基于RFID技術(shù)的智能安防閉鎖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳志明，李 澄，程華明，蔣 超，陸玉軍，官國飛

(江蘇方天電力技術(shù)有限公司，南京 211100)

0 引言

安防閉鎖系統(tǒng)中的閉鎖式保護(hù)是在安防設(shè)備出現(xiàn)異常時(shí)，能夠接收到故障保護(hù)信號，同時(shí)將系統(tǒng)閉鎖，以免發(fā)生意外事故。如果沒有接收對故障信息，則不執(zhí)行跳閘操作[1]。安防設(shè)備中閉鎖系統(tǒng)的控制及工作狀況直接關(guān)系到電力系統(tǒng)的安全，與人民的生活利益密切相關(guān)。在常規(guī)的安防系統(tǒng)中，安防閉鎖系統(tǒng)整個(gè)工作過程涉及到的部門較多，工作量大，現(xiàn)有的人工數(shù)據(jù)傳遞、控制方式和管理方式已經(jīng)不能適應(yīng)安防閉鎖系統(tǒng)工作的需求，存在諸多技術(shù)弊端，諸如：安全工器具丟失、盜竊等無法溯源，智能化程度低，控制中心無法及時(shí)收到底層設(shè)備信息等[2]。

因此，針對上述技術(shù)的不足，提出了RFID (radio frequency identification，射頻識別)的技術(shù)的概念，采用了電子標(biāo)簽識別方式，通過非接觸的方式，自動識別安防信息，從而智能化地獲取安防系統(tǒng)底層設(shè)備信息[3]。本研究將RFID技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能技術(shù)、自動化控制技術(shù)等融合在一起，實(shí)現(xiàn)了智能安防閉鎖系統(tǒng)的智能化、自動化物聯(lián)工作。

1 整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本研究的系統(tǒng)包括設(shè)備層、閉鎖硬件層、閉鎖工作層和管理層[4]，其總體架構(gòu)示意圖如圖1所示。與傳統(tǒng)技術(shù)中的安防閉鎖系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)利用了RFID射頻識別式智能鎖，實(shí)現(xiàn)無接觸式智能控制。 本系統(tǒng)還利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)安防設(shè)備的遠(yuǎn)程、在線、實(shí)時(shí)監(jiān)控，克服了常規(guī)技術(shù)中現(xiàn)場監(jiān)測的帶來的不便。

圖1 總體架構(gòu)示意圖

在設(shè)備層中，設(shè)置了大量的安防設(shè)備，安防設(shè)備設(shè)置有智能閉鎖單元，智能閉鎖單元連接有閉鎖控制單元和 RFID 射頻智能鎖，通過閉鎖控制單元對 RFID 射頻智能鎖的控制，實(shí)現(xiàn)安防閉鎖單元的智能化、無接觸控制[5]。在設(shè)備層中，還包含了各種類型的 RFID 傳感器，每個(gè) RFID 傳感器上的信息源具有一定的時(shí)效性，按照自身工作的頻率和周期，采集系統(tǒng)中的故障信息，不停地迭代計(jì)算從系統(tǒng)中獲取的故障數(shù)據(jù)信息。在閉鎖工作層中，還設(shè)置了支持 IEC 61850 通信協(xié)議的通訊模塊，該通訊模塊采用網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方式為光纖和無線混合的聯(lián)網(wǎng)方式，通信協(xié)議為 IEC 61850 協(xié)議，通過利用這種方式，能夠?qū)⑼ㄓ嵪到y(tǒng)組成環(huán)網(wǎng)，也可單獨(dú)接入到閉鎖硬件層的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中。通過上述通訊協(xié)議與互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，及時(shí)、有效、準(zhǔn)確地傳輸安防設(shè)備的信息[6]。

在閉鎖控制中，在電路中接入了RFID 射頻智能鎖，以實(shí)現(xiàn)故障數(shù)據(jù)的接收，這里用到了智能防誤裝置，該裝置連接有監(jiān)控裝置，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控智能防誤裝置的工作狀況，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程故障監(jiān)控，做到及時(shí)防誤操作。在工作時(shí)，可以將 RFID 射頻智能鎖控制單元通過電氣通訊接口與智能閉鎖控制單元連接，以構(gòu)成閉合回路，有利于用戶在遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)控制[7-8]。在配置RFID 射頻智能鎖時(shí)，也可以設(shè)置備份的手動設(shè)備，并對手動設(shè)備進(jìn)行強(qiáng)制性閉鎖，可以通過 RFID 射頻智能鎖采集手動設(shè)備上的實(shí)時(shí)狀態(tài)，并將該狀態(tài)傳遞到智能防誤裝置的中，也可以通過IEC 61850 通信協(xié)議將實(shí)時(shí)狀態(tài)傳遞給上層管理系統(tǒng)，為閉鎖系統(tǒng)的實(shí)時(shí)邏輯判斷分析提供數(shù)據(jù)依據(jù)[9]。隨著無人值守智能安防監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展，智能安防閉鎖系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了高度智能化和自動化，下面對其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行說明。

2 RFID射頻智能鎖

2.1 硬件設(shè)計(jì)

在本研究中的 RFID 射頻智能鎖中，其設(shè)置有控制單元MSP430F14、射頻收發(fā)芯片 nRF905等元件，但 RFID 工作的核心是其由標(biāo)簽、閱讀器、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)等部分組成，通過標(biāo)簽?zāi)軌虼鎯Υ罅康臄?shù)據(jù)，具有較好的加密功能，在電磁工作環(huán)境中具有較好的抗干擾能力，無需直接接觸即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊[10]。在本研究中，其技術(shù)原理如圖2所示。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在本研究中， RFID射頻智能鎖利用標(biāo)簽作為其存儲數(shù)據(jù)的介質(zhì)，標(biāo)簽在硬件結(jié)構(gòu)上包括存儲器、高頻接收/發(fā)送接口、微處理器等。標(biāo)簽的存儲功能通過存儲器完成，高頻接收/發(fā)送接口與閱讀器連接，并進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，通過微處理器能夠?qū)崿F(xiàn)信息的尋址，并對接收到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理[11]。閱讀器的高頻接口為 nRF905 射頻收發(fā)芯片，控制單元為 MSP430F14 控制單元，MSP430 系列單片機(jī)是由TI(Texas Instrum ents) 美國德州儀器公司) 開發(fā)的 16 位微處理器，其功耗很低，利用 MSP430F14 芯片能夠存儲信息并對射頻收發(fā)模塊、傳感器進(jìn)行控制和管理，比如讀取和顯示安防設(shè)備的電子標(biāo)簽的信息，與數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)進(jìn)行信息交換[12]。

在nRF905 射頻收發(fā)芯片內(nèi)部，其硬件結(jié)構(gòu)有頻率合成器、接收解調(diào)器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器。nRF905 射頻收發(fā)芯片的工作模式為 ShockBuist 方式，在工作過程中能夠自動處理字頭和 CRC，并且通過SPI接口與外界設(shè)備(比如微控制器)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信[13]。使用時(shí)，將標(biāo)簽粘貼在安防設(shè)備上，在標(biāo)簽內(nèi)則可以存儲安防設(shè)備閉合/開啟命令信息。閱讀器是寫/讀設(shè)備，用來讀取標(biāo)簽中的閉合/開啟命令信息并將該信息解碼后，送至數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)進(jìn)行處理。高頻接口負(fù)責(zé)發(fā)送和接受命令，控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各種命令控制[14]。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

開發(fā)調(diào)試環(huán)境使用 IA R 的Em bedded W orkbench W orkbench 支持多種微處理器。針對用戶特定的目標(biāo)系統(tǒng)[15]。用創(chuàng)建項(xiàng)目的方法進(jìn)行開發(fā)和管理。軟件設(shè)計(jì)首先要對硬件的連接進(jìn)行定義，包括配置和狀態(tài)口。其次就是對 RnF905 的讀寫、收發(fā)數(shù)據(jù)包和收發(fā)模式的定義，有了nRF905 的讀寫子程序。就可以很容易對 nRF905 進(jìn)行配置[16]。當(dāng)然F149 的串口初始化也是必不可少的具體軟件模塊如下：

MSP430F149初始化程序

vvoid Init403(void)

{

P3SE L= 0x00；

P3D IR 一= CSN + SCK；

P30 UT 一=CSN；

……

}

structRFConfig

{

uchar n;

uchar buf[10]

}

0,0x75,0xOE……

{

void Config 905(void)

{

uchar i；

P3OUT& =- CSN;

SpiWrite (WC)；

for(i=0；i

{

SpiWrite(RxTxConf.buf[i])；

}

P3OUT 一= CSN

}

RFID 射頻智能鎖在工作時(shí)，如果要實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽與閱讀器之間的數(shù)據(jù)交換，需要對閱讀器接收到的信息進(jìn)行編碼和調(diào)制，當(dāng)信息在編碼和調(diào)制完成后，將完成后的編碼信息通過數(shù)字通道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。在進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)制時(shí)，采用的方法有頻移鍵控(FSK)、振幅鍵控(ASK)及移相鍵(PSK)等，采用的數(shù)據(jù)通訊信息有TTF(Tag-talks first)以及 RTF(Reader-talks first)等。在采用 TTF 進(jìn)行信息調(diào)制時(shí)，標(biāo)簽反應(yīng)比較靈敏，一接收到命令，便立即開始動作，迅速做出動作。在采用 RTF 進(jìn)行調(diào)制時(shí)，標(biāo)簽的反應(yīng)時(shí)間沒有TTF 快，但是在信息交互時(shí)，能夠避免標(biāo)簽接發(fā)信息之間的互相干擾[17-18]。 在應(yīng)用時(shí)，用戶根據(jù)自己的需要進(jìn)行選擇即可。由于 RFID 技術(shù)均采用非接觸式的傳輸方式，因此，在數(shù)據(jù)的交互過程中，干擾性比較大，針對該問題，除了采用 RTF 技術(shù)進(jìn)行調(diào)制外，還可以通過奇偶檢驗(yàn)的方式來克服上述問題。更具體地說，將奇偶校驗(yàn)位進(jìn)行排列組合，直到發(fā)送到每個(gè)字節(jié)中為止。這種方法雖然在一定程度上能夠減少干擾因素，但是需要提前驗(yàn)證，從而保證了數(shù)據(jù)的安全傳輸。

數(shù)據(jù)在傳輸過程中也具有加密功能，閱讀器和標(biāo)簽?zāi)軌蚧?IEC9798-2 協(xié)議互相驗(yàn)證。在閱讀器向“查詢指令信息”發(fā)送給標(biāo)簽后[19]，標(biāo)簽將向閱讀器隨機(jī)傳遞數(shù)據(jù)，將該數(shù)據(jù)假設(shè)為 A，則閱讀器立刻生成隨機(jī)數(shù) B，為了信息交互的方便，將標(biāo)簽和閱讀器之間彼此的通訊秘鑰設(shè)置為相同。在信息交互過程中，識別秘鑰時(shí)，閱讀器利用識密算法能夠計(jì)算出加密數(shù)據(jù)塊，然后再將該加密數(shù)據(jù)塊傳遞到標(biāo)簽。標(biāo)簽在收到數(shù)據(jù)的同時(shí)，也收到了 Tokenl 破譯信息。當(dāng)確定接收到的破譯信息與自己本身設(shè)置的信息一致時(shí)，則可確定這兩個(gè)密鑰相符[20]，編碼信息如圖4所示。

圖3 RFID射頻智能鎖中常用的編碼

3 安防閉鎖控制

在智能安防閉鎖控制系統(tǒng)中，其設(shè)置有電子標(biāo)簽、自動識別裝置、數(shù)據(jù)中心服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和監(jiān)控計(jì)算機(jī)等。智能安防閉鎖控制系統(tǒng)如圖4所示，電子標(biāo)簽設(shè)置在RFID射頻智能鎖上，供智能防誤裝置進(jìn)行識別。 智能防誤裝置通過對RFID射頻智能鎖的電子標(biāo)簽信息和和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中存儲的標(biāo)準(zhǔn)信息進(jìn)行對比分析，判斷RFID射頻智能鎖的電子標(biāo)簽存儲的信息是否與數(shù)據(jù)中心服務(wù)器存儲的標(biāo)準(zhǔn)信息一致。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中存儲的標(biāo)準(zhǔn)信息是用戶提前在軟件系統(tǒng)中設(shè)置信息，該信息可以按照相關(guān)技術(shù)規(guī)范進(jìn)行制定[21]。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器通過上文介紹的IEC 61850 通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器內(nèi)，能夠即時(shí)生成各種需要的報(bào)表和警告。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器是互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)交換中轉(zhuǎn)站，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的傳遞和監(jiān)控，并且將數(shù)據(jù)庫服務(wù)器與互聯(lián)網(wǎng)相互隔開，避免監(jiān)控計(jì)算機(jī)被黑客或者是病毒破壞。監(jiān)控計(jì)算機(jī)是人際交互界面，工作人員通過監(jiān)控計(jì)算機(jī)，對服務(wù)器的數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、管理和監(jiān)控[22]。

圖4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在本研究中，通過閉鎖電路實(shí)現(xiàn)閉鎖控制和操作，其電路如圖5所示，該電路能夠接收故障信號，前端還設(shè)置有前端閉鎖信號接入口，該口與PWM脈沖電路的輸入端連接，閉鎖控制電路后端通過后級閉鎖信號連接有與門電路。

圖5 PWM閉鎖控制電路

當(dāng)RFID射頻智能鎖通過射頻發(fā)出故障信號時(shí)，通過兩路觸發(fā)器同時(shí)控制PWM脈沖的動作，一路后級閉鎖信號從輸出級關(guān)閉PWM脈沖，另一路的閉鎖信號從輸入級關(guān)閉PWM脈沖，大大提高了工作效率，最終實(shí)現(xiàn)閉鎖操作，增加了電路的可靠性。電路原理圖如圖6所示。

圖6 電路原理示意圖

在本電路設(shè)計(jì)中，閉鎖控制電路中具有多個(gè)D觸發(fā)器，在結(jié)構(gòu)布局上，D觸發(fā)器的復(fù)位輸出端與故障信號的輸入端連接，在多個(gè)輸入端處，還連接有后級閉鎖信號，其他的輸入端與前級閉鎖信號連接。PWM脈沖電路通過DSP電路與CPLD芯片連接，輸出的信號為PWM脈沖電流波，然后生成三電平PWM脈沖。 CPLD芯片對生成的D觸發(fā)器的時(shí)鐘信號進(jìn)行計(jì)算、判斷。在具體工作過程中，D觸發(fā)器包括多個(gè)類型，比如四D觸發(fā)器、六D觸發(fā)器等，在工作過程中可以選擇型號為SN74HC74的D觸發(fā)器。

那么如何實(shí)現(xiàn)故障信號的鎖存呢？在D觸發(fā)器SN74HC74內(nèi)通常設(shè)置有與非門電路，該電路中的兩個(gè)輸入端分別與兩個(gè)輸出端連接。該電路中還設(shè)置有時(shí)鐘端和數(shù)據(jù)端。在時(shí)鐘端時(shí)，如果其輸出為高電平，則接收到的信息會跟隨D端進(jìn)行動作。當(dāng)SN74HC74的D觸發(fā)器接收到的故障信號變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，則在較短的時(shí)間內(nèi)，對故障信號進(jìn)行鎖存[24]。 在后級硬件進(jìn)行閉鎖時(shí)，低電平信號I_OVER的輸出端與觸發(fā)器的RESET腳的輸入端連接，實(shí)現(xiàn)低電平信號的輸入, 此時(shí)，將信息輸出至CLOCK1輸入上升沿脈沖，在Q1引腳處，其輸出信息為低電平CLOSE信號，將該處的CLOSE信號進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的信號通過引腳CLOSE OUT輸出，該輸出信號輸入至與門的2腳，然后將CLOSE OUT的輸出信號與1腳的PWM脈沖進(jìn)行與門計(jì)算，計(jì)算后的信號輸出為低電平信號，此時(shí)，1腳的輸出信號不管為高電平還是低電平，3腳的輸出信號均輸出為低電平，在輸出信號結(jié)束后，將PWM脈沖信號關(guān)閉，繼而阻斷后級的PWM脈沖信號[23]。當(dāng)電路中出現(xiàn)過電流時(shí)，Q1腳輸出信號為低電平信號，此時(shí)，Q2腳為通路狀態(tài)，而Q3則為關(guān)閉狀態(tài)。PWM脈沖信號能夠?qū)⑤敵鲂盘栟D(zhuǎn)換為高電平信號，再經(jīng)過DSP處理單元處理、計(jì)算后，將高電平信號輸出中斷，這就實(shí)現(xiàn)了在輸入端處，阻斷PWM脈沖信號，當(dāng)RFID射頻智能鎖通過射頻發(fā)出故障信號時(shí)，RESET1將高電平信號轉(zhuǎn)換為低電平信號，此時(shí)，CLOCK1時(shí)鐘信號輸入到上升沿脈沖，觸發(fā)輸出端Q1和Q1非則出現(xiàn)電平翻轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了鎖閉操作[25]。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

上述系統(tǒng)通過在江蘇方天電力技術(shù)有限公司進(jìn)行試運(yùn)行，現(xiàn)在將本研究的技術(shù)與常規(guī)技術(shù)中采用RS232和RS485的方式進(jìn)行對比分析。其中構(gòu)建的模擬架構(gòu)圖如圖7所示。采用的服務(wù)器操作系統(tǒng)為 WindowsServer2015，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)軟件為 SQLServer2015, Web 服務(wù)器軟件為IIS6.0。

圖7 系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

試驗(yàn)時(shí)，分別將本研究的技術(shù)方案、RS232和RS485技術(shù)分別運(yùn)行24個(gè)小時(shí)，分別在響應(yīng)時(shí)間、計(jì)算速度和準(zhǔn)確度上進(jìn)行對比分析，在運(yùn)行24小時(shí)后，分別記錄每種技術(shù)的數(shù)據(jù)情況，基于篇幅的額現(xiàn)值，每種記錄5種數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)記錄表如表1所示。

通過上述試驗(yàn)可以看出，相對于RS232和RS485通訊，采用RFID射頻識別技術(shù)的響應(yīng)時(shí)間快，技術(shù)速度較快，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確率較高。通過半年時(shí)間的運(yùn)行，觀察系統(tǒng)的穩(wěn)定性情況下，如圖8所示。其中縱坐標(biāo)表示穩(wěn)定度，也叫誤差百分比。

其中穩(wěn)定度的計(jì)算公式是：

通過上述公式計(jì)算，再通過大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，統(tǒng)計(jì)出系統(tǒng)運(yùn)行半年時(shí)間的誤差數(shù)。通過試運(yùn)行，本研究的方法穩(wěn)定性較好，計(jì)算誤差小。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

圖8 穩(wěn)定性運(yùn)行示意圖

5 結(jié)束語

本研究基于RFID技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能技術(shù)、自動化控制技術(shù)設(shè)計(jì)出新型的智能安防閉鎖系統(tǒng)，通過非接觸式的方式，借助于RFID射頻智能鎖自動識別底層安防信息，自動獲取安防系統(tǒng)底層設(shè)備信息。通過對RFID射頻智能鎖進(jìn)行設(shè)計(jì)，從原理上和結(jié)構(gòu)上說明了采用RFID射頻智能鎖接收安防故障信息的原理，基于RFID技術(shù)，設(shè)計(jì)出智能安防閉鎖控制系統(tǒng)和控制電路，并說明了控制原理。本研究解決了傳統(tǒng)技術(shù)中存在的技術(shù)弊端，在一定程度上具有技術(shù)進(jìn)步性。安防閉鎖系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，RFID技術(shù)雖然反應(yīng)時(shí)間快，但是RFID視頻識別設(shè)備安裝位置不同，其具有的效果也不同，因此，在運(yùn)行過程中，仍舊存在很多技術(shù)問題，這需要進(jìn)一步的研究和探討，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，RFID技術(shù)必將面臨一個(gè)新的時(shí)代。