基于 RFID 的天車(chē)避碰系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　1 引言

　　天車(chē)是橋式起重機(jī)的簡(jiǎn)稱(chēng)，它是橋架在高架軌道上運(yùn)行的一種橋架型起重機(jī)，天車(chē)的橋架沿鋪設(shè)在兩側(cè)高架上的軌道縱向運(yùn)行，起重小車(chē)沿鋪設(shè)在橋架上的軌道橫向運(yùn)行，構(gòu)成一個(gè)矩形的工作范圍，就可以充分利用橋架下面的空間吊運(yùn)物料，不受地面設(shè)備的阻礙。有的現(xiàn)場(chǎng)是在一個(gè)車(chē)間里同時(shí)有兩臺(tái)或兩臺(tái)以上的天車(chē)。在視角很小的情況下，天車(chē)司機(jī)要想準(zhǔn)確控制天車(chē)的位置是很困難的，有可能因操作而發(fā)生天車(chē)碰撞的事故，造成人員、設(shè)備、財(cái)產(chǎn)的重大損失?？紤]到以上因素，本設(shè)計(jì)利用RFD定位，并采用nR 05無(wú)線(xiàn)傳輸模塊傳輸兩臺(tái)天車(chē)的各自位置信息，再由控制器做出動(dòng)態(tài)LED位置顯示、行駛方向判斷、近距離報(bào)警、停車(chē)控制。與傳統(tǒng)的天車(chē)防碰裝置相比，系統(tǒng)受環(huán)境的影響小，不受視距影響，提高了系統(tǒng)控制的精確度。因此，基于RFID的無(wú)線(xiàn)天車(chē)避碰系統(tǒng)將逐步取代傳統(tǒng)天車(chē)避碰系統(tǒng)。

　　2 系統(tǒng)構(gòu)成

　　在本系統(tǒng)中。需要控制和監(jiān)測(cè)的兩臺(tái)天車(chē)處于同一車(chē)問(wèn)的上下兩條軌道上，示意平面圖如下圖1所示：

圖1 天車(chē)車(chē)間示意圖

　　在圖中上天車(chē)在吊裝物件時(shí)，在吊鉤處于下放的過(guò)程中，上天車(chē)的吊鉤可能會(huì)碰撞到下天車(chē)上。改造之前，基本是靠人眼看和喊話(huà)進(jìn)行控制，但是天車(chē)司機(jī)長(zhǎng)時(shí)間操作可能造成生產(chǎn)車(chē)間的天車(chē)碰撞事故。系統(tǒng)選擇基于RFID的無(wú)線(xiàn)天車(chē)避碰控制方法。

　　首先在上下天車(chē)駕駛室上分別固定上一個(gè)RFID閱讀器，然后在靠近天車(chē)駕駛室的上天車(chē)軌道上每0．5m 貼上一個(gè)RFID標(biāo)簽，下天車(chē)軌道上也是等距離的貼上RFID標(biāo)簽。當(dāng)一輛天車(chē)運(yùn)動(dòng)的時(shí)候。閱讀器也是跟著運(yùn)動(dòng)，同時(shí)讀取到不同卡片上的位置信息。我們給定上天車(chē)在圖1中XY平面上的坐標(biāo)為：(x ，0)，下天車(chē)在XY平面上的坐標(biāo)為：(x ，0)，那么兩天車(chē)在X軸方向上的距離是：

　　考慮到吊鉤處于小滑車(chē)橫梁的中間某一位置，所以考慮到修正值z(mì)，則上天車(chē)吊鉤到下天車(chē)的距離為：

　　最后根據(jù)x_down ，x_up，z，D₂，系統(tǒng)做出動(dòng)態(tài)LED位置顯示、行駛方向判斷、近距離報(bào)警、停車(chē)控制。

　　3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　3．1 RFID模塊

　　RFID(Radio Frequency Identification)也就是射頻識(shí)別技術(shù)，RFID系統(tǒng)由3部分組成電子標(biāo)簽(Tag)、讀卡器(Reader)和在標(biāo)簽與讀卡器之間傳遞射頻信號(hào)的微型天線(xiàn)(Antenna)。

圖2 RFID工作原理圖

　　RFID工作原理如圖2所示，讀卡器將要發(fā)送的信息，經(jīng)編碼后加載在某一頻率的載波信號(hào)上經(jīng)天線(xiàn)向外發(fā)送，當(dāng)電子標(biāo)簽進(jìn)入發(fā)射天線(xiàn)工作區(qū)域后，收到讀卡器發(fā)出的射頻信號(hào)，卡內(nèi)芯片中的有關(guān)電路對(duì)此信號(hào)進(jìn)行調(diào)制、解碼、解密，然后對(duì)命令請(qǐng)求、密碼、權(quán)限等進(jìn)行判斷。接著通過(guò)調(diào)制解碼將存儲(chǔ)在芯片中自身的相關(guān)信息加入到反射回去的射頻信號(hào)中，電子標(biāo)簽憑借感應(yīng)電流所獲得的能量或者主動(dòng)將某一頻率的信號(hào)(Active Tag有源標(biāo)簽或主動(dòng)標(biāo)簽)發(fā)送給讀卡器。系統(tǒng)接收天線(xiàn)接收到從電子標(biāo)簽發(fā)送來(lái)的載波信號(hào)，經(jīng)天線(xiàn)調(diào)節(jié)器傳送到讀卡器，讀卡器讀對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)和解碼后，將其送至中央信息系統(tǒng)進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)處理。中央信息系統(tǒng)根據(jù)邏輯運(yùn)算判斷該電子標(biāo)簽的合法性，針對(duì)不同的設(shè)定做出相應(yīng)的處理和控制，如錄入相關(guān)數(shù)據(jù)、顯示有關(guān)信息或者發(fā)出指令信號(hào)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作。

　　本設(shè)計(jì)選用讀卡器的型號(hào)是U HF遠(yuǎn)距離一體化讀寫(xiě)器，讀卡器工作頻率是902MHZ一928MHZ，內(nèi)置水平極化天線(xiàn)，通信口可以是RS一232和RS-4852。通信速率由軟件設(shè)定，最高可達(dá)57600bps?？煽孔x取距離15米電源是直流12V，平均功耗小于5瓦，工作溫度為-35^。~+60^。。標(biāo)簽考慮到現(xiàn)場(chǎng)的金屬環(huán)境，選用的是防金屬的EPC可讀寫(xiě)標(biāo)簽。

　　3．2 無(wú)線(xiàn)傳輸模塊

　　系統(tǒng)中無(wú)線(xiàn)射頻收發(fā)芯片選用nRF905，nRF905是Nordic VLSI公司推出的單片射頻收發(fā)器， 工作電壓為1．9V～3．6V，工作于433MHz、868MHz、915MHz 3個(gè)ISM頻段，頻道轉(zhuǎn)換時(shí)間小于650μS，最大數(shù)據(jù)速率為100 Kbit／s。nRF905由頻率合成器、接收解調(diào)器、功率放大器、晶體振蕩器和GFSK 調(diào)制器組成。無(wú)需外加聲表面濾波器，ShockBurst工作模式，自動(dòng)處理字頭和CRC，使用SPI接口與微控制器通信，配置方便。此外，其功耗低，以-10 dBm 輸出功率發(fā)射時(shí)電流僅11mA，工作在接收模式時(shí)電流為l2．5mA，具有空閑模式與關(guān)機(jī)模式，易于實(shí)現(xiàn)功率管理。

　　3．3 硬件電路的設(shè)計(jì)

圖3 硬件系統(tǒng)框圖

圖4 系統(tǒng)控制總圖

　　本設(shè)計(jì)的硬件結(jié)構(gòu)包括：電源電路、微處理器、音頻報(bào)警、時(shí)鐘電路、數(shù)碼管顯示、控制繼電器停車(chē)。如圖2。在系統(tǒng)中，RFID讀卡器的接口是UART串口nRF9905無(wú)線(xiàn)傳輸模塊是SPI接口，數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)選用的是有IIC接口的芯片。單片機(jī)采用了C8051F020微處理器。C8051F020單片機(jī)片內(nèi)含CIP一51的CPU內(nèi)核，它的指令系統(tǒng)與MCS一51完全兼容。單片機(jī)含有64kB片內(nèi)Flash程序存儲(chǔ)器，4352B的RAM、8個(gè)I／0端口共64根I／O 口線(xiàn)、5個(gè)1 6位通用定時(shí)器、看門(mén)狗定時(shí)器、VDD監(jiān)視器等部分。C8051F020單片機(jī)有2個(gè)UART 1：3，1個(gè)SPI口。1個(gè)和IIC兼容的SMBUS 口。與以前的51系列單片機(jī)相比，C8051F020增添了許多功能，同時(shí)其可靠性和速度也有了很大提高。

　　4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)軟件如圖4所示，主要由初始化、讀取標(biāo)簽信息、無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理，位置顯示、報(bào)警和停車(chē)部分組成。在本系統(tǒng)中，上下天車(chē)控制器中采用同一個(gè)程序，當(dāng)一個(gè)天車(chē)讀卡器讀到一張標(biāo)簽信息的時(shí)候，首先判斷是否是一張新的標(biāo)簽信息，如果是新標(biāo)簽，則存儲(chǔ)標(biāo)簽信息，并且由nRF905無(wú)線(xiàn)模塊發(fā)動(dòng)新標(biāo)簽信息。接著系統(tǒng)檢測(cè)是否收到另外一臺(tái)讀卡器的發(fā)出的新標(biāo)簽信息，如果收到就存儲(chǔ)。最后再由控制器分析處理標(biāo)簽信息，控制天車(chē)位置顯示，運(yùn)行方向顯示。判斷兩輛天車(chē)在水平方向上的距離，如果距離D，在3m<D₂≤5m內(nèi)，系統(tǒng)進(jìn)行聲光報(bào)警，如果距離D，在0<D₂≤3m 范圍內(nèi)，停車(chē)信號(hào)輸出。

　　5 結(jié)束語(yǔ)

　　本設(shè)計(jì)選用基于RFID技術(shù)的方法，通過(guò)貼在天車(chē)軌道上的標(biāo)簽來(lái)確定兩輛天車(chē)的位置，使天車(chē)避碰系統(tǒng)更加精確。同時(shí)采用的RFID和無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，使系統(tǒng)受環(huán)境和機(jī)械影響小。該系統(tǒng)作為天車(chē)運(yùn)行的安全保護(hù)裝置，已成功應(yīng)用在冶鋼天車(chē)安全控制中，使天車(chē)操作的工作效率提高，有效的避免了天車(chē)碰撞事故的發(fā)生。