发效率较高。根据现场实际环境,选用了一体化读写器,其电路板和射频天线放在一起,减小了读写器的体积,便于安装。读写器的读写距离设为0~50cm,读取速度为平均每单字(32bit)读取时间为6ms,这在码头、机场等对可靠性要求高的环境下已有成功的应用案例。电子标签选用了无源EM标签,其读写速度快,也便于安装和维护。每个标签都具有唯一的序列号,对应行车的每个位置检测点。标签外壳采用PVC材料,具有较高的机械强度和较好的耐蚀性,适合钢厂恶劣的工作环境。射频识别设备的安装也很重要,安装是否恰当直接关系到行车的定位效果,主要考虑的因素有安装方式、安装位置等。大小车的安装方式类似,电子标签安装在定做的支架上,支架直接焊接在行车行驶的钢梁上。另外,标签与标签之间间隔的选取也是设计定位系统的关键。根据行车的最快运行速度,既要保证行车在高速运行过程中每个标签都能读到,又要保证定位精度,因此,间距应选得适中,而且要留一定的冗余,以保证在个别标签读取失败的情况下不影响钢卷垛位的判别,我们根据钢厂实际情况选择了25cm的间距。读写器也是安装在行车上外焊的支架上。考虑到射频信号在传输过程中因障碍造成的衰减以及因多径效应在阅读区范围内形成的死角而影响读写距离,我们通过仔细调整读写器内天线的安装位置,可以将这些影响降到最低程度。另外,在电子标签后面安装了金属板,从而减小了现场复杂环境对读写器读写距离的影响。在布线方面,针对行车上电机启停产生的强干扰信号,采用屏蔽双绞线并将屏蔽层接地,从而有效抑制了干扰。2.4通过rfid读取器实现与收割机之间的通信2.4.1命令发送方式RFID读写器含有RS-232和RS-485两个通信接口,利用这两个接口可以与PLC控制器进行通信。读写器的工作模式采用命令方式,即接收控制器发来的命令,并返回命令执行结果。其中,PLC发往读写器的数据通信包称为命令包,读写器返回给PLC的数据通信包称为返回包。本系统中用到的读写器命令包主要是读取标签ID号命令;返回包分读到标签和未读到标签两种情况,PLC根据返回包的格式来判断是否检测到行车的当前位置,从而进行相应的处理。2.4.2plc与上位机通信作为行车定位系统中的数据采集模块,PLC起着举足轻重的作用,该系统中选用的是西门子公司生产的S7-200。考虑到系统需要两个RS-485通信口,采用自由口通信方式,分别与RFID读写器和上位机进行通信,并且需要采集两路模拟量输入信号,即吊钩信号和重量信号,所以选用了CPU-224XP。PLC通过自由口通信方式与RFID读写器进行串口通信。首先,对PLC串口进行初始化,然后根据RFID读写器的串口通信协议发送命令包和接收返回包,程序采用中断的方式来判断发送、接收串口数据是否完成。每次接收完一个返回包,都进行数据校验,从而判断数据包是否有效;接着通过返回包的内容判断是否读到标签,读到标签则送至发送缓冲区并连同其他行车信息一起发送到上位机进行处理。至此,PLC程序便运行了一次,所需时间仅为30ms左右,如此循环不断地运行,即完成了行车位置信息的实时采集。3系统应用3.1数据库服务器接口行车定位系统的结构设计在需求分析及设备调研的基础上进行,整个系统按部署的位置分为地面部分和行车部分,如图3所示。地面部分包括数据库服务器、系统主控计算机(含主控软件)、无线局域网布线系统、主控计算机通过车间局域网与数据库服务器相连接。行车部分包括车载终端(含终端软件)、射频识别系统及数据采集系统。数据库服务器作为行车定位系统与MES系统的接口,负责从MES系统中获得行车调度指令,并将行车调度指令执行结果反馈至MES系统。地面主控机从数据服务器中读取行车指令,通过无线局域网传递给行车车载终端,行车操作人员根据指令执行行车作业。通过行车定位系统,车载终端能够自动判别行车操作人员对指令的执行情况,并将执行结果及相关的行车位置、材料重量等状态信息通过无线局域网反馈给地面主控机,相关数据存入数据服务器,以供MES系统使用。3.2分析与生产相关流程基于RFID技术的行车定位系统具有以下特点。①实用性:最完美的系统如果不实用,也是没有价值的。在开发系统之前,我们详细地进行了需求分析,分析与生产相关的所有流程,使系统能够完全融入到生产过程中。②易扩展性:采用模块化的设计方法,软件设计采用面向对象的方法,模块间数据接口规范,使系统便于扩展与推广。③易操作性:尽管行车调度及库存管理整个生产过程是一个复杂的过程,但是系统软件能够将这一过程简单化,软件界面友好、容易操作。因此,利用RFID设计行车定位系统具有定位精度高、可靠性好、维护工作量小等特点,是一种非