鐵路大型養(yǎng)路機(jī)械設(shè)備管理信息系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

戴 懋 夏瑞平 上海鐵路局上海大型養(yǎng)路機(jī)械運(yùn)用檢修段

鐵路大型養(yǎng)路機(jī)械設(shè)備管理信息系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

戴 懋 夏瑞平 上海鐵路局上海大型養(yǎng)路機(jī)械運(yùn)用檢修段

針對鐵路大型養(yǎng)路機(jī)械作業(yè)地點(diǎn)分散、流動(dòng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，研究基于RFID技術(shù)鐵路大型養(yǎng)路機(jī)械設(shè)備管理信息系統(tǒng)，并著重介紹其工作流程、功能需求、軟硬件構(gòu)成。

鐵路；大型養(yǎng)路機(jī)械；RFID；信息化

圖1 射頻識別系統(tǒng)的組成模塊圖

隨著鐵路信息化的不斷深入，鐵路工務(wù)信息化的改革勢在必行。目前我國鐵路路網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，對運(yùn)輸效率要求也在不斷提高，大型養(yǎng)路機(jī)械（以下簡稱大機(jī)）裝備的規(guī)模和作業(yè)范圍也在快速增長。而大型養(yǎng)路機(jī)械作業(yè)地點(diǎn)比較分散，流動(dòng)性強(qiáng)，目前大機(jī)設(shè)備的信息采集和動(dòng)態(tài)管理還是傳統(tǒng)的人工模式，效率低下，信息傳遞速度慢，不利于查詢和管理。為了提高大機(jī)設(shè)備管理的信息化水平，加強(qiáng)大機(jī)設(shè)備管理效率，加速信息流轉(zhuǎn)，本文研究了基于RFID的鐵路大型養(yǎng)路機(jī)械設(shè)備管理信息系統(tǒng)。

1 無線射頻識別（RFID）技術(shù)簡介

1.1 無線射頻系統(tǒng)的組成

RFID[1]（Radio Frequency Identification）射頻識別是一種非接觸式的自動(dòng)識別技術(shù)，它通過射頻信號自動(dòng)識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識別工作無須人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境。

一個(gè)典型的射頻識別系統(tǒng)由讀寫器、射頻卡(也稱為電子標(biāo)簽，應(yīng)答器)和天線三部分組成。對于不同的應(yīng)用目的和應(yīng)用環(huán)境，就會(huì)組成不同的應(yīng)用系統(tǒng)[2]。其組成如圖1所示。

1.2 射頻識別技術(shù)的工作原理

射頻識別系統(tǒng)的工作原理可以概括為以下幾點(diǎn)：

（1）讀寫器上電工作后，在一個(gè)區(qū)域內(nèi)發(fā)出射頻信號，該區(qū)域的大小取決于發(fā)射功率、工作頻率和天線尺寸等因素。

（2）電子標(biāo)簽進(jìn)入該區(qū)域后，接收到讀寫器的射頻信號，其芯片內(nèi)部的解調(diào)電路從該信號中解調(diào)出讀寫器發(fā)送的命令和數(shù)據(jù)并送到邏輯控制部分，完成數(shù)據(jù)存儲、發(fā)送或其他操作。

（3）如果需要發(fā)送數(shù)據(jù)，則電子標(biāo)簽將數(shù)據(jù)調(diào)制后從收發(fā)模塊發(fā)送出去。

（4）讀寫器接收到返回的數(shù)據(jù)后，對其進(jìn)行解碼以及錯(cuò)誤校驗(yàn)等操作來決定數(shù)據(jù)的有效性，然后進(jìn)行處理，需要時(shí)可通過 RS-232，RS-485，USB 或者無線接口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。

2 系統(tǒng)功能分析

2.1 系統(tǒng)工作流程

大型養(yǎng)路機(jī)械工作地點(diǎn)分散，流動(dòng)性強(qiáng)，不便集中管理，大機(jī)的設(shè)備狀態(tài)信息需要及時(shí)反饋到相關(guān)管理部門和人員。需要將設(shè)備的基本信息輸入到電子標(biāo)簽中，每個(gè)設(shè)備對應(yīng)一個(gè)編號，每臺大機(jī)都有專人配備讀寫器。當(dāng)大機(jī)施工或保養(yǎng)結(jié)束時(shí)，設(shè)備狀態(tài)通過讀寫器，將大機(jī)設(shè)備的信息寫入到標(biāo)簽中，大機(jī)工作人員也可以通過讀寫器了解到設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)。設(shè)備信息通過讀寫器和無線網(wǎng)絡(luò)，被傳送到上位機(jī)服務(wù)器，基地總部可以實(shí)時(shí)查詢和管理大機(jī)設(shè)備，及時(shí)了解到相關(guān)故障，以便于查詢和管理。

大機(jī)設(shè)備進(jìn)入到單位檢修時(shí)，我們要對大機(jī)的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)、柴油機(jī)、液力機(jī)械變速箱、走行系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、車體結(jié)構(gòu)、電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)、測量系統(tǒng)、車鉤緩沖裝置、作業(yè)裝置等做全面的調(diào)查，詳細(xì)記錄各主要配件的廠家、生產(chǎn)日期、配件型號、配件編號等基本信息，對于一些重要部件如發(fā)動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)向架、車軸齒輪箱、傳動(dòng)軸、搗固裝置、穩(wěn)定裝置等我們可以使用單獨(dú)的電子標(biāo)簽，可以就近貼在配件上。檢修和更換過的配件要記錄好檢修及更換的時(shí)間和檢修人員的信息。這樣在外施工當(dāng)大機(jī)發(fā)生相應(yīng)的故障時(shí)我們可以快速準(zhǔn)確地找到該配件的型號以便于現(xiàn)場的更換，沒有的配件也可以及時(shí)申報(bào)從而減少對施工的影響。基地總部也可以第一時(shí)間了解到故障情況，對于一些故障也可以加以指導(dǎo)。以后對事故的分析就可以詳細(xì)地了解到廠家、生產(chǎn)日期等信息，對于檢修和更換過的配件也可以查到更換的時(shí)間和檢修人員的信息。若是配件質(zhì)量問題材料部門就可以得到及時(shí)反饋，若是檢修問題也可以追究相關(guān)人員的責(zé)任。

在以后的檢修工作中我們也可以通過該系統(tǒng)查詢到大機(jī)的檢修信息，在大機(jī)的年修和全面修工作中我們就可以根據(jù)相應(yīng)信息有針對性地開展檢修工作。對于加快檢修進(jìn)度、提高檢修質(zhì)量有很大的幫助。系統(tǒng)工作流程見圖2。示。

圖2 系統(tǒng)工作流程

圖3 系統(tǒng)的總體框圖

2.2 系統(tǒng)功能需求

（1）能夠?qū)υO(shè)備電子標(biāo)簽可讀可寫。

（2）對大機(jī)設(shè)備進(jìn)行跟蹤管理，能實(shí)時(shí)查詢當(dāng)前設(shè)備狀態(tài)。

（3）加速設(shè)備信息流轉(zhuǎn)，提高設(shè)備管理準(zhǔn)確度。

（4）對設(shè)備進(jìn)行信息化管理，對出現(xiàn)故障的設(shè)備能夠及時(shí)更換。

（5）方便基地對設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一管理，合理分配使用設(shè)備。

（6）對大機(jī)設(shè)備進(jìn)行編號，每臺設(shè)備對應(yīng)唯一編號。

（7）對大機(jī)設(shè)備慣性故障進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，方便日后維修和更換。

3 系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

本系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)思路。即把要實(shí)現(xiàn)的功能劃分為一個(gè)個(gè)模塊，分別對每個(gè)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，僅為主控制器提供控制接口。這種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是相對簡化了主程序的設(shè)計(jì)，降低各個(gè)模塊之間的干擾，方便系統(tǒng)調(diào)試和故障排查，當(dāng)其中一個(gè)模塊出現(xiàn)故障不會(huì)影響其它模塊的工作，提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性。

系統(tǒng)主要由電子標(biāo)簽，手持讀卡器，GSM無線通信網(wǎng)絡(luò)和上位機(jī)服務(wù)器4個(gè)部分組成，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所

3.1 電子標(biāo)簽

電子標(biāo)簽貼在在大機(jī)的各個(gè)設(shè)備上，用于存放與設(shè)備相關(guān)的信息。

3.2 手持讀寫器

手持讀寫器部分主要由讀寫器模塊，主控制器（MCU），電源模塊和無線通信四個(gè)模塊構(gòu)成，以下就這四個(gè)模塊做出介紹。

（1）讀寫器模塊。讀寫器芯片可以選用飛利浦（NXP）公司的MFRC522芯片，它是工作在13.56 MHz高集成度的非接觸式射頻讀寫基站芯片。MFRC522芯片支持ISO 14443A和Mifare模式。內(nèi)置的發(fā)生器能夠驅(qū)動(dòng)天線，不需要任何額外的電路就能夠與支持ISO/IEC14443A的應(yīng)答器進(jìn)行通信。內(nèi)部的接收模塊提供強(qiáng)大解調(diào)機(jī)制，對來自應(yīng)答器信號進(jìn)行解調(diào)和解碼。數(shù)字模塊對數(shù)據(jù)幀的格式完整性和通信錯(cuò)誤進(jìn)行監(jiān)測。

讀寫器的主控制器芯片可以采用讀寫器模塊的控制器選用的是AT89C2051單片機(jī)，它與讀寫器芯片MFRC522僅需要少量的線路連接就能夠?qū)崿F(xiàn)讀寫器功能。

（2）主控制器。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心之一是微控制器（MCU），微控制器的選型直接關(guān)系到系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)的難易程度，功耗，體積和成本，也直接關(guān)系到與它進(jìn)行交互的其他外圍元器件的選型。微控制器主要完成是對與讀寫器模塊、無線通信模塊的控制和數(shù)據(jù)交換。由于需要與GSM網(wǎng)絡(luò)相連，因此需要選擇功能更為強(qiáng)大的嵌入式處理器，考慮選擇AT91RM9200處理器。

（3）無線通信模塊。無線收發(fā)芯片采用Chipcon公司的CC2430，CC2430是標(biāo)準(zhǔn)的2.4 GHz射頻芯片，其工作頻帶為免授權(quán)的2.4 G頻帶，數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)250 kbp/s，硬件支持CSMA/CA功能，內(nèi)部集成可用于實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)測距功能的數(shù)字RSSI模塊、電源監(jiān)控和信道變換等功能模塊，包含硬件MAC和CRC自動(dòng)校驗(yàn)處理，具有非常高的接收靈敏度。更值得關(guān)注的是，CC2430芯片自帶一個(gè)增強(qiáng)型的8051芯片，這樣就可以在設(shè)計(jì)中省去微控制器這一單元，大大降低了系統(tǒng)的體積和成本。

（4）電源電路。電源管理涉及到兩個(gè)方面，一是提高電源供給的效率，二是降低負(fù)載的功耗。提高電源供給的效率就是要選擇合適的變換電路。降低負(fù)載的功耗就是要選擇合適的系統(tǒng)電壓、合理的電路結(jié)構(gòu)和低功耗的元器件。

3.3 GSM網(wǎng)絡(luò)

GSM無線通信采用可供二次開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)的GSM模塊FALCOM A2D，它具備GSM無線通信的全部功能，并提供標(biāo)準(zhǔn)的UART串行接口，可與AT91RM9200直接進(jìn)行連接，同時(shí)它還支持GSM07.05所定義的AT命令集的指令。可以使用AT命令很方便地實(shí)現(xiàn)信息的收發(fā)、查詢和管理。手持讀卡器可以通過GSM模塊實(shí)時(shí)地將標(biāo)簽卡的信息通過GSM網(wǎng)絡(luò)上傳至上位機(jī)服務(wù)器中。上位機(jī)服務(wù)器采用數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。

4 系統(tǒng)的軟件構(gòu)成

本系統(tǒng)采用B/S構(gòu)架，以O(shè)racle 10g作為后臺數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，使用Delphi7作為開發(fā)平臺。系統(tǒng)軟件是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵，直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)定與可擴(kuò)展等性能。系統(tǒng)軟件可以分為手持讀卡器軟件和上位機(jī)服務(wù)器軟件兩部分。

4.1 手持讀卡器軟件

圖4 手持讀卡器軟件結(jié)構(gòu)圖

手持讀卡器軟件可以分為兩層（如圖4所示）。底層為操作系統(tǒng)層,主要實(shí)現(xiàn)嵌入式Linux系統(tǒng)的構(gòu)建和各種設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的編寫,包括OLED模塊、USB、鍵盤等設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序；頂層為應(yīng)用程序?qū)?主要實(shí)現(xiàn)電子標(biāo)簽卡讀寫、鍵盤掃描、文件傳輸及電池電量檢測等功能。

4.2 上位機(jī)服務(wù)器軟件

主要是針對GSM通信來實(shí)現(xiàn)上位機(jī)的數(shù)據(jù)接收與存儲。將通過GSM模塊接收上來的數(shù)據(jù)存放在數(shù)據(jù)庫Oracle 10g中。Oracle 10g數(shù)據(jù)庫是企業(yè)級應(yīng)用的大型數(shù)據(jù)庫，穩(wěn)定、高效，安全系數(shù)高，工作人員可很方便地對其進(jìn)行操作[3]。充分利用了RFID技術(shù)其非接觸性，無需人工干預(yù)就能夠準(zhǔn)確、及時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識別的優(yōu)勢，提高的系統(tǒng)的可靠性，省去了大量的布線，提高了數(shù)據(jù)傳輸效率。對于大機(jī)的用管修有很大的幫助，勢必在我國鐵路運(yùn)輸發(fā)展中得到廣泛應(yīng)用。

5 結(jié)束語

本文研究了RFID技術(shù)在鐵路大型養(yǎng)路機(jī)械設(shè)備管理信息系統(tǒng)中的應(yīng)用，

[1]郎為民．《射頻識別技術(shù)原理與應(yīng)用》．機(jī)械工業(yè)出版社，2006(6)．

[2]羅風(fēng)．RFID在供應(yīng)鏈物流管理中的應(yīng)用研究［D］．西南交通大學(xué)，2009．

[3]劉辰．《ORACLE數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)管理與應(yīng)用》．人民郵電出版社，1999．

責(zé)任編輯：王華 王輝

來稿日期：2013-04-17