基于RFID 的铁路巡检人员定位系统研究

齐迪，郭俊宇，杨一琛

（1.大连科技学院电气工程学院，辽宁大连 116052；2.大连交通大学自动化与电气工程学院，辽宁大连 116028）

随着铁路事业的飞速发展，列车运量不断增加，高效开展列车检修工作是十分重要的。然而，传统的人员管理模式不能准确定位检修人员的位置，当列车设备发生故障时，无法快速对检修人员进行合理的调配[1-4]。在此背景下，设计了一种基于RFID 无线射频技术的铁路列车检修人员定位装置。系统通过RFID 模块中的射频芯片收发电子标签的数据信息，由STM32F103C8T6 构成的控制核心根据TOA 定位算法计算出标签的位置信息，利用均值滤波算法进行位置信息的校正处理，采用无线通信GPRS 模块将巡检人员的位置信息实时传送到调度中心。相较于传统的巡检工作人员定位手段，具有实时性强、灵活性强、稳定性高等优点[5-10]。

1 系统结构及原理

系统总体框图如图1 所示。监测系统采用STM 32F103C8T6 作为微控制器模块的控制核心，通过基于nRF24LE1 芯片的RFID 模块完成对电子标签数据的收发，采用UART 与高速SPI 接口作为通信方式进行数值的传输，实现STM32 控制板对电子标签的控制，在微控制器模块中通过TOA 定位算法进行检修人员标签的定位。同时利用均值滤波算法对TOA 定位算法进行修正，有效的提高了检修人员电子标签的定位精度。采用基于SIM300 芯片的无线通信GPRS 模块实现和地铁调度中心的通信，并通过RS232 实现主控模块和GPRS 无线通信模块的工业级别通信[11-14]。

图1 系统总体框图

2 定位系统硬件设计

下位机中的主板是以STM32F103C8T6 单片机为核心的一块电路板，STM32F103C8T6 最小系统是一款32 位的微控制器，具有2 个12 bit ADC 采集通道，37 个通用I/O 口，4 个16 bit 通用定时器，可实现IIC、SPI、USART、CAN 类型的通信，系统时钟最高可到72 MHz。

根据地铁检修人员的行动范围，该系统采用了nRF24L01 型号的无线射频收发芯片作为无线射频模快的主芯片，此无线射频收发芯片具有超高工作频率，最高频率可达13.56 MHz，在通信方面，采用与主机间连线较少的串行通信，即采用SPI 模式，便于缩小设备体积。系统以STM32F103C8T6 为控制核心，电子标签发射电磁波，RFID 收发模块通过单片机所给指令进行收发动作，基于nRF24L01 高速射频收发芯片的无线射频模块设计电路如图2 所示[15]。

图2 nRF24L01无线射频模块电路

该系统采用GPRS 无线通信模块，GPRS（General Packet Radio System）是介于第二代和第三代之间的一种通信技术,GPRS 不仅支持TCP 协议而且支持IP协议。GPRS 与其他工业级别的通信方式相比,具有通信距离远、可选频段多、结构小等特点。MC35i 是西门子推出的无线通信GPRS 模块，该芯片因其具有稳定、快速、安全的性能，所以有较为广泛的应用领域，能够可靠地实现系统方案中的数据、短消息服务的传真，具有始终在线的功能、通信传输时延较小。基于以上特点，在空旷铁路环境中，该系统中的GPRS 无线通信模块的通信芯片选用MC35i 通信芯片，通过RS232 与STM32 处理器实现数据链路。进而将巡检工作人员身上的电子标签数据信息传递给调度中心，基于MC35i 的GPRS 无线通信电路如图3所示[16]。

图3 基于MC35i的GPRS无线通信电路图

3 定位系统软件设计

定位系统的软件设计在STM32CubeMx 与Keil的开发环境下，利用STM32 官方固件库用标准C 语言编写，软件流程图如图4 所示。

图4 nRF24L01收发数据的控制流程图

无线射频数据的传输是定位系统软件设计中最为主要的部分。程序首先是对nRF24L01 进行初始化配置，该系统通过设置R 寄存器的输出功率、工作频率、自动重发功能、校验码长度等实现STM32对nRF24L01 收发数据的控制。

4 基于TOA的定位算法设计

实际工作环境中,地铁检修面积大，检修人员活动范围大，故采用TOA 到达时间定位算法[17]。

基于到达时间(TOA,Time of Arrival)的定位原理即是通过计算传播信号在发射机与接收机之间的单向传播时间长度，进而通过欧拉距离计算公式算出发射机与接收机之间的距离，再结合终端位置的计算方法，估计出目标节点的位置信息。但是，由于在真空中无线信号的传播速度接近于光速，在不考虑误差的理想情况下，在二维平面上只需要3 个基站即可以计算出目标位置，BS-1、BS-2、BS-3 分别表示铁路某检修段基站1、基站2、基站3，二维定位示意图如图5所示[18-23]。

图5 基于TOA的二维定位示意图

图6 TOA定位算法步骤

实际工作环境中，地铁检修面积大，检修人员活动范围大，故采用TOA 定位算法。TOA 定位算法步骤如6 所示。

TOA 定位原理：测量待定位节点Source(x，y)与发送端BS(xi，yi)信号之间的到达时间，进而通过欧拉距离计算公式转换为距离，从而进行定位[24]。3 个基站到Source 的距离分别为r1、r2、r3，以各自基站为圆心测量距离为半径，绘制3 个圆，其交点即为Source的位置（图5 中即是BS-1、S-2、BS-3 三点到中心的距离）。当3 个基站都是基站时，采用最小二乘(LS)算法计算Source 的估计位置。假设Source 的坐标为(x,y)，N个BS 的位置坐标为(xi,yi)，根据其几何意义，则它们之间满足的关系：假设无ni（测量噪声），ri（基站到Source的测量距离），将i=1,…,N代入，即可得到下式：

图7 TOA定位算法校正前后仿真图

图7 中TOA-1 代表原始TOA 定位情况，TOA-2代表进行均值滤波校正后的TOA 定位情况。

从图中可以看出:

①随着m的增加（巡检人员运动范围大），TOA-1和TOA-2 的均方根误差（RMSE 用于衡量观察值与实际值的偏差大小）在增大，观测值与真实值之间的偏差逐渐变大。

②在测量噪声标准差一定的条件下，可见TOA-1性能更加优于TOA-2。

5 结束语

该设计通过射频模块发出的识别信号，对佩戴具有电子标签的安全帽或工作证的工作人员进行读取信息，将读取的数据信息传输给主控模块，主控模块对采集的定位信息进行处理，并利用GPRS 无线通信模块将定位信息传送给调度中心，实现检修人员的精准定位。采用的RFID 定位技术能适应列车检修区域的复杂环境，降低设备信号干扰造成的影响，具有很强的抗干扰能力。通过该技术能够实时掌握检修人员的位置信息，可以及时调配工作人员，实现人员的智能化管理，提高列车检修效率，对铁路列车的安全、稳定运行具有积极作用。