在建船舶员工安全监控系统设计

(威海职业学院 船舶工程系，山东 威海 264210)

现代船舶建造是资金、技术、劳动力密集型产业。船舶工业生产具有生产周期长、高处作业多、立体交叉作业多、大件吊装作业多、密闭舱室作业多、水上作业多等特点。建造员工的安全管理问题尤显突出。为此，利用HF高频RFID技术，建立船舶建造施工人员监控系统，以期提高船舶建造的安全管理水平。

1 员工安全监控系统结构简介

基于RFID技术的在建船舶员工安全监控系统的结构见图1。监控系统主要由主控系统、监控器终端组成。主控系统采用计算机，并连接GPRS无线模块。

图1 基于RDID技术的在建船舶施工人员监控系统结构

监控器终端放置于船舶建造的关键岗位，如：放置于在建船舶的舷梯入口。监控器终端通过RFID门型天线，读取置于施工人员安全帽上的电子标签信息，识别确认后可以通过安全门闸，并将检测信息通过GPRS无线模块传输到主控中心进行集中管理。

主控系统通过GPRS无线模块与外围监控器终端进行通信，监控器终端见图2。

图2 监控器终端结构示意

监控器终端采用STC89C52RD+处理器，并包含有RS232接口、SDRAM存储器、实时时钟电路、GPRS无线模块、HF频段RFID读写器、天线、以及其它控制电路等。

GPRS无线模块采用SIMCOM公司生产的SIM300模块。该模块与MCU间采用3.6 V电平的标准异步串行口协议进行通信。

由于船舶建造现场环境比较复杂，本系统设备工作环境比较恶劣，外界干扰较多，在硬件设计中，采用多种抗干扰措施，主要有：信号传输屏蔽、减少电源共模干扰、设备机壳屏蔽隔离、输入信号滤波、电路板合理分区等，同时考虑到信息传递距离较远，在软件设计中采取了数据重发机制和信号断点续传等技术，避免通信过程中信息丢失。为确保系统可靠工作，在结构设计上采取防水、防潮、防撞击等措施[1-2]。

2 安全监控系统设计

2.1 监控器终端处理器硬件设计

监控器终端的主控器采用STC89C54RD+单片机。STC89C52RC单片机工作电压5.5～3.4 V(5 V单片机)或3.8～2.0 V(3 V单片机)，最高频率时钟为80 MHz，flash存储器为8 kb，RAM为512 b，可反复擦写编程；工作温度范围是40～80 ℃，内置看门狗电路，内部电源供电系统、时钟电路和复位电路都经过特殊处理；“6时钟/机器周期”和“12时钟/机器周期”可在ISP编程时反复设置。其突出的优点是：性价比高，完全兼容ATMEL公司的51单片机，无法解密、低功耗、高速、高可靠、强抗静电、强抗干扰等。

综合考虑处理器、GPRS无线模块、RFID读写器部分，电源电路分别输出3.6 V、5 V、24 V。

2.2 GPRS无线模块通信网络硬件设计

GPRS无线模块采用SIMCOM公司生产的GPRS模块SIM300。此模块内嵌标准TCP/IP协议，接口采用TTL电平，外围具有A/D、SPI、音频、MIC接口等。

SIM300电源电压范围是3.4～4.5 V，低于3.4 V自动关闭模块，而且在进行TCP/IP传输时，消耗的功率很大。电源采用低压差可调稳压芯片MIC29302bu，可以提供3 A输出能力。SIM300模块需外置一个sim卡座，插入申请GPRS服务的手机卡；天线采用MM9329-2700B射频转接器和通用的棒形天线。

SIM300模块接口采用TTL电平，单片机采用串行通信方式控制SIM300模块。

2.3 RFID远距离读取器设计

RFID远距离读写器采用TI的TRF7960前端ASIC。TRF7960是德州仪器公司生产的一款高集成度的读写芯片，支持ISO/IEC14443(Type A和Type B)协议、ISO/IEC15693协议和Tag-it协议，工作频率为13.56 MHz。它内部集成调制、解调和解码电路，可直接驱动近操作距离的天线，其中调制电路可调制控制器发送来的命令和数据，并将其传送给射频系列电子标签；解调电路用于解调射频系列电子标签送来的调制信号，处理数据帧和进行错误检测。由于组件很少，读卡器IC耗电、占用的空间也很少，因此可以解决敏感度和噪声衰减问题。其他集成功能还包括故障检查、数据格式化、成帧以及适合多读卡器环境的防碰撞支持等。

TRF7960具有宽泛操作电压(2.7～5.5 V)，与微控制器之间通信使用8位并行或者串行( SPI)灵活的通信方式。本系统TRF7960的基本外围电路见图3。

图3 TRF7960外围基本电路

为实现远距离RFID电子标签识别的目的，除了采用不同的天线结构外，必须在射频ASIC与天线之间加入射频功率放大电路。本系统硬件设计见图4。功率放大电路由放大器输入端滤波匹配、射频放大、放大器输出滤波匹配、50 Ω天线接口等电路组成。射频功率放大电路设计为C类放大状态，中心频率为13.56 MHz，输出功率4 W。两级滤波匹配网络的Q值设定在4～8之间。

TRF7960在单片机的控制下，将命令信号通过天线发送给RFID电子标签，电子标签接收到命令信号后作出响应。响应信号被天线接收后，进入射频接收电路进行处理。发射的射频载波幅度非常大，而接收信号幅度是非常微弱的。为保证TRF7960能够有效接收电子标签返回的响应信号，系统采用ASIC外部电路实现解调功能，将解调的基带信号输入给TRF7960的RX_AM端。外部射频接收电路由接收输入匹配、衰减、检波器、无源带通滤波、射随器、4级有源滤波器等电路组成。射频接收电路见图5。

图4 射频功率放大电路

图5 射频接收电路

射频发射功率放大电路与射频接收电路采用大面积独立地线处理方式，分别在TRF7960芯片处通过磁珠与系统地线连接，以降低相互干扰。

3 系统软件设计

员工安全监控系统的程序包括：主控系统程序、监控器终端程序[3]。

3.1 主控系统程序设计

主控系统软件是由Visual Basic和数据库ACCESS共同编写的管理软件，主要实现在职员工信息登记、安全信息查询和数据打印、员工在岗信息等。通信流程见图6。

图6 主控系统通信流程

3.2 监控器终端程序设计

终端CPU控制TRF7960，按照ISO15693协议发送射频信号，经功率放大电路送至门型天线，处于天线电磁场范围的员工所附的电子标签响应，返回相关电子信息经接收电路送至TRF7960，经CPU变换为对应员工的编号、姓名、部门、工作岗位、安全等级等信息。此信息经无线模块发送到主控系统进行数据处理。终端程序的核心是对TRF7960进行读/写电子标签操作。CPU读/写1个Byte的C语言程序代码如下。

//从1个地址读出1个字节

uchar ReadSingle( unsigned char address) {

uchar buf;

P1= 0x00;

CLK=1;

P1= 0xff;

CLK=0;

address= (0x40|address) ;//地址，读单个

address = ( 0x5f & addr ess) ;//寄存器地址

P1= addr ess;//发送命令

CLK= 1;

CLK= 0;

CLK= 1; //当CLK为高电平时输出有效数据

buf = P1;

CLK= 0;

P1= 0x00;

P1| = 0x80;

CLK= 1;

P1= 0x00;

CLK= 0;

}

//向1个地址写入1个数据

void WriteSingle(unsigned char address，unsigned char data) {

P1= 0x00;

CLK=1;

P1= 0xFF;

CLK=0;

address = (0x1F&address) ;

//设置地址为非连续写register address

P1=address; //发送命令和数据

CLK=1;

CLK=0;

P1=data; //发送命令和数据

CLK=1;

CLK=0;

P1|=0x80;

CLK= 1;

P1= 0x00;

CLK= 0;

}

4 结论

本研究的创新点在于结合了RFID和GPRS技术的优点，在RFID 通信链路中使用了射频功率放大、预检波技术及加密算法，提高了数据通信的安全性，具有成本低、可靠性高、稳定性好等优点。根据上面所述工作原理及实施方案，很好地实现了系统的各项功能，各项指标达到设计的要求。若采用1对门型天线，电子标签的有效检测距离可达3 m 以上，有很广阔的应用前景。

[1] 李鹤鸣，王厚华.基于单片机的船舶设备信号采集及处理系统[J].船海工程,2007(6)：35-38.

[2] 吴红娉，杨 森.基于3G的无线视频监控传输系统的设计与应用[J].计算机时代,2011(9)：19-21.

[3] 潘丽丽，霍修坤，方荣富,等.基于无源标签的远距离射频识别系统[J].通信技术，2011(6)：102-104.