基于物联网的起重机智能作业管理系统设计与实现
胡素峰1丁树庆2冯月贵2王会方2
(1.国家质量监督检验检疫总局 北京 100088)
(2.南京市特种设备安全监督检验研究院 南京 210002)
采用物联网技术,设计一种由主控机PC、无线射频模块和读卡器模块等部分组成的起重机作业管理系统,实现人机互认及作业记录管理。详细介绍了系统硬件结构设计原理及实现方法,给出了作业管理系统软件设计。实际调试表明:该系统能够实现对作业人员身份的识别和起重机作业记录管理等功能,且具有数据传输有效距离远、移动性强、安装简单和扩展性好等特点。
射频识别 无线通讯 作业管理 人机互认
物联网技术是通过无线射频识别红外感应器、定位系统、激光扫描仪等各种信息传感设备,把任何物体与互联网连接起来,进行信息交换和通信,以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。作为一项新技术,物联网在公共安全各项领域中的应用将十分广泛[2]。
本文基于物联网技术设计了起重机作业人员管理系统,感控层通过射频识别技术实现了起重机作业人员的身份识别;传输层通过无线网络通讯技术实现起重机作业信息的无线传输;应用层通过数据库技术,实现起重机作业记录的统计、查询及管理。
本系统采用基于物联网技术设计了系统架构,分感控层、传输层和应用层。在感控层,通过射频读卡器读取识别卡中的起重机械人员和设备信息,通过自组织网络传输至汇集节点,一般根据起重机械使用现场环境设置若干个汇集节点;在传输层,各汇集节点通过2G/3G/4G等移动通讯网络或以太网等有线网络传输至服务平台,实现数据交换、实时处理和控制网络信息传递;在应用层,构建了由存储服务器、数据服务器、web服务器组成的应用支撑平台,分别完成数据的存储、数据分析和web访问等功能。在应用支撑平台的基础上,通过对起重机械相关的设备、人员、操作、检验、作业、违规等信息数据进行处理,实现起重机智能作业管理平台的设备信息管理、人员权限管理、检验信息管理、操作信息管理、作业记录管理、违规记录管理等功能。同时,在管理平台对作业人员信息进行验证,当起重机械信息、作业人员信息、作业权限信息和作业班次信息等相符合的情况下,反馈给感控层的作业控制器,实现对起重机械主电路的开启和关闭控制,使得只有当作业人员、设备信息、作用权限、作业时间验证时,开启起重机械,杜绝操作人员的违章作业行为,确保起重机械安全运行。系统总体结构如图1所示。
本系统中射频识别读卡器、作业控制器和自组织网络控制器等均集成在终端硬件中,主控制采用了三星公司推出的一款基于ARM11内核(ARM1176JZF-S)的低功耗、高性价比的RSIC处理器S3C6410,满足系统控制和数据处理等功能。系统采用移动通讯网络,采用集成的DTU数传模块。作业管理平台采用B/S架构的设计方案。硬件终端将起重机作业信息通过无线网络传送到起重机械作业管理平台。
射频读卡器和无线模块是本系统硬件设计中的主要部分,本系统设计了915MHz的超高频射频读卡器读取人员识别卡的信息,根据不同的身份进行不同的作业,同时将作业信息传送给无线模块,通过无线通讯发送到服务器中[3]。本文采用的射频识别芯片是ADF7020,无线模块采用了无线收发芯片Si4432。硬件架构如图2所示。
图1 系统总体结构
图2 硬件系统结构
2.1 射频读写模块设计
作业管理终端的射频识别卡本身就是一种电子标签,由耦合元件及芯片组成,每个标签具有唯一的电子编码,用来标识特定的作业人员。本系统采用的标签遵循ISO18000-6C的协议标准。金属电子标签在设计上将偶极子天线设计成长天线微带图形方式,以加大天线的有效辐射面积,提高标签的灵敏度,提高标签的性能。同时,选用特制的FR4印制板作为制作天线的基板,板厚0.4mm,微带天线采用腐蚀方法进行生产,生产出的电子标签可靠性高、一致性好、成本低。
硬件系统采用ADF7020芯片作为系统射频识别芯片[4],RF2173作为射频识别驱动电路。实现主频862 ~928MHz的超高频信号识别。ADF7020是一款新的适用于ISM 频段的收发芯片。它支持FSK/ASK/ GFSK/OOK/GOOK多种解调方式。输出功率可变范围为-16~+13dBm,其内部集成了完整的无线收发电路。在接收模式下,相当于一个传统的超外差接收器,RF(射频)输入信号通过从RFIN 管脚引出的天线,经LNA放大后进入混频器,通过混频器混频产生IF中频信号。在IF处理阶段,该信号在送入解调器前被放大和滤波。解调后从引脚DATA I/O输出解调数字信号,解调信号的同步由芯片提供的时钟信号完成。
考虑到ADF7020的发射级能输出最大13dBm的功率,因此读写器采用了射频功率放大器RF2173,满足了系统的功率要求。识别卡的无线信号,在-50dbm左右,通过基于HS2812的混频电路,实现基带放大到200mv,通过比较判决电路,实现ISO18000-6C协议的数据传输。其硬件实现原理如图3所示:
图3 射频读写模块硬件原理图
2.2 无线模块设计
无线模块采用无线收发芯片Si4432,发送模块主要将要发送的数据经S3C6410处理后,通过Si4432进行编码处理,以特定的格式经天线发送给接收模块;接收模块中Si4432将射频信号放大、解调之后经S3C6410进行相应的处理,从而实现了低功耗、小体积、高灵敏度条件下的高质量无线数据传输。
Si4432 芯片是一款高集成度、低功耗、多频段的无线收发芯片,可工作在315/433/868/915MHz四个频段;内部集成分集式天线、功率放大器、唤醒定时器、数字调制解调器、64字节的发送和接收数据FIFO,以及可配置的GPIO等。Si4432的接收灵敏度达到-117dB,可提供极佳的链路质量,在扩 大传输范围的同时将功耗降至最低;最小滤波带宽达8k Hz,具有极佳的频道选择性,在240~960MHz频段内,不加功率放大器时的最大输出功率就可达+20dBm,设计良好时收发距离最远可达2km。
S3C6410通过内置SPI对Si4432进行初始化配置、读写数据、访问FIFO等操作。使用4线SPI,即MOSI、MISO、SCK和nSEL。MOSI/MISO为串行数据传输;SCK用于同步串行数据传输;nSEL为片选信号,nIRQ是中断状态输出引脚。SDN决定了Si4432 芯片的工作状态。当SDN=0时,芯片处于常规工作模式;当SDN=1时,芯片处于掉电模式,功耗很低,Si4432前端的分集式电路采用SKY13267,这款交叉开关实现分集式天线发送和接收通道的自动切换。硬件设计原理如图4所示。
图4 无线收发模块硬件原理图
主控制器采用了高性能的处理器ARM11,有足够的资源运行操作系统,考虑Windows CE系统的稳定性、可靠性、实时性,而且具有良好的图形界面、成熟的开发平台、应用程序与桌面程序的一致性。系统满足了便携式设备、移动设备和嵌入式设备对操作系统的需求。因此系统硬件采用WinCE操作系统。
系统需要根据系统的硬件平台和软件的需要进行操作系统的裁剪。考虑到功能性,系统需要加入LCD驱动、触摸屏驱动、串口驱动、USB 驱动、NandFlash 驱动、RTC驱动等,又需要用EVC进行应用程的开发,因此还需要加入MFC组件。所有需要的模块添加完毕后,编译可以得到nk.bin 和nk..nb0 两个镜像文件。用USB连接PC和硬件系统,把镜像下载到硬件平台。设置平台的启动地址,完成平台的搭建。
驱动层实现处理器以及外围硬件设备的驱动,使应用程序能够和硬件设备进行通信,驱动层入LCD驱动、触摸屏驱动、串口驱 动、USB 驱动、Nand-Flash 驱动、RTC驱动等。组件层包含了支持串行通信的组件、文件管理组件、设备管理组件等。系统层提供了COREDLL、WINSOCK、COMMCTRL、COMMDLG、WININET 等Win32 API 函数,应用程序可以通过这些API 函数访问组件层来实现各种功能。图5为基于WinCE 平台的系统层次结构。
图5 基于WinCE 平台的系统层次结构
软件系统采用.NET架构,并使用SQL Server 2005作为为后台数据库。
系统采用服务器/浏览器方式,使用三层应用体系结构,方便开发和维护,与目前计算机技术和互联网的发展相一致。第一层为用户层,其主要的工具是浏览器(Internet Explorer)。第二层是业务逻辑层,主要是根据起重机操作规范、日常监管等业务处理逻辑,设计分布式部件对象模型,基于开放式软件基础的分布式计算环境的远程过程调用,使用户可以更快、更容易地监控和操控起重机人机互认系统。第三层为数据库层,主要是信息数据库以及与其有关的后台存储过程和存取规则。
识别终端有人员对起重机进行操作时,系统弹出提示信息,包括操作人员姓名、操作动作、操作设备等信息。同时所有的操作记录在系统中以列表的形式显示出来,软件界面如图6所示。管理系统中可以实现设备信息管理、操作信息管理、员工管理、人员信息管理、检验报告管理、作业记录管理、违规记录管理、密码修改等八个功能。
系统在某大型钢铁企业的起重机上使用,在钢铁厂的粉尘、高温、油污、强电磁干扰环境,系统可靠运行,提高了企业对起重机械的安全管理水平。
图6 起重机作业监控管理系统软件界面
有利于作业人员资质管理,减少违规操作,减少起重机无证作业的现象,所有的起重机使用过程信息都可以重现,从而使相关人员习惯于被监督的工作状态。很好的解决技术监督局部门操作人员持证上岗的管理困扰。同时还有利于对设备进行集中管理,起重机“信息管理服务平台”完成起重机设备管理,包括设备信息、检验信息、操作记录;完成起重机作业人员管理,包括人员信息、作业记录、违规记录等信息。设备使用单位以及各级监管和检验人员可以随时随地根据不同的需要对设备情况进行查询。
1 国家质量监督检验检疫总局.2012年全国特种设备安全状况白皮书[M].2012
2 马鑫,黄全义,疏学明等,物联网在公共安全领域中的应用研究[J].中国安全科学学报,2010,20(7):171~176
3 丁树庆,任诗波.基于RFID技术的起重机械人机交互系统研究[J]. 机电工程技术,2013,42(6):76~80
4 邓毅华.ISO 18000-6 RFID 读写器设计[J]微计算机信息,2009,25(11):7~9
Design and Implementation of Crane Operation Management System Based on Internet of Things
Hu Sufeng1Ding Shuqing2Feng Yuegui2Wang Huifang2
(1.General Administration of Quality Supervision,Inspection and Quarantine Beijing 100088)
(2.Nanjing Special Equipment Inspection Institute Nanjing 210002)
This paper designs a kind of crane operation management system by the master PC, wireless radio frequency module and card reader module and other parts based on the Internet of things technology.The system realize the function of man-machine mutual recognition and work records management. Detailed introduces the system hardware structure design principle and realization method of operation management system software design are given. Actual debugging shows that the system can realize the operation personnel identity recognition and crane operation records management, and other functions, and has the characteristic of data transmission effective distance, strong mobility, simple installation and good expansibility, etc.
RFID (radio frequency identifi cation) Wireless communication Operations Management man-machine mutual recognition
X941
B
1673-257X(2014)10-22-04
10.3969/j.issn.1673-57X.2014.10.006
胡素峰(1976~),男,高级工程师,主要负责特种设备安全管理与信息技术研究。
2014-06-17)