基于RFID技術的起重機械人機交互系統研究*

丁樹慶，任詩波

（南京市特種設備安全監督檢驗研究院，江蘇南京 210019）

0 引言

我國是一個制造業大國，作為制造業物料搬運重要設備的起重機械在造船、港口、冶金等行業有著廣泛的使用。特別是近年來，隨著我國國民經濟的快速發展和企業投資、搬遷加快，以及建筑市場不斷升溫回暖，起重機等機電類特種設備已連續5年以年增速超過兩位百分比的速率高速增長。與此同時，起重機械等特種設備的安全使用、管理和監察責任越來越重，發生起重機械安全事故的情況也屢見不鮮。各種原因引起的事故也時常發生，事故多是死亡或重傷，給社會造成較大的損失。

與發達國家相比，我國特種設備的事故發生率要較高，事故系統通常涉及四個要素，即：人、機、環境、管理。其中，人的不安全行為和機械的不安全狀態是事故的直接因素，生產環境的不良，將影響人的行為和對機械設備產生不良的作用，是構成事故的重要因素；而管理上的欠缺是事故發生的間接因素，對人、機、環境都會產生作用。有不少使用單位對特種設備的安全使用管理不重視，處于被動管理，造成安全隱患。

起重機事故關系國計民生、危害重大，目前眾多的起重機司機雖然有上崗證，由于缺少監督和復核手段，實際工作中違規嚴重。加強檢查和考核非常重要。造成起重機事故頻發的主要原因，一方面是由于起重機管理不到位，違章操作、違章超載等現象普遍存在；二是由于對起重機安全隱患不能夠及時發現，例如關鍵焊縫出現微裂、螺栓松動的情況下沒有及時發現，致使在起重機繼續使用過程中使潛在的缺陷進一步惡化，最終導致事故的發生。

1 人機交互控制過程

利用RFID 卡作為“人機交互”接口，起重機通過RFID 卡識別作業人員；作業人員刷卡控制起重機運行，實現“人機互認”識別。通過遠程起重機作業人員監管系統，對持證作業人員實行發卡認證管理[1]；同時可以在線授權起重機作業人員，實現每一臺起重機的工班管理。經過授權發卡的作業人員，可以通過刷卡解鎖控制起重機運行，對于未經授權的發卡作業人員，即使持卡也不能解鎖啟動起重機。

采用RFID 技術具有如下優勢：第一，可以標識每臺起重機和每個操作人員，真正做到一人一機；第二，可以非接觸式遠距離對物體進行識別，適應在起重機現場的惡劣工況，第三，可以存儲較大的信息，為系統功能完善奠定基礎；第四，RFID識別卡的信息可以隨時更新，可以有效實現授權發卡。

2 系統體系架構

“人機交互”識別系統主要由射頻識別終端和管理終端兩部分組成。識別終端由人員識別射頻卡、射頻讀卡器、無線發射模塊、行車開關控制裝置等部分組成。其中人員識別卡根據作業人員的工作職能不同寫入卡片不同信息，賦予作業人員不同控制起重機的權限。作業人員分操作人員、檢修人員和管理人員，作業人員解鎖運行起重機運行，點檢人員控制起重機后起重機處于檢修狀態，管理人員控制起重機后實施檢查。人機識別設備為一射頻讀卡器，采用了ARM7 處理器，行車開關控制裝置主要和起重機的行車開關串聯，保證了無刷卡的情況下，無法啟動起重機，實現了作業人員的身份識別及起重機作業管理，系統功能架構如圖1所示。

起重機的人員信息及作業信息通過無線傳輸模式發送到管理終端，信息存入管理終端的服務器中。管理人員可以通過服務器直接查看即時的作業信息及人員信息，完成相應的管理工作?；蛘咄ㄟ^電腦、移動終端等通過瀏覽器登陸系統服務器，查詢即時的作業信息及人員信息，完成相應的管理工作。

圖1 基于物聯網的起重機人機互認及監控系統功能架構

服務器可以實現對起重機械進行管理，包括設備信息管理、人員權限管理、檢驗報告管理、操作信息管理、作業記錄管理、違規記錄管理等管理項目。

系統基于RFID 技術，采用ISO18000-6C 協議，實現射頻識別，系統識別作業人員的身份信息，根據不同的權限完成不同的起重機作業。針對強干擾、高污染、粉塵等復雜工況，射頻識別卡采用聚氯乙稀材料所做的外殼進行封裝，這樣射頻識別卡的高頻損耗小、機械強度高、抗腐蝕性能好、防水性、密封性較好[2]。同時本設計中選用特制的FR4 印制板作為制作射頻天線的基板，板厚0.4 mm，天線偶極子的圖形是用傳統的腐蝕方法做出，并且芯片和天線可方便地焊接。這種方法生產工藝簡單，可靠性和一致性好，成本較低，提高了系統在復雜工控下的穩定性。

3 RFID射頻識別

RFID射頻識別終端硬件電路包括天線切換電路、射頻收發電路、數字信號處理電路、數據接口電路和電源電路等五個部分組成[3]。天線切換電路接收數字信號處理電路控制信號切換工作天線；射頻收發電路完成射頻信號調制/解調；數字信號處理電路是讀寫器的核心，完成信號編解碼、與上位機通信及讀寫器管理等功能；數據接口電路完成通訊信號的轉換；電源電路完成＋12VDC—＋5VDC轉換。本方案的特點是：解調后的兩路基帶信號直接送入ADC 轉換成數字信號，并作數字濾波、數字噪聲消除等數字信號處理。提高了信號處理的靈活性。如圖2所示。

圖2 射頻識別工作原理

圖3 射頻識別系統

圖4 射頻識別功率驅動電路

射頻識別終端硬件選用ARM為核心控制器，技術成熟，升級容易，系統可靠性高，實現了存儲管理、數據通訊、射頻識別等功能。圖3、圖4給出了射頻識別的協議電路及驅動電路，采用ADF7020 芯片作為系統射頻識別芯片，RF2173作為射頻識別驅動電路。實現主頻862 MHz～928 MHz的超高頻信號識別。Rfout為識別卡無線信號，在-50 dbm 左右，通過基于HS2812 的混頻電路，實現基帶放大，到200 mV，通過比較判決電路，實現ISO18000-6C協議的數據傳輸。

圖5 給出了射頻識別終端設備存儲電路，采用鐵電存儲器93C64，可以讀寫，存儲相關作業人員的信息，與識別卡的信息匹配，完成不同的作業。

4 無線數據通訊及組網

系統由發送模塊和接收模塊組成。采用C8051F930 為主控制器，無線收發模塊采用Si4432，其中發送模塊主要將要發送的數據經C8051F930 處理后，通過Si4432 發送出去；在接收模塊中，Si4432 則將數據正確接收后傳入主控系統中，從而實現短距離的無線通信。該系統實現了低功耗、小體積、高靈敏度條件下的200～1 000 m 高質量無線數據傳輸。

設計高效組網模式，實現對多臺起重機的集中監管，組網模式分三個層次，第一層次是每臺起重機安裝識別終端，第二層次在每個車間或工作區域建立一個匯集節點，對每個車間或工作區域的所有起重機通過無線方式進行統一監控，對每臺起重機械按照起重機的注冊代碼進行編號，根據編號對每臺起重機的識別卡進行了唯一性區分。

圖5 存儲電路

系統在工作的過程中，服務器通過輪詢法對多臺起重機進行管理，服務器每隔3s向管理的起重機進行呼叫，滿足呼叫條件的起重機射頻讀卡器的無線發射模塊響應，發送讀卡信息，不滿足呼叫條件的起重機的射頻讀卡器的無線發射模塊則不響應?？紤]到無線發射模塊的功率性能，服務器可以對1 000 m內的起重機實施監管，考慮無線模塊的響應時間（＜10 ms），服務器可以滿足對范圍內300 臺起重機的統一管理，實際上作業現場的起重機數量遠低于該數目，滿足了多臺起重機監管的功能。第三層次是匯集節點的聯網技術，每個匯集節點通過有線或無線方式聯網（考慮成本問題，采用有線聯網），實現全部起重機的安全監控。在網絡上，任何一個地方均可以訪問服務器，獲取監控狀態和數據。整個系統組網的運營費用較低，監控數據傳輸穩定。

5 無線通訊協議

無線通訊數據傳輸包括無線發射程序和無線接收程序，無線發送程序負責寫入數據載荷，并根據通信協議為數據載荷加上前導碼、同步字、數據載荷長度及CRC校驗字節，形成數據包將其發送出去；無線接收程序負責接收并檢驗數據包中的CRC字節，以確保接收到的數據的正確性。

圖6 所示數據包定義了無線收發模塊之間的通信協議。

圖6 無線通訊協議

數據包由5個部分組成：

BootCode：引導碼，1個字節，固定為40H；

Length：數據包有效長度，1個字節，該長度為后4 個部分的總字節數（定長17 字節命令參數時，Length為14H）；

Command：命令碼，1個字節；

Address：遠端PC地址，1～254，0 和255 為保留，地址暫時固定為01H；

Data：命令參數或返回狀態，其長度隨命令而變化，建議參數項目個數為定長17字節，不使用空間部分填充00H；

CheckSum：校驗和，1 個字節，為從引導碼（BootCode）開始到命令參數（Command Param）全部字節總和、丟棄進位后的字節補碼。

6 信息管理服務平臺

遠程服務器平臺軟件包括識別終端管理軟件、發卡管理軟件、作業授權管理、作業記錄管理、起重機信息管理等四個部分。識別終端管理軟件設定射頻讀寫器運行參數和功能演示。軟件通過RS232 口與讀寫器連接，對讀寫器進行參數設定，控制標簽讀寫等操作。

發卡管理軟件實現了起重機作業人員、點檢人員和管理人員的發卡管理，對于已經取得上崗證的實現一人一卡，持卡人員才具有控制起重機的權限。

作業授權管理實現系統監管的起重機的作業權限，通過作業授權模塊可以管理任意可操作起重機的作業人員和作業實現，只有經過授權的作業人員在授權的時間段內可以解鎖控制起重機的運行。

作業記錄管理有效記錄了起重機作業人員、點檢人員和管理人員的作業過程，包括作業記錄、點檢記錄和管理記錄。記錄起重機名稱、射頻卡的有效性、作業人員姓名、設備內部編號、上機時間、下機時間、操作時長等信息。作業記錄可以根據人員和設備進行檢索，方便管理人員進行查詢和管理。作業記錄保存作業人員操作起重機的過程，點檢記錄保存維修人員檢修起重機的過程，管理記錄記錄管理人員檢查設備的過程。

設備信息管理中可以查看設備的詳細信息，如設備名稱、注冊代碼、規格型號、設備使用地點等設備基本信息、額定起重量等設備技術參數以及設備的檢驗信息。

圖7 射頻識別人機交互管理界面

7 技術實現及應用

本文研究了基于RFID射頻識別技術的起重機械人機交互監控管理系統，通過RFID射頻識別卡存儲作業人員信息，實現作業人員身份認證管理；通過無線組網技術實現數據傳輸，遠程下載可解鎖運行起重機的作業人員信息。

如圖7 所示，作業人員對起重機進行操作時，射頻識別終端彈出提示信息，包括操作人員姓名、操作動作、操作設備等信息，同時所有操作記錄在終端的顯示屏上以列表的形式顯示出來，系統的使用可有效實現作業人員的動態管理和作業記錄的追溯管理，確保起重機在授權人員的控制下安全運行。將本文研究成果應用于某鋼廠起重機的管理中，管理人員可通過遠程計算機實現起重機的運行管理、點檢管理和檢查管理，有效地杜絕了起重機作業人員違規作業，保障起重機定期檢修和安全的有效檢查，提高起重機安全管理的效率。

［1］梁龍，崔婷，孟憲，等.基于MSP430 的無源RFID 考勤系統［J］.計算機系統應用，2012（9）：27-31.

［2］蘆東昕，李強，柳長安.基于ARM 的RFID 閱讀器設計［J］.微計算機信息，2006（29）：286-288.

［3］章峰勇.RFID電子標簽及其天線制造技術［J］.信息記錄材料，2008（6）：44-49.