基于RFID的變電站便攜式智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳 丹， 葉飛躍， 柳益君， 趙小榮

(江蘇理工學(xué)院 計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，常州市云計(jì)算與智能信息處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 常州 213001)

0 引 言

隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，電力生產(chǎn)管理逐步走向智能化、集約化，一個(gè)運(yùn)檢中心通常需要管理十幾至上百座變電站。變電站是電力網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)，變電站的智能化運(yùn)行是實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)之一[1]。為了對(duì)設(shè)備實(shí)行分區(qū)管理進(jìn)而保障生產(chǎn)安全，產(chǎn)生了各種門鎖及設(shè)備鎖，需要進(jìn)行日常巡視、倒閘操作、檢修操作和設(shè)備消缺等現(xiàn)場作業(yè)。在進(jìn)行各種生產(chǎn)操作時(shí)，需根據(jù)工作需要選用相應(yīng)的鑰匙進(jìn)行開鎖操作。但是，往往因?yàn)殍€匙類型繁多，嚴(yán)重影響操作效率，甚至出現(xiàn)工作人員誤入帶電設(shè)備間的重大事故。為了加強(qiáng)變電安全運(yùn)行管理，防止誤操作事故發(fā)生，居民小區(qū)變電站便攜式智能控制系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，協(xié)助工作人員對(duì)變電站進(jìn)行安全管理，提高工作效率[2-3]。

無線射頻識(shí)別(Radio Frequency Identification,RFID)技術(shù)已在智能檔案管理[4]、智能購物管理[5]、圖書智能定位[6]、智能門禁系統(tǒng)[7]等諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。為了滿足居民生活小區(qū)日益增長的電力需求，有效防止和減少人為誤操作的發(fā)生，提高運(yùn)行電網(wǎng)的可靠性，本文基于RFID技術(shù)設(shè)計(jì)了一種專門用于居民小區(qū)變電站自動(dòng)解閉鎖操作的便攜式智能控制系統(tǒng)，即智能鑰匙重點(diǎn)闡述了系統(tǒng)硬件組成和軟件設(shè)計(jì)方案。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)硬件組成結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的變電站智能控制系統(tǒng)，即智能鑰匙，屬于手持移動(dòng)設(shè)備，對(duì)功耗有嚴(yán)格的要求，同時(shí)系統(tǒng)內(nèi)部微控制器與外部模塊通過多種總線進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，因此該系統(tǒng)硬件主要由主控電路、OLED顯示接口電路、射頻信號(hào)識(shí)別電路、電源電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、鍵盤輸入等模塊構(gòu)成。主控電路模塊是系統(tǒng)硬件的核心部分，由STM32F103VET6及其外圍接口電路組成，主要任務(wù)是完成數(shù)據(jù)的處理和傳輸工作。射頻信號(hào)識(shí)別電路模塊EM4095采集的信號(hào)，經(jīng)過處理器兩次轉(zhuǎn)換和處理后由OLED顯示器實(shí)時(shí)顯示出來。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊采用E2PROM芯片AT24C64存儲(chǔ)智能控制系統(tǒng)的工作狀況，并采用存儲(chǔ)容量大的SD卡存儲(chǔ)讀取射頻標(biāo)簽數(shù)據(jù)和顯示的GBK字庫等數(shù)據(jù)。

根據(jù)居民小區(qū)變電站設(shè)備數(shù)量多、價(jià)值相對(duì)較高的特點(diǎn)，變電站智能控制系統(tǒng)硬件的總體設(shè)計(jì)應(yīng)主要考慮四個(gè)因素：便攜化、可靠性、存儲(chǔ)量、擴(kuò)展性。因此，設(shè)計(jì)如圖1所示的變電站智能控制系統(tǒng)硬件組成結(jié)構(gòu)。

圖1 系統(tǒng)硬件組成結(jié)構(gòu)圖

1.2 主控電路模塊及其外圍接口

ARM是嵌入式系統(tǒng)最主要的硬件體系架構(gòu)，自從推出開放式IP核以來，與片上集成思想相對(duì)應(yīng)，基于ARM的嵌入式應(yīng)用逐漸取得優(yōu)勢(shì)地位[8-9]。STMicroelectronics的STM32系列是一種為嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的ARM Cortex-M3內(nèi)核，應(yīng)用廣泛，具有高性能、大存儲(chǔ)空間、低成本、低功耗的特點(diǎn)[10-12]。按性能可以分成兩個(gè)不同的系列：增強(qiáng)型STM32F103系列和基本型STM32F101系列。居民小區(qū)變電站便攜式智能控制系統(tǒng)采用STM32的增強(qiáng)型STM32F103VET6作為主控電路，它的時(shí)鐘頻率為72 MHz，從閃存執(zhí)行代碼；數(shù)據(jù)總線寬度32 bit，數(shù)據(jù)ROM的大小為64 KB；它能實(shí)現(xiàn)高端運(yùn)算，內(nèi)嵌512 KB的FLASH程序存儲(chǔ)器，支持豐富的外設(shè)和通信總線，具備I2C總線接口、SPI總線接口、USART串行接口以及USB總線、I/O接口等功能。

STM32F103VET6調(diào)試接口見圖2。主控電路模塊采用4線SPI總線方式與射頻識(shí)別電路EM4095連接，如STM32F103VET6的26、27腳分別與EM4095的13、14腳相連來完成兩者連接；采用I2C總線方式與存儲(chǔ)模塊AT24C64進(jìn)行通信；采用SPI總線方式和SD卡進(jìn)行通信；采用I/O接口與顯示模塊和鍵盤連接，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的顯示輸出和按鍵輸入；STM32F103VET6內(nèi)部集成高速USB總線，采用USB總線實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的高速有線通信；采用USART串口實(shí)現(xiàn)程序的燒寫和調(diào)試，使用更方便。

圖2 STM32F103VET6調(diào)試接口圖

1.3 OLED顯示接口電路模塊

在智能控制系統(tǒng)運(yùn)行過程中，系統(tǒng)要向射頻標(biāo)簽發(fā)送數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和與上位機(jī)的數(shù)據(jù)通信。這就要求系統(tǒng)能夠輸入數(shù)據(jù)和控制信息，并且直觀及時(shí)地顯示出來。此外，系統(tǒng)外形上要求做到既具備便攜、手持、小巧的特點(diǎn)，又要具有智能人機(jī)界面。系統(tǒng)采用0.96′的有機(jī)發(fā)光顯示OLED顯示屏來顯示人機(jī)界面。有機(jī)發(fā)光顯示支持觸摸屏和鍵盤兩種方式的輸入，其中觸摸屏主要用于輸入控制信息，鍵盤主要用于輸入數(shù)據(jù)。

OLED顯示模塊包括負(fù)責(zé)輸出的行和列驅(qū)動(dòng)器。系統(tǒng)采用的顯示屏為64行、128列，使用1片有64行和2片64列輸出列的驅(qū)動(dòng)器。行驅(qū)動(dòng)器與主控電路STM32F103VET6沒有直接關(guān)聯(lián)，只需提供電源就能產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)和同步信號(hào)。STM32F103VET6和OLED的連接采用普通I/O口連接，用PC0～PC7當(dāng)數(shù)據(jù)總線，其他口線用作控制口。列驅(qū)動(dòng)器內(nèi)置顯示存儲(chǔ)器，其數(shù)據(jù)作為圖形顯示的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

1.4 射頻信號(hào)識(shí)別電路模塊

RFID技術(shù)是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)[13,14]，主要由射頻標(biāo)簽(tag)、閱讀器(reader)以及天線(antenna)3個(gè)部分組成。智能控制系統(tǒng)的作用在于接受主系統(tǒng)的RFID電子標(biāo)簽，并在系統(tǒng)里內(nèi)置一個(gè)閱讀器，通過RFID的電子編碼解碼和原有鎖具的機(jī)械閉鎖來實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的控制，其中射頻標(biāo)簽基于ISO/IEC15693協(xié)議，工作頻率為125 kHz只讀被動(dòng)式無源標(biāo)簽，設(shè)計(jì)成圓形紐扣形狀，直徑約14 mm，主要由感應(yīng)線圈、只讀存儲(chǔ)器、射頻收發(fā)以及相關(guān)電路組成，射頻標(biāo)簽被嵌在變電站內(nèi)各個(gè)設(shè)備門的鎖具芯內(nèi)。智能控制系統(tǒng)的作用在于接收上位機(jī)的指令，能夠依據(jù)設(shè)備運(yùn)行狀況，解除設(shè)備操作閉鎖并允許操作人員進(jìn)行倒閘操作，保證操作人員準(zhǔn)確無誤地操作變電站設(shè)備，并將操作設(shè)備的重要信息返回給上位機(jī)。

RFID射頻識(shí)別技術(shù)可通過無線電信號(hào)識(shí)別特定目標(biāo)并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)。供電系統(tǒng)中的門鎖及設(shè)備鎖統(tǒng)一采用帶有電子標(biāo)簽的鎖芯，智能控制系統(tǒng)內(nèi)有RFID射頻信號(hào)識(shí)別芯片組成的電路來讀取該門鎖何時(shí)被授權(quán)，該鑰匙能否開啟此門鎖。

射頻基站芯片選用EM4095，其原理圖見圖3。DEMOD_OUT引腳為AM解調(diào)信號(hào)的輸出端；MOD為調(diào)制控制端，低電平時(shí)沒有調(diào)制，高電平時(shí)100%調(diào)制；RDY/CLK輸出端具有多個(gè)功能指示作用，或作為發(fā)送已準(zhǔn)備好指示，或作為接收同步時(shí)鐘信號(hào)輸出指示。當(dāng)芯片內(nèi)部鎖相環(huán)工作建立，接收電路開始工作時(shí)，RDY/CLK端會(huì)輸出連續(xù)的與DEMOD_OUT端數(shù)據(jù)信號(hào)同步的時(shí)鐘信號(hào)；SHD為高電平時(shí)，EM4095進(jìn)入睡眠省電模式，RDY/CLK也被置為低電平。

圖3 EM4095原理圖

EM4095具有產(chǎn)生載波與AM調(diào)制解調(diào)的功能，閱讀器數(shù)據(jù)發(fā)送編碼與數(shù)據(jù)接收解碼由主控電路STM32F103VET6來完成。

1.5 電源電路模塊

智能控制系統(tǒng)屬于手持設(shè)備，需要提供移動(dòng)電源。本設(shè)計(jì)采用鋰電池供電，內(nèi)部提供充放電保護(hù)電路。充電口為USB充電，OLED顯示充電狀態(tài)、電池電量等參數(shù)。充電芯片采用CN3063，充放電保護(hù)電路采用經(jīng)典電路DW01+8205A。電路還需要提供5 V給OLED和EM4095供電，+3.3 V給STM32F103VET6供電。升壓芯片采用MAX1687，穩(wěn)壓電源芯片采用TPS7333Q。

1.6 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

智能控制系統(tǒng)的工作狀況、顯示信息以及大量射頻識(shí)別數(shù)據(jù)都需要存儲(chǔ)。STM32F103VET6完成內(nèi)部信息存儲(chǔ)，同時(shí)采用EEPROM芯片AT24C64作為外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊。該芯片通過I2C總線與STM32F103VET6進(jìn)行高效通信，可以存儲(chǔ)64KB數(shù)據(jù)，有效地解決了系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的要求。

此外，本系統(tǒng)采用了SD卡存儲(chǔ)漢字字庫和射頻識(shí)別卡中讀取的數(shù)據(jù)。SD卡具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1) SD卡體積小、容量大，可以便捷地從智能控制系統(tǒng)中取出，廣泛應(yīng)用于移動(dòng)設(shè)備；

(2) SD卡能夠?qū)崿F(xiàn)智能控制系統(tǒng)和上位機(jī)的數(shù)據(jù)交換，可以使用上位機(jī)的通用讀卡器對(duì)其進(jìn)行讀寫；

(3) SD卡通過SPI總線與STM32F103VET6進(jìn)行通信，傳輸數(shù)據(jù)達(dá)到2 MB/s，可以滿足系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速率的要求。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件設(shè)計(jì)思路

基于嵌入式技術(shù)的智能控制系統(tǒng)軟件主要由底層、中間層和頂層3層構(gòu)成。底層由μC/OS-Ⅱ內(nèi)核和驅(qū)動(dòng)程序構(gòu)成，μC/OS-Ⅱ是一種開源實(shí)時(shí)系統(tǒng)內(nèi)核，其設(shè)計(jì)簡潔高效，適用于對(duì)安全性要求較高的系統(tǒng)[15,16]，驅(qū)動(dòng)程序主要提供對(duì)各種接口硬件的支持；中間層是嵌入式μC/GUI庫，它優(yōu)化了各種圖形操作[17]，程序運(yùn)行時(shí)能夠減少CPU負(fù)擔(dān)，可擴(kuò)展，可升級(jí)；頂層是系統(tǒng)應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)智能控制系統(tǒng)具體功能的應(yīng)用集合。

為了降低開發(fā)成本和周期，本設(shè)計(jì)針對(duì)居民小區(qū)變電站的智能控制系統(tǒng)，采用了性價(jià)比較高的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ。根據(jù)系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境RealView MDK-ARM 4.20提供的編譯器以及STM32的硬件平臺(tái)，根據(jù)開發(fā)需要，在移植μC/OS-Ⅱ中重新修改了其中部分文件，主要有：OS_CPU.H，OS_CPU_C.C，OS_CPU_A.ASM以及相關(guān)的配置文件。μC/GUI是基于μC/OS-Ⅱ嵌入式操作系統(tǒng)的可視化界面函數(shù)庫，為使用OLED圖形顯示的應(yīng)用提供高效的獨(dú)立于處理器及OLED控制器的圖形用戶接口。

為了縮短系統(tǒng)的讀卡響應(yīng)時(shí)間，將整個(gè)軟件系統(tǒng)按功能主要設(shè)計(jì)為電機(jī)驅(qū)動(dòng)、射頻處理、界面顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等模塊。

2.2 程序設(shè)計(jì)

居民小區(qū)變電站智能控制系統(tǒng)終端軟件用C語言在KeiluVision4.0編譯環(huán)境下編寫的，系統(tǒng)終端軟件主程序流程圖見圖4。

圖4 系統(tǒng)終端軟件主程序流程圖

居民小區(qū)變電站智能控制系統(tǒng)是由一顆400mah的鋰電池供電，在每個(gè)鎖的鎖頭上有一個(gè)RFID芯片預(yù)埋，鎖頭為磁力鎖，里面有4顆彈子不規(guī)則排列。在正常情況下彈子排列不規(guī)則，鑰匙不能開鎖，當(dāng)鑰匙插進(jìn)鎖芯，由EM4095讀取相應(yīng)的鎖的ID卡號(hào)，并且與鑰匙內(nèi)授權(quán)內(nèi)容一致的，啟動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，將彈子排成一條直線，這時(shí)可以開鎖，要求鑰匙可以做到開鎖的次數(shù)越多越好。當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，實(shí)時(shí)時(shí)鐘初始化包括調(diào)用RTC初始化，設(shè)置RTC時(shí)鐘參數(shù)的函數(shù)，將已配置標(biāo)志寫入備份數(shù)據(jù)寄存器。實(shí)時(shí)時(shí)鐘初始化代碼如下。

void Clock_Init(void){

if(BKP_ReadBackupRegister(BKP_DR1) != 0xA5A5){

//判斷保存在備份寄存器的RTC標(biāo)志是否已經(jīng)被配置過

RTC_Config(); //RTC初始化

Time_Adjust(); //設(shè)置RTC時(shí)鐘參數(shù)

BKP_WriteBackupRegister(BKP_DR1,0xA5A5);//RTC設(shè)置后，將已配置標(biāo)志寫入備份數(shù)據(jù)寄存器

}

else{

if(RCC_GetFlagStatus(RCC_FLAG_PORRST) != RESET){ //檢查是否掉電重啟

…… //上電復(fù)位

}

else if(RCC_GetFlagStatus(RCC_FLAG_PINRST) != RESET){//檢查是否reset復(fù)位

…… //外部RST管腳復(fù)位

}

RTC_WaitForSynchro(); //等待RTC寄存器被同步

RTC_ITConfig(RTC_IT_SEC, ENABLE); //使能秒中斷

RTC_WaitForLastTask(); //等待寫入完成

}

RCC_ClearFlag(); //清除復(fù)位標(biāo)志

}

居民小區(qū)變電站智能控制系統(tǒng)是低功耗的，若鑰匙按鍵很長時(shí)間沒有觸動(dòng)，智能控制系統(tǒng)會(huì)按順序關(guān)閉背光，關(guān)閉升壓電路，最后關(guān)閉電源。關(guān)閉電源后鋰電池就不供電，直到下次再次開機(jī)。

3 系統(tǒng)測(cè)試

小區(qū)變電站便攜式智能控制系統(tǒng)實(shí)物圖見圖5。測(cè)試過程中，制作了居民小區(qū)變電站便攜式智能控制系統(tǒng)的PCB板，其主板尺寸大小約為160 mm×90 mm，可以滿足智能控制系統(tǒng)便攜小巧的要求。射頻標(biāo)簽符合ISO/IEC15693標(biāo)準(zhǔn)，通過STM32F103VET6的USART串口，利用ISP下載工具將原程序下載后，使用智能控制系統(tǒng)對(duì)射頻標(biāo)簽進(jìn)行讀寫，工作頻率為125 kHz，操作距離均不小于80 mm，讀寫、傳輸、顯示速度均達(dá)到使用需求。將讀卡得到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到SD卡中，通過USB總線返回傳送給上位機(jī)，卡號(hào)、數(shù)據(jù)等信息可以被上位機(jī)全部接收。測(cè)試結(jié)果表明，所開發(fā)的小區(qū)變電站便攜式智能控制系統(tǒng)能完全正常使用。

(a) 啟動(dòng)界面

圖5 小區(qū)變電站便攜式智能控制系統(tǒng)實(shí)物圖

4 結(jié) 語

本文從硬件組成和軟件設(shè)計(jì)出發(fā)，設(shè)計(jì)并開發(fā)了一款全新的居民小區(qū)變電站便攜式智能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)是一種用于門鎖控制的智能鑰匙，結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、維護(hù)方便，具有直觀的可視化界面，以及信息查詢與記憶功能。小區(qū)變電站門鎖系統(tǒng)與綜合監(jiān)控系統(tǒng)緊密結(jié)合，充分利用綜合功能和資源，提高了居民小區(qū)變電站門鎖系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，在電力安全管理和生產(chǎn)領(lǐng)域發(fā)揮了不可或缺的作用。

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