射頻識(shí)別數(shù)據(jù)在電力線中傳輸方式的研究

彭燦明

（羅定職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息系，廣東 羅定527200）

射頻識(shí)別技術(shù)（Radio Frequency Identification，RFID）在物流、物聯(lián)網(wǎng)方面有著重要的用途，目前并沒有得以廣泛應(yīng)用，其主要原因是RFID在電力線中的傳輸方式存在一定的問題［1－2］.

1 射頻識(shí)別信號(hào)在電力線中信息傳輸原理設(shè)計(jì)

射頻識(shí)別卡是將個(gè)人信息存儲(chǔ)在卡內(nèi)，使用時(shí)將卡片貼在刷卡機(jī)供其讀取.射頻識(shí)別卡在很多場(chǎng)合都有應(yīng)用，如食堂的飯卡、公交卡等.但如果將卡與刷卡機(jī)間隔有0.05m以上的距離，很容易出現(xiàn)讀卡信息失靈的現(xiàn)象.電力線傳輸?shù)木嚯x就大得多，因此可以在設(shè)備上裝載射頻識(shí)別儀器，將射頻識(shí)別儀器讀取的參數(shù)通過電力線傳輸就可以解決距離短的問題.借助電力網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)大型設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控.而很多重大型設(shè)備如醫(yī)院的CT、DR、MR、LX等醫(yī)療設(shè)備，以及煤礦開采中的鉆探機(jī)械設(shè)備等［3－4］，如果出現(xiàn)有人未經(jīng)允許私自挪為他用等違規(guī)行為，那么監(jiān)控這些設(shè)備，使之能被妥善管理，就顯得十分必要.

電力線已經(jīng)布局成一張電力網(wǎng)了，電力載波技術(shù)也已經(jīng)得到了研究應(yīng)用，射頻識(shí)別數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算機(jī)技術(shù)處理，將采集到的射頻識(shí)別信號(hào)轉(zhuǎn)換為電力線能識(shí)別的電力載波信號(hào)，經(jīng)電力線傳輸至計(jì)算機(jī)信息監(jiān)控端，就可以對(duì)醫(yī)療設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控管理了.其設(shè)計(jì)框架圖如圖1所示.

圖1 射頻識(shí)別信號(hào)在電力線中信息傳輸框架圖

圖中，單片機(jī)系統(tǒng)應(yīng)該具有將射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為電力線所識(shí)別的信號(hào)，同時(shí)也能將電力線上的有用信號(hào)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)監(jiān)控端能識(shí)別的信號(hào)的功能，因此單片機(jī)系統(tǒng)為射頻識(shí)別數(shù)據(jù)在電力線中傳輸方式的研究重點(diǎn)內(nèi)容.單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架如圖2所示.

圖2 單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)通信原理圖

單片機(jī)系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)單元、通信接口、微控制器、信號(hào)解調(diào)電路、電力線接口等部件構(gòu)成.現(xiàn)場(chǎng)單元能將射頻識(shí)別的RFID數(shù)據(jù)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換傳輸至通信接口，通信接口收到數(shù)據(jù)后根據(jù)微控制器的時(shí)鐘信號(hào)，對(duì)RFID數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制解調(diào)，將信號(hào)解碼成電力載波信號(hào)，再經(jīng)電力線的接口電路由電力線傳輸至微機(jī)監(jiān)控中心端.在微機(jī)監(jiān)控中心處有一套反解碼的設(shè)備，能將電力線上的電力載波信號(hào)經(jīng)信號(hào)解調(diào)和微控制器的解碼處理后，由通信接口，將信號(hào)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)據(jù)，傳輸?shù)接?jì)算機(jī)的監(jiān)控中心.微機(jī)監(jiān)控中心通過對(duì)所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，即可判斷出射頻識(shí)別端儀器的運(yùn)行狀況，從而達(dá)到監(jiān)控重大儀器的目的.

在大型設(shè)備身上裝有射頻識(shí)別儀器，利用該儀器監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，如是否開啟、是否發(fā)生移位、偏移距離是多少等參數(shù)；如果設(shè)備在運(yùn)行，則運(yùn)行的電壓、功率、電流、運(yùn)行時(shí)間、設(shè)備本身溫度、所處環(huán)境的壓力、濕度等環(huán)境等參數(shù).通過射頻識(shí)別設(shè)備上面的傳感器以及相關(guān)電子元器件，所感測(cè)得到的數(shù)據(jù)，利用電力載波技術(shù)，通過電力線傳輸至相應(yīng)接口電路設(shè)備中，最終傳輸至監(jiān)控中心的微機(jī)中.監(jiān)控人員通過計(jì)算機(jī)軟件，分析和處理微機(jī)中的數(shù)據(jù)，即可得知設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，達(dá)到監(jiān)控設(shè)備的目的.

監(jiān)控系統(tǒng)通過電力載波解決數(shù)據(jù)通信問題.三相電力線之間采用專用網(wǎng)橋，以解決三相之間和跨變壓器數(shù)據(jù)通信問題.這里采用低壓電力線載波通信方式.數(shù)據(jù)采集模塊解決設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)管理完成信息監(jiān)控和調(diào)度管理等.

數(shù)據(jù)由RFID系統(tǒng)采集經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)單元發(fā)出至通信接口模塊，存入微控制器處理中的一段緩沖區(qū)內(nèi)，再經(jīng)編碼處理后進(jìn)行通信調(diào)制，最后耦合到電力線上.在電力線的另一端，數(shù)據(jù)經(jīng)解耦后從電力線上接收下來再解調(diào)到微控制器中，最后經(jīng)通信接口到從通信設(shè)備中.在整個(gè)系統(tǒng)中，微控制器是系統(tǒng)的核心，其負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)中各任務(wù)的協(xié)調(diào)與調(diào)度［5］.電力線接口主要起耦合、隔離、濾波與保護(hù)的功能.

2 在重大設(shè)備監(jiān)控中的應(yīng)用

根據(jù)前面研究思路設(shè)計(jì)了一套針對(duì)重大設(shè)備的監(jiān)控系統(tǒng)，其設(shè)備本身的RFID數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)儀器設(shè)計(jì)如圖3所示.

圖3 設(shè)備自身的RFID數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)采集模塊框架圖

在重大設(shè)備儀器身上貼有RFID電子標(biāo)簽，該標(biāo)簽里面嵌有設(shè)備的型號(hào)、購(gòu)買時(shí)間、額度功率、使用環(huán)境、使用場(chǎng)所等重要參數(shù).該數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中，由控制器對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行控制，將這些數(shù)據(jù)利用RFID的線圈接口電路和無線收／發(fā)線圈等傳輸至RFID數(shù)據(jù)采集終端的無線收／發(fā)模塊中.通過線圈接收信號(hào)，可以將電子標(biāo)簽與RFID數(shù)據(jù)采集終端之間的距離間隔至20m的范圍，遠(yuǎn)大于先前普通射頻識(shí)別卡0.05m的有效距離.

RFID數(shù)據(jù)采集終端通過無線接收端接收到電子標(biāo)簽中的數(shù)據(jù)，傳輸給射頻芯片的控制器；控制器通過主控模塊來判斷分析所得數(shù)據(jù)，同時(shí)主控模塊也能向射頻芯片控制器發(fā)送指令，將指令中包含的信息通過無線收發(fā)線圈，將信號(hào)傳輸至電子標(biāo)簽的存儲(chǔ)器中.與主控模塊相連的還有液晶顯示屏和鍵盤操作模塊，以及信號(hào)調(diào)制模塊.液晶顯示屏是用于顯示相關(guān)參數(shù)的輸出端口，鍵盤操作模塊為用戶提供輸入端口，操控人員可以通過鍵盤往主控模塊中輸入數(shù)據(jù)，用以控制相關(guān)部件.信號(hào)調(diào)制模塊可以將主控模塊中的數(shù)據(jù)，經(jīng)過信號(hào)調(diào)制成二進(jìn)制數(shù)據(jù)，傳輸至單片機(jī)系統(tǒng)，再由單片機(jī)系統(tǒng)對(duì)信號(hào)進(jìn)行加工處理.

將圖3所設(shè)計(jì)的RFID數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)采集模塊裝載在某煤礦鉆機(jī)中.當(dāng)鉆機(jī)運(yùn)行時(shí)，數(shù)據(jù)被采集后經(jīng)單片機(jī)系統(tǒng)處理成電力載波信號(hào)，由電力線傳輸至地面的微機(jī)監(jiān)控中心，處在監(jiān)控中心的管理人員即能準(zhǔn)確掌握鉆機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)［6］.

3 結(jié)束語

以前對(duì)設(shè)備的監(jiān)控需要視頻技術(shù)，得重新安裝一套視頻監(jiān)控設(shè)備，且視頻網(wǎng)絡(luò)鋪設(shè)繁雜.通過改進(jìn)的射頻識(shí)別儀器，利用計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)，設(shè)計(jì)單片機(jī)通信系統(tǒng)，將射頻識(shí)別數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成電力載波信號(hào)，經(jīng)由電力線傳輸至計(jì)算機(jī)監(jiān)控中心，達(dá)到對(duì)重大設(shè)備的監(jiān)控，這解決了射頻識(shí)別與電力載波之間的數(shù)據(jù)傳輸問題，且為重大型設(shè)備的監(jiān)控提出了一種新的思路.利用電力導(dǎo)線的網(wǎng)絡(luò)來傳輸數(shù)據(jù)，節(jié)約了視頻網(wǎng)絡(luò)的鋪設(shè)費(fèi)用，且電力線鋪設(shè)方便、快捷，大大節(jié)省了人力、財(cái)力.

［1］彭燦明.基于傳感器和電力載波通訊的煤礦生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.煤炭工程，2012（12）：132－134.

［2］詹圣紅.電力線載波技術(shù)在設(shè)施監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用［D］.上海：上海交通大學(xué)，2008（22）：58－61.

［3］劉明周，王 強(qiáng)，葛茂根，等.基于射頻識(shí)別的裝配過程監(jiān)控體系研究［J］.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012（9）：45－47.

［4］吳麗萍.面向無線射頻識(shí)別技術(shù)的中量級(jí)加密通信協(xié)議［J］.杭州電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2012（1）：57－60.

［5］魏國(guó)珩，張煥國(guó).AES的輕量?jī)?yōu)化及其在射頻識(shí)別標(biāo)簽中的應(yīng)用［J］.武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（理學(xué)版），2012（6）：78－81.

［6］張兢，李成勇，王 猛.基于射頻識(shí)別技術(shù)的多目標(biāo)識(shí)別防碰撞算法［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)），2012（9）：58－61.