铁路大型养路机械设备管理信息系统研究与设计

戴 懋 夏瑞平 上海铁路局上海大型养路机械运用检修段

铁路大型养路机械设备管理信息系统研究与设计

戴 懋 夏瑞平 上海铁路局上海大型养路机械运用检修段

针对铁路大型养路机械作业地点分散、流动性强等特点，研究基于RFID技术铁路大型养路机械设备管理信息系统，并着重介绍其工作流程、功能需求、软硬件构成。

铁路；大型养路机械；RFID；信息化

图1 射频识别系统的组成模块图

随着铁路信息化的不断深入，铁路工务信息化的改革势在必行。目前我国铁路路网规模不断扩大，对运输效率要求也在不断提高，大型养路机械（以下简称大机）装备的规模和作业范围也在快速增长。而大型养路机械作业地点比较分散，流动性强，目前大机设备的信息采集和动态管理还是传统的人工模式，效率低下，信息传递速度慢，不利于查询和管理。为了提高大机设备管理的信息化水平，加强大机设备管理效率，加速信息流转，本文研究了基于RFID的铁路大型养路机械设备管理信息系统。

1 无线射频识别（RFID）技术简介

1.1 无线射频系统的组成

RFID[1]（Radio Frequency Identification）射频识别是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。

一个典型的射频识别系统由读写器、射频卡(也称为电子标签，应答器)和天线三部分组成。对于不同的应用目的和应用环境，就会组成不同的应用系统[2]。其组成如图1所示。

1.2 射频识别技术的工作原理

射频识别系统的工作原理可以概括为以下几点：

（1）读写器上电工作后，在一个区域内发出射频信号，该区域的大小取决于发射功率、工作频率和天线尺寸等因素。

（2）电子标签进入该区域后，接收到读写器的射频信号，其芯片内部的解调电路从该信号中解调出读写器发送的命令和数据并送到逻辑控制部分，完成数据存储、发送或其他操作。

（3）如果需要发送数据，则电子标签将数据调制后从收发模块发送出去。

（4）读写器接收到返回的数据后，对其进行解码以及错误校验等操作来决定数据的有效性，然后进行处理，需要时可通过 RS-232，RS-485，USB 或者无线接口将数据传输到计算机。

2 系统功能分析

2.1 系统工作流程

大型养路机械工作地点分散，流动性强，不便集中管理，大机的设备状态信息需要及时反馈到相关管理部门和人员。需要将设备的基本信息输入到电子标签中，每个设备对应一个编号，每台大机都有专人配备读写器。当大机施工或保养结束时，设备状态通过读写器，将大机设备的信息写入到标签中，大机工作人员也可以通过读写器了解到设备当前状态。设备信息通过读写器和无线网络，被传送到上位机服务器，基地总部可以实时查询和管理大机设备，及时了解到相关故障，以便于查询和管理。

大机设备进入到单位检修时，我们要对大机的动力传动系统、柴油机、液力机械变速箱、走行系统、空调系统、车体结构、电气系统、液压系统、制动系统、气动系统、测量系统、车钩缓冲装置、作业装置等做全面的调查，详细记录各主要配件的厂家、生产日期、配件型号、配件编号等基本信息，对于一些重要部件如发动机、转向架、车轴齿轮箱、传动轴、捣固装置、稳定装置等我们可以使用单独的电子标签，可以就近贴在配件上。检修和更换过的配件要记录好检修及更换的时间和检修人员的信息。这样在外施工当大机发生相应的故障时我们可以快速准确地找到该配件的型号以便于现场的更换，没有的配件也可以及时申报从而减少对施工的影响。基地总部也可以第一时间了解到故障情况，对于一些故障也可以加以指导。以后对事故的分析就可以详细地了解到厂家、生产日期等信息，对于检修和更换过的配件也可以查到更换的时间和检修人员的信息。若是配件质量问题材料部门就可以得到及时反馈，若是检修问题也可以追究相关人员的责任。

在以后的检修工作中我们也可以通过该系统查询到大机的检修信息，在大机的年修和全面修工作中我们就可以根据相应信息有针对性地开展检修工作。对于加快检修进度、提高检修质量有很大的帮助。系统工作流程见图2。示。

图2 系统工作流程

图3 系统的总体框图

2.2 系统功能需求

（1）能够对设备电子标签可读可写。

（2）对大机设备进行跟踪管理，能实时查询当前设备状态。

（3）加速设备信息流转，提高设备管理准确度。

（4）对设备进行信息化管理，对出现故障的设备能够及时更换。

（5）方便基地对设备进行统一管理，合理分配使用设备。

（6）对大机设备进行编号，每台设备对应唯一编号。

（7）对大机设备惯性故障进行统计分析，方便日后维修和更换。

3 系统的硬件构成

本系统的总体设计采用模块化设计思路。即把要实现的功能划分为一个个模块，分别对每个模块进行设计，仅为主控制器提供控制接口。这种设计的优点是相对简化了主程序的设计，降低各个模块之间的干扰，方便系统调试和故障排查，当其中一个模块出现故障不会影响其它模块的工作，提高系统设计的可靠性。

系统主要由电子标签，手持读卡器，GSM无线通信网络和上位机服务器4个部分组成，系统的结构框图如图3所

3.1 电子标签

电子标签贴在在大机的各个设备上，用于存放与设备相关的信息。

3.2 手持读写器

手持读写器部分主要由读写器模块，主控制器（MCU），电源模块和无线通信四个模块构成，以下就这四个模块做出介绍。

（1）读写器模块。读写器芯片可以选用飞利浦（NXP）公司的MFRC522芯片，它是工作在13.56 MHz高集成度的非接触式射频读写基站芯片。MFRC522芯片支持ISO 14443A和Mifare模式。内置的发生器能够驱动天线，不需要任何额外的电路就能够与支持ISO/IEC14443A的应答器进行通信。内部的接收模块提供强大解调机制，对来自应答器信号进行解调和解码。数字模块对数据帧的格式完整性和通信错误进行监测。

读写器的主控制器芯片可以采用读写器模块的控制器选用的是AT89C2051单片机，它与读写器芯片MFRC522仅需要少量的线路连接就能够实现读写器功能。

（2）主控制器。系统设计的核心之一是微控制器（MCU），微控制器的选型直接关系到系统设计开发的难易程度，功耗，体积和成本，也直接关系到与它进行交互的其他外围元器件的选型。微控制器主要完成是对与读写器模块、无线通信模块的控制和数据交换。由于需要与GSM网络相连，因此需要选择功能更为强大的嵌入式处理器，考虑选择AT91RM9200处理器。

（3）无线通信模块。无线收发芯片采用Chipcon公司的CC2430，CC2430是标准的2.4 GHz射频芯片，其工作频带为免授权的2.4 G频带，数据传输速率达250 kbp/s，硬件支持CSMA/CA功能，内部集成可用于实现节点测距功能的数字RSSI模块、电源监控和信道变换等功能模块，包含硬件MAC和CRC自动校验处理，具有非常高的接收灵敏度。更值得关注的是，CC2430芯片自带一个增强型的8051芯片，这样就可以在设计中省去微控制器这一单元，大大降低了系统的体积和成本。

（4）电源电路。电源管理涉及到两个方面，一是提高电源供给的效率，二是降低负载的功耗。提高电源供给的效率就是要选择合适的变换电路。降低负载的功耗就是要选择合适的系统电压、合理的电路结构和低功耗的元器件。

3.3 GSM网络

GSM无线通信采用可供二次开发的标准的GSM模块FALCOM A2D，它具备GSM无线通信的全部功能，并提供标准的UART串行接口，可与AT91RM9200直接进行连接，同时它还支持GSM07.05所定义的AT命令集的指令。可以使用AT命令很方便地实现信息的收发、查询和管理。手持读卡器可以通过GSM模块实时地将标签卡的信息通过GSM网络上传至上位机服务器中。上位机服务器采用数据库对数据进行管理。

4 系统的软件构成

本系统采用B/S构架，以Oracle 10g作为后台数据库服务器，使用Delphi7作为开发平台。系统软件是整个系统的关键，直接影响系统的稳定与可扩展等性能。系统软件可以分为手持读卡器软件和上位机服务器软件两部分。

4.1 手持读卡器软件

图4 手持读卡器软件结构图

手持读卡器软件可以分为两层（如图4所示）。底层为操作系统层,主要实现嵌入式Linux系统的构建和各种设备驱动程序的编写,包括OLED模块、USB、键盘等设备驱动程序；顶层为应用程序层,主要实现电子标签卡读写、键盘扫描、文件传输及电池电量检测等功能。

4.2 上位机服务器软件

主要是针对GSM通信来实现上位机的数据接收与存储。将通过GSM模块接收上来的数据存放在数据库Oracle 10g中。Oracle 10g数据库是企业级应用的大型数据库，稳定、高效，安全系数高，工作人员可很方便地对其进行操作[3]。充分利用了RFID技术其非接触性，无需人工干预就能够准确、及时实现自动识别的优势，提高的系统的可靠性，省去了大量的布线，提高了数据传输效率。对于大机的用管修有很大的帮助，势必在我国铁路运输发展中得到广泛应用。

5 结束语

本文研究了RFID技术在铁路大型养路机械设备管理信息系统中的应用，

[1]郎为民．《射频识别技术原理与应用》．机械工业出版社，2006(6)．

[2]罗风．RFID在供应链物流管理中的应用研究［D］．西南交通大学，2009．

[3]刘辰．《ORACLE数据库系统管理与应用》．人民邮电出版社，1999．

责任编辑：王华 王辉

来稿日期：2013-04-17