鐵路大型養路機械設備管理信息系統研究與設計

戴 懋 夏瑞平 上海鐵路局上海大型養路機械運用檢修段

鐵路大型養路機械設備管理信息系統研究與設計

戴 懋 夏瑞平 上海鐵路局上海大型養路機械運用檢修段

針對鐵路大型養路機械作業地點分散、流動性強等特點，研究基于RFID技術鐵路大型養路機械設備管理信息系統，并著重介紹其工作流程、功能需求、軟硬件構成。

鐵路；大型養路機械；RFID；信息化

圖1 射頻識別系統的組成模塊圖

隨著鐵路信息化的不斷深入，鐵路工務信息化的改革勢在必行。目前我國鐵路路網規模不斷擴大，對運輸效率要求也在不斷提高，大型養路機械（以下簡稱大機）裝備的規模和作業范圍也在快速增長。而大型養路機械作業地點比較分散，流動性強，目前大機設備的信息采集和動態管理還是傳統的人工模式，效率低下，信息傳遞速度慢，不利于查詢和管理。為了提高大機設備管理的信息化水平，加強大機設備管理效率，加速信息流轉，本文研究了基于RFID的鐵路大型養路機械設備管理信息系統。

1 無線射頻識別（RFID）技術簡介

1.1 無線射頻系統的組成

RFID[1]（Radio Frequency Identification）射頻識別是一種非接觸式的自動識別技術，它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數據，識別工作無須人工干預，可工作于各種惡劣環境。

一個典型的射頻識別系統由讀寫器、射頻卡(也稱為電子標簽，應答器)和天線三部分組成。對于不同的應用目的和應用環境，就會組成不同的應用系統[2]。其組成如圖1所示。

1.2 射頻識別技術的工作原理

射頻識別系統的工作原理可以概括為以下幾點：

（1）讀寫器上電工作后，在一個區域內發出射頻信號，該區域的大小取決于發射功率、工作頻率和天線尺寸等因素。

（2）電子標簽進入該區域后，接收到讀寫器的射頻信號，其芯片內部的解調電路從該信號中解調出讀寫器發送的命令和數據并送到邏輯控制部分，完成數據存儲、發送或其他操作。

（3）如果需要發送數據，則電子標簽將數據調制后從收發模塊發送出去。

（4）讀寫器接收到返回的數據后，對其進行解碼以及錯誤校驗等操作來決定數據的有效性，然后進行處理，需要時可通過 RS-232，RS-485，USB 或者無線接口將數據傳輸到計算機。

2 系統功能分析

2.1 系統工作流程

大型養路機械工作地點分散，流動性強，不便集中管理，大機的設備狀態信息需要及時反饋到相關管理部門和人員。需要將設備的基本信息輸入到電子標簽中，每個設備對應一個編號，每臺大機都有專人配備讀寫器。當大機施工或保養結束時，設備狀態通過讀寫器，將大機設備的信息寫入到標簽中，大機工作人員也可以通過讀寫器了解到設備當前狀態。設備信息通過讀寫器和無線網絡，被傳送到上位機服務器，基地總部可以實時查詢和管理大機設備，及時了解到相關故障，以便于查詢和管理。

大機設備進入到單位檢修時，我們要對大機的動力傳動系統、柴油機、液力機械變速箱、走行系統、空調系統、車體結構、電氣系統、液壓系統、制動系統、氣動系統、測量系統、車鉤緩沖裝置、作業裝置等做全面的調查，詳細記錄各主要配件的廠家、生產日期、配件型號、配件編號等基本信息，對于一些重要部件如發動機、轉向架、車軸齒輪箱、傳動軸、搗固裝置、穩定裝置等我們可以使用單獨的電子標簽，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間和檢修人員的信息。這樣在外施工當大機發生相應的故障時我們可以快速準確地找到該配件的型號以便于現場的更換，沒有的配件也可以及時申報從而減少對施工的影響。基地總部也可以第一時間了解到故障情況，對于一些故障也可以加以指導。以后對事故的分析就可以詳細地了解到廠家、生產日期等信息，對于檢修和更換過的配件也可以查到更換的時間和檢修人員的信息。若是配件質量問題材料部門就可以得到及時反饋，若是檢修問題也可以追究相關人員的責任。

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

圖2 系統工作流程

圖3 系統的總體框圖

2.2 系統功能需求

（1）能夠對設備電子標簽可讀可寫。

（2）對大機設備進行跟蹤管理，能實時查詢當前設備狀態。

（3）加速設備信息流轉，提高設備管理準確度。

（4）對設備進行信息化管理，對出現故障的設備能夠及時更換。

（5）方便基地對設備進行統一管理，合理分配使用設備。

（6）對大機設備進行編號，每臺設備對應唯一編號。

（7）對大機設備慣性故障進行統計分析，方便日后維修和更換。

3 系統的硬件構成

本系統的總體設計采用模塊化設計思路。即把要實現的功能劃分為一個個模塊，分別對每個模塊進行設計，僅為主控制器提供控制接口。這種設計的優點是相對簡化了主程序的設計，降低各個模塊之間的干擾，方便系統調試和故障排查，當其中一個模塊出現故障不會影響其它模塊的工作，提高系統設計的可靠性。

系統主要由電子標簽，手持讀卡器，GSM無線通信網絡和上位機服務器4個部分組成，系統的結構框圖如圖3所

3.1 電子標簽

電子標簽貼在在大機的各個設備上，用于存放與設備相關的信息。

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模塊構成，以下就這四個模塊做出介紹。

（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。內置的發生器能夠驅動天線，不需要任何額外的電路就能夠與支持ISO/IEC14443A的應答器進行通信。內部的接收模塊提供強大解調機制，對來自應答器信號進行解調和解碼。數字模塊對數據幀的格式完整性和通信錯誤進行監測。

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，它與讀寫器芯片MFRC522僅需要少量的線路連接就能夠實現讀寫器功能。

（2）主控制器。系統設計的核心之一是微控制器（MCU），微控制器的選型直接關系到系統設計開發的難易程度，功耗，體積和成本，也直接關系到與它進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據交換。由于需要與GSM網絡相連，因此需要選擇功能更為強大的嵌入式處理器，考慮選擇AT91RM9200處理器。

（3）無線通信模塊。無線收發芯片采用Chipcon公司的CC2430，CC2430是標準的2.4 GHz射頻芯片，其工作頻帶為免授權的2.4 G頻帶，數據傳輸速率達250 kbp/s，硬件支持CSMA/CA功能，內部集成可用于實現節點測距功能的數字RSSI模塊、電源監控和信道變換等功能模塊，包含硬件MAC和CRC自動校驗處理，具有非常高的接收靈敏度。更值得關注的是，CC2430芯片自帶一個增強型的8051芯片，這樣就可以在設計中省去微控制器這一單元，大大降低了系統的體積和成本。

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

3.3 GSM網絡

GSM無線通信采用可供二次開發的標準的GSM模塊FALCOM A2D，它具備GSM無線通信的全部功能，并提供標準的UART串行接口，可與AT91RM9200直接進行連接，同時它還支持GSM07.05所定義的AT命令集的指令。可以使用AT命令很方便地實現信息的收發、查詢和管理。手持讀卡器可以通過GSM模塊實時地將標簽卡的信息通過GSM網絡上傳至上位機服務器中。上位機服務器采用數據庫對數據進行管理。

4 系統的軟件構成

本系統采用B/S構架，以Oracle 10g作為后臺數據庫服務器，使用Delphi7作為開發平臺。系統軟件是整個系統的關鍵，直接影響系統的穩定與可擴展等性能。系統軟件可以分為手持讀卡器軟件和上位機服務器軟件兩部分。

4.1 手持讀卡器軟件

圖4 手持讀卡器軟件結構圖

手持讀卡器軟件可以分為兩層（如圖4所示）。底層為操作系統層,主要實現嵌入式Linux系統的構建和各種設備驅動程序的編寫,包括OLED模塊、USB、鍵盤等設備驅動程序；頂層為應用程序層,主要實現電子標簽卡讀寫、鍵盤掃描、文件傳輸及電池電量檢測等功能。

4.2 上位機服務器軟件

主要是針對GSM通信來實現上位機的數據接收與存儲。將通過GSM模塊接收上來的數據存放在數據庫Oracle 10g中。Oracle 10g數據庫是企業級應用的大型數據庫，穩定、高效，安全系數高，工作人員可很方便地對其進行操作[3]。充分利用了RFID技術其非接觸性，無需人工干預就能夠準確、及時實現自動識別的優勢，提高的系統的可靠性，省去了大量的布線，提高了數據傳輸效率。對于大機的用管修有很大的幫助，勢必在我國鐵路運輸發展中得到廣泛應用。

5 結束語

本文研究了RFID技術在鐵路大型養路機械設備管理信息系統中的應用，

[1]郎為民．《射頻識別技術原理與應用》．機械工業出版社，2006(6)．

[2]羅風．RFID在供應鏈物流管理中的應用研究［D］．西南交通大學，2009．

[3]劉辰．《ORACLE數據庫系統管理與應用》．人民郵電出版社，1999．

責任編輯：王華 王輝

來稿日期：2013-04-17