基于RFID 的鐵路巡檢人員定位系統研究

齊迪，郭俊宇，楊一琛

（1.大連科技學院電氣工程學院，遼寧大連 116052；2.大連交通大學自動化與電氣工程學院，遼寧大連 116028）

隨著鐵路事業的飛速發展，列車運量不斷增加，高效開展列車檢修工作是十分重要的。然而，傳統的人員管理模式不能準確定位檢修人員的位置，當列車設備發生故障時，無法快速對檢修人員進行合理的調配[1-4]。在此背景下，設計了一種基于RFID 無線射頻技術的鐵路列車檢修人員定位裝置。系統通過RFID 模塊中的射頻芯片收發電子標簽的數據信息，由STM32F103C8T6 構成的控制核心根據TOA 定位算法計算出標簽的位置信息，利用均值濾波算法進行位置信息的校正處理，采用無線通信GPRS 模塊將巡檢人員的位置信息實時傳送到調度中心。相較于傳統的巡檢工作人員定位手段，具有實時性強、靈活性強、穩定性高等優點[5-10]。

1 系統結構及原理

系統總體框圖如圖1 所示。監測系統采用STM 32F103C8T6 作為微控制器模塊的控制核心，通過基于nRF24LE1 芯片的RFID 模塊完成對電子標簽數據的收發，采用UART 與高速SPI 接口作為通信方式進行數值的傳輸，實現STM32 控制板對電子標簽的控制，在微控制器模塊中通過TOA 定位算法進行檢修人員標簽的定位。同時利用均值濾波算法對TOA 定位算法進行修正，有效的提高了檢修人員電子標簽的定位精度。采用基于SIM300 芯片的無線通信GPRS 模塊實現和地鐵調度中心的通信，并通過RS232 實現主控模塊和GPRS 無線通信模塊的工業級別通信[11-14]。

圖1 系統總體框圖

2 定位系統硬件設計

下位機中的主板是以STM32F103C8T6 單片機為核心的一塊電路板，STM32F103C8T6 最小系統是一款32 位的微控制器，具有2 個12 bit ADC 采集通道，37 個通用I/O 口，4 個16 bit 通用定時器，可實現IIC、SPI、USART、CAN 類型的通信，系統時鐘最高可到72 MHz。

根據地鐵檢修人員的行動范圍，該系統采用了nRF24L01 型號的無線射頻收發芯片作為無線射頻模快的主芯片，此無線射頻收發芯片具有超高工作頻率，最高頻率可達13.56 MHz，在通信方面，采用與主機間連線較少的串行通信，即采用SPI 模式，便于縮小設備體積。系統以STM32F103C8T6 為控制核心，電子標簽發射電磁波，RFID 收發模塊通過單片機所給指令進行收發動作，基于nRF24L01 高速射頻收發芯片的無線射頻模塊設計電路如圖2 所示[15]。

圖2 nRF24L01無線射頻模塊電路

該系統采用GPRS 無線通信模塊，GPRS（General Packet Radio System）是介于第二代和第三代之間的一種通信技術,GPRS 不僅支持TCP 協議而且支持IP協議。GPRS 與其他工業級別的通信方式相比,具有通信距離遠、可選頻段多、結構小等特點。MC35i 是西門子推出的無線通信GPRS 模塊，該芯片因其具有穩定、快速、安全的性能，所以有較為廣泛的應用領域，能夠可靠地實現系統方案中的數據、短消息服務的傳真，具有始終在線的功能、通信傳輸時延較小。基于以上特點，在空曠鐵路環境中，該系統中的GPRS 無線通信模塊的通信芯片選用MC35i 通信芯片，通過RS232 與STM32 處理器實現數據鏈路。進而將巡檢工作人員身上的電子標簽數據信息傳遞給調度中心，基于MC35i 的GPRS 無線通信電路如圖3所示[16]。

圖3 基于MC35i的GPRS無線通信電路圖

3 定位系統軟件設計

定位系統的軟件設計在STM32CubeMx 與Keil的開發環境下，利用STM32 官方固件庫用標準C 語言編寫，軟件流程圖如圖4 所示。

圖4 nRF24L01收發數據的控制流程圖

無線射頻數據的傳輸是定位系統軟件設計中最為主要的部分。程序首先是對nRF24L01 進行初始化配置，該系統通過設置R 寄存器的輸出功率、工作頻率、自動重發功能、校驗碼長度等實現STM32對nRF24L01 收發數據的控制。

4 基于TOA的定位算法設計

實際工作環境中,地鐵檢修面積大，檢修人員活動范圍大，故采用TOA 到達時間定位算法[17]。

基于到達時間(TOA,Time of Arrival)的定位原理即是通過計算傳播信號在發射機與接收機之間的單向傳播時間長度，進而通過歐拉距離計算公式算出發射機與接收機之間的距離，再結合終端位置的計算方法，估計出目標節點的位置信息。但是，由于在真空中無線信號的傳播速度接近于光速，在不考慮誤差的理想情況下，在二維平面上只需要3 個基站即可以計算出目標位置，BS-1、BS-2、BS-3 分別表示鐵路某檢修段基站1、基站2、基站3，二維定位示意圖如圖5所示[18-23]。

圖5 基于TOA的二維定位示意圖

圖6 TOA定位算法步驟

實際工作環境中，地鐵檢修面積大，檢修人員活動范圍大，故采用TOA 定位算法。TOA 定位算法步驟如6 所示。

TOA 定位原理：測量待定位節點Source(x，y)與發送端BS(xi，yi)信號之間的到達時間，進而通過歐拉距離計算公式轉換為距離，從而進行定位[24]。3 個基站到Source 的距離分別為r1、r2、r3，以各自基站為圓心測量距離為半徑，繪制3 個圓，其交點即為Source的位置（圖5 中即是BS-1、S-2、BS-3 三點到中心的距離）。當3 個基站都是基站時，采用最小二乘(LS)算法計算Source 的估計位置。假設Source 的坐標為(x,y)，N個BS 的位置坐標為(xi,yi)，根據其幾何意義，則它們之間滿足的關系：假設無ni（測量噪聲），ri（基站到Source的測量距離），將i=1,…,N代入，即可得到下式：

圖7 TOA定位算法校正前后仿真圖

圖7 中TOA-1 代表原始TOA 定位情況，TOA-2代表進行均值濾波校正后的TOA 定位情況。

從圖中可以看出:

①隨著m的增加（巡檢人員運動范圍大），TOA-1和TOA-2 的均方根誤差（RMSE 用于衡量觀察值與實際值的偏差大小）在增大，觀測值與真實值之間的偏差逐漸變大。

②在測量噪聲標準差一定的條件下，可見TOA-1性能更加優于TOA-2。

5 結束語

該設計通過射頻模塊發出的識別信號，對佩戴具有電子標簽的安全帽或工作證的工作人員進行讀取信息，將讀取的數據信息傳輸給主控模塊，主控模塊對采集的定位信息進行處理，并利用GPRS 無線通信模塊將定位信息傳送給調度中心，實現檢修人員的精準定位。采用的RFID 定位技術能適應列車檢修區域的復雜環境，降低設備信號干擾造成的影響，具有很強的抗干擾能力。通過該技術能夠實時掌握檢修人員的位置信息，可以及時調配工作人員，實現人員的智能化管理，提高列車檢修效率，對鐵路列車的安全、穩定運行具有積極作用。