基于RFID的鐵包跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

尹勝 王彧

摘要：該文介紹了利用RFID技術(shù)建立鐵包跟蹤系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鐵包實(shí)時(shí)狀態(tài)的及時(shí)跟蹤，提高鐵包的使用率和企業(yè)生產(chǎn)效能。詳細(xì)給出了鐵包跟蹤系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)以及數(shù)據(jù)采集處理的設(shè)計(jì)方案，同時(shí)，描述了射頻識(shí)別讀寫(xiě)器與PLC控制器通信的設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞： RFID；鐵包跟蹤；定位

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）05-1126-03

鋼鐵企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)由于環(huán)境惡劣，一般的定位跟蹤技術(shù)難以滿足要求，如紅外和GPS定位技術(shù)，GPS定位跟蹤系統(tǒng)的建設(shè)成本及運(yùn)營(yíng)成本高，且在城市中受到極大的限制，而紅外定位由于高溫、多粉塵的工作環(huán)境，所以在鐵包跟蹤定位的應(yīng)用上也有一定的限制。以 RFID技術(shù)為核心的定位方法技術(shù)則具有能在雨、雪、高溫、多粉塵和強(qiáng)電干擾等惡劣環(huán)境下穩(wěn)定工作的適應(yīng)能力，具有很低的維修費(fèi)用和較長(zhǎng)的使用壽命，除了作為行、臺(tái)車定位之外，它還可以給出速度和方向等其他信息。

1 系統(tǒng)概述

鐵包跟蹤系統(tǒng)采用三層數(shù)據(jù)架構(gòu)模式，閱讀器、電子標(biāo)簽和測(cè)重傳感器構(gòu)成一級(jí)采集裝置，行臺(tái)車定位為二級(jí)采集平臺(tái)，三級(jí)為功能實(shí)現(xiàn)和綜合展示層，該層需要完成煉鐵MES、煉鋼MES、計(jì)量管理等系統(tǒng)的數(shù)據(jù)鏈接。采用RFID技術(shù)的定位系統(tǒng)主要由電子標(biāo)簽、閱讀器、天線組成。無(wú)源電子標(biāo)簽由耦合元件及芯片組成，每個(gè)標(biāo)簽具有唯一的電子編碼，附著在物體上標(biāo)識(shí)目標(biāo)對(duì)象。閱讀器控制射頻發(fā)射射頻信號(hào)，通過(guò)射頻收發(fā)器接收來(lái)自標(biāo)簽上的己編碼射頻信號(hào)，對(duì)標(biāo)簽的認(rèn)證識(shí)別信息進(jìn)行解碼并將其傳輸?shù)缴衔粰C(jī)以供處理。

圖1 鐵包跟蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1臺(tái)車定位

要跟蹤鐵包的工作軌跡，必須確定鐵包所在的臺(tái)車或行車位置。利用RFID技術(shù)對(duì)臺(tái)車的定位主要方法是：沿臺(tái)車的軌道按一定距離放置電子標(biāo)簽，對(duì)鋪設(shè)的電子標(biāo)簽設(shè)置唯一的編碼將其作為相對(duì)應(yīng)的位置作標(biāo)，用臺(tái)車上安裝的讀寫(xiě)器來(lái)識(shí)別和確定臺(tái)車的位置。當(dāng)臺(tái)車運(yùn)行在鋪設(shè)有電子標(biāo)簽的軌道上，經(jīng)過(guò)貼有電子標(biāo)簽的位置時(shí)，安裝在臺(tái)車上的RFID閱讀器將作為坐標(biāo)信息的采集裝置，讀出該位置上的電子標(biāo)簽的地址編碼，并采用無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)，將數(shù)據(jù)發(fā)送到車間指揮調(diào)度站。指揮調(diào)度站對(duì)接受的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，判斷鐵包的當(dāng)前操作狀態(tài)并錄入數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)通過(guò)數(shù)據(jù)服務(wù)器，可與其它相關(guān)部門(mén)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資源共享。臺(tái)車定位結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.2行車定位

對(duì)于行車定位的方法與臺(tái)車定位的方法類似，但由于行車有橫向和縱向兩種運(yùn)行方式，大車橫向移動(dòng)（X軸方向），小車縱向移動(dòng)（Y軸方向），故在各自的運(yùn)行軌道上按照臺(tái)車定位相同的方式放置電子標(biāo)簽，并將兩個(gè)閱讀器分別安裝在大車和小車上用于讀取各自對(duì)應(yīng)軌道上的電子標(biāo)簽。行車位置坐標(biāo)便由（X，Y）坐標(biāo)確定。由于鐵包運(yùn)向轉(zhuǎn)爐過(guò)程中，需要對(duì)鐵水進(jìn)行預(yù)處理如烘烤、脫硫等工序，所以在各個(gè)工序相對(duì)應(yīng)的行車軌道和跨間的位置放置電子標(biāo)簽，設(shè)置工位編碼位，確保對(duì)行車吊起鐵包時(shí)的位置進(jìn)行精確定位。同時(shí)，行車上安裝有重量傳感器，所以在向指揮調(diào)度工作站發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，通過(guò)PLC控制器將兩個(gè)閱讀器的位置坐標(biāo)信息和重量傳感器的信息封裝成數(shù)據(jù)包發(fā)送到工作站的調(diào)度系統(tǒng)中，為調(diào)度提供實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的信息。

圖3 行車定位結(jié)構(gòu)圖

2 數(shù)據(jù)采集設(shè)備工作原理

2.1設(shè)備選型

根據(jù)前面所提到的RFID技術(shù)在鐵包跟蹤系統(tǒng)中應(yīng)用的要求，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際環(huán)境，為了跟蹤的準(zhǔn)確性，電子標(biāo)簽之間安裝距離為25cm，故需要考慮到下面幾點(diǎn)。第一，要求讀寫(xiě)速度快，如行車的移動(dòng)速度一般為2m/s，在理想情況下閱讀器每秒讀取9個(gè)電子標(biāo)簽即可保證不漏讀，但實(shí)際場(chǎng)景中閱讀器向上級(jí)系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)中會(huì)出現(xiàn)延遲和丟包等情況，所以應(yīng)盡量提高讀取速度，即工作頻率盡量高；第二，防碰撞機(jī)制，防止閱讀器同時(shí)讀到多個(gè)標(biāo)簽而造成干擾；第三，可靠性高，閱讀器和電子標(biāo)簽?zāi)茉诟邷丨h(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行。

綜合以上因素，閱讀器采用的UHF頻段的915MHz為工作頻率，讀取速度為平均每單字（32bit）讀取時(shí)間為6ms。采用標(biāo)準(zhǔn)為ISO/IEC18000-6，通信模式為T(mén)YPE B，此標(biāo)準(zhǔn)的通信模式有相應(yīng)二進(jìn)制數(shù)防碰撞算法，可避免閱讀器同時(shí)讀取多個(gè)標(biāo)簽時(shí)造成響應(yīng)信息的混亂，提高系統(tǒng)的可靠性。并且在閱讀器上安裝增益天線，確保準(zhǔn)確讀到電子標(biāo)簽，閱讀距離設(shè)為0-50cm。閱讀器外殼采用PVC材料，電子標(biāo)簽采用無(wú)源型陶瓷電子標(biāo)簽，都有較好的防高溫輻射處理，適合鋼廠的高溫工作環(huán)境。

2.2系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集流程和信號(hào)傳輸

RFID閱讀器的數(shù)據(jù)采集流程如圖所示，當(dāng)閱讀器第一次采集到電子標(biāo)簽的信息后，再次發(fā)送讀取指令，用來(lái)驗(yàn)證當(dāng)前的讀取數(shù)據(jù)與上次數(shù)據(jù)是否匹配，若匹配成功則將采集數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)系統(tǒng)，若不成功再次重新采集數(shù)據(jù)。

RFID閱讀器利用RS-485與PLC控制器以自由口通信方式的進(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閱讀器的串口通信協(xié)議發(fā)送命令包和接收返回包。每次接收完一個(gè)返回包，進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)，判斷數(shù)據(jù)包是否有效，通過(guò)返回包的內(nèi)容判斷是否讀到標(biāo)簽，讀到的標(biāo)簽信息發(fā)送到緩存區(qū)并連同其它的行車信息一起發(fā)送至上位機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行處理。如此循環(huán)運(yùn)行，即完成了鐵包信息的實(shí)時(shí)采集。

圖5 信號(hào)傳輸結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)應(yīng)用

通過(guò)該系統(tǒng)可實(shí)時(shí)獲得煉鐵區(qū)域臺(tái)、行車和鐵水包的位置和操作狀態(tài)等重要信息。鐵廠L2級(jí)網(wǎng)段用戶按系統(tǒng)管理人員分配的操作權(quán)限，對(duì)鐵包跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的操作，通過(guò)鋼鐵廠的應(yīng)用發(fā)布平臺(tái)，將鐵包跟蹤的實(shí)時(shí)監(jiān)控畫(huà)面發(fā)布到L3級(jí)，供公司內(nèi)其他用戶查詢，了解鐵包的運(yùn)行狀況。其系統(tǒng)跟蹤界面如下圖5所示。

圖6 鐵包跟蹤系統(tǒng)界面圖

4 結(jié)束語(yǔ)

該鐵包跟蹤系統(tǒng)滿足了重慶某鋼鐵廠的生產(chǎn)和管理的需求，能及時(shí)掌握鐵包的實(shí)時(shí)狀態(tài)，提高了鐵包的使用效率，加快了生產(chǎn)節(jié)奏，為高效節(jié)能生產(chǎn)創(chuàng)造了效益，有效節(jié)約了大量人力使用，提高了數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，為公司取得了較大的經(jīng)濟(jì)效益。

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