基于RFID和WSNs的鋼瓶綜合監(jiān)管系統(tǒng)

　　1 概述

　　鋼瓶作為生產(chǎn)、生活中一類重要的壓力容器，其有效監(jiān)管直接關(guān)系到人民生命和生產(chǎn)、財產(chǎn)的安全，是各級安全生產(chǎn)和質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督部門的工作重點之一。對于鋼瓶的充裝、經(jīng)營、使用等單位，保證鋼瓶安全使用涉及很多重要的技術(shù)和工程問題。傳統(tǒng)的鋼瓶鋼印(及手寫編號)、紙介表單、人工查看和手動操作方式無法滿足對鋼瓶使用全流程、整個生命周期的管理和跟蹤等需求。本文綜合運用無線射頻識別(Radio Frequency IDentification，RFID)NI和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks，WSNs) 技術(shù)，結(jié)合數(shù)據(jù)庫技術(shù)、情境敏感 的在線信息交互技術(shù)等，給出鋼瓶監(jiān)管的新型綜合解決方案。

　　2 鋼瓶綜合監(jiān)管系統(tǒng)的總體設(shè)計

　　2．1 RFID與WSNs簡介

　　RFID是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，其基本原理是利用射頻信號和空間耦合(電感或電磁耦合)的傳輸特性，實現(xiàn)對被識別物體的自動識別。RFID系統(tǒng)的基本工作流程是：讀寫器通過天線發(fā)送一定頻率的射頻信號；當RFID標簽進入讀寫器的工作區(qū)域時，無源標簽的天線產(chǎn)生感應(yīng)電流從而獲得能量被激活并向讀寫器發(fā)送自身編碼等信息(有源標簽的能量是靠自身電池提供的，因此，可以直接根據(jù)讀寫器的指令進行工作)；讀寫器對來自標簽的載波信號進行解調(diào)和解碼后直接處理或送至其他計算機系統(tǒng)進行處理；RFID讀寫器(屬于典型的嵌入式系統(tǒng))或計算機系統(tǒng)判斷標簽的合法性，進而做出相應(yīng)的處理和控制；RFID標簽的數(shù)據(jù)解調(diào)部分從接收到的射頻脈沖中解調(diào)出數(shù)據(jù)并送至控制邏輯，進而完成存儲、發(fā)送數(shù)據(jù)或其他操作。

　　WSNs是一種超大規(guī)模、無人值守、資源嚴格受限的全分布式系統(tǒng)，通常采用多跳對等的通信方式，其網(wǎng)絡(luò)拓撲動態(tài)變化，具有白組織、自治和自適應(yīng)等智能屬性。它通過將高度集成的無線設(shè)備結(jié)合各種傳感器實現(xiàn)在智能傳感節(jié)點之間自主采用無線方式傳遞信息形成的網(wǎng)絡(luò)，能夠通過節(jié)點的各種傳感器所收集的信息識別環(huán)境，對網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域進行監(jiān)控。典型的傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中，●表示普通節(jié)點；▲表示簇頭；■表示網(wǎng)關(guān)(中心節(jié)點)。

圖1 典型的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　2．2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　本文設(shè)計的鋼瓶綜合監(jiān)管系統(tǒng)自底向上分別為感知層、監(jiān)控層和管理層，其典型的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2：鋼瓶綜合監(jiān)管系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

　　各主要部分說明如下：

　　(1)感知層

　　粘貼于鋼瓶和操作人員身上的高頻無源RFID標簽，以及固定在車輛(包括運輸車輛和叉車等)上的超高頻有源RFID標簽實現(xiàn)對所附著對象的標識功能。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點配備各類傳感器，可以實現(xiàn)監(jiān)控的環(huán)境智能，滿足對鋼瓶充裝、存儲等流程溫度、濕度、振動、成分等環(huán)境信息的分布式監(jiān)控需求。上述信息可以進一步通過RFID讀寫器(包括固定式和手持式)，以及環(huán)境監(jiān)控WSNs網(wǎng)關(guān)(中心節(jié)點)進行識別、處理和融合。

　　(2)監(jiān)控層

　　現(xiàn)場監(jiān)控機由工控機(IPC)實現(xiàn)，用于完成所轄區(qū)域(如充氣車間)內(nèi)的設(shè)備、環(huán)境、人員和車輛等對象信息的作業(yè)管理和監(jiān)控，以及聯(lián)動設(shè)備控制等。

　　(3)管理層

　　標簽及節(jié)點發(fā)行工作站的主要功能是對涉及鋼瓶監(jiān)管操作、人員管理和設(shè)備管理的標簽及節(jié)點進行管理，包括發(fā)行(注冊)、回收(注銷)、更換等，同時承擔一定的用戶管理任務(wù)，包括各種人員信息的錄入和編輯、相關(guān)部門身份信息的處理操作等。

　　數(shù)據(jù)中心包括鋼瓶及充填氣(液)體知識庫(如類屬、特性、存儲要求、運輸要求、應(yīng)急預(yù)案及相關(guān)標準、政策和法規(guī)等)、作業(yè)信息數(shù)據(jù)庫(與日常作業(yè)相關(guān)的數(shù)據(jù)和信息)和部門信息數(shù)據(jù)庫(各相關(guān)部門的人員信息、設(shè)備信息和班次信息等)。應(yīng)用服務(wù)器提供比較完備的關(guān)系數(shù)據(jù)庫設(shè)計，以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫擴展功能；針對各個業(yè)務(wù)子系統(tǒng)，提供與數(shù)據(jù)庫無關(guān)的數(shù)據(jù)接口，保證子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)訪問。

　　(4)與其他系統(tǒng)的接口

　　本系統(tǒng)通過適當?shù)陌踩珯C制和技術(shù)手段(如防火墻等)，為授權(quán)用戶(如醫(yī)院、化工廠等)、職能部門(如企業(yè)上級主管單位和政府職能部門)以及其他系統(tǒng)(如基于GPS的特種車輛跟蹤與監(jiān)控系統(tǒng)等)提供信息查詢和處理的功能接口。

　　根據(jù)用戶規(guī)模和具體需求可以對系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)和功能模塊進行適當調(diào)整和組合。例如，對于較小規(guī)模用戶，其數(shù)據(jù)服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器，甚至發(fā)行工作站的功能可以由同一臺計算機實現(xiàn)。3層結(jié)構(gòu)中管理層與監(jiān)控層可能合并從而進一步扁平化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)場監(jiān)控機與數(shù)據(jù)服務(wù)器之間具有數(shù)據(jù)定期同步機制?，F(xiàn)場監(jiān)控機、應(yīng)用服務(wù)器與數(shù)據(jù)服務(wù)器之間為C／S結(jié)構(gòu)，而用戶、其他部門和其他系統(tǒng)與服務(wù)器之間為B／S結(jié)構(gòu)。

　　2．3 系統(tǒng)通信設(shè)計

　　通信功能是本文所設(shè)計的綜合監(jiān)管系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計中須重點關(guān)注的一類問題。本文所涉及的通信方式及相關(guān)技術(shù)分析如下：

　　(1)WSNs網(wǎng)關(guān)(中心節(jié)點)與普通傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點、RFID標簽與讀寫器通過射頻通信實現(xiàn)現(xiàn)場信息的交互。
　　(2)手持式RFID讀寫器與現(xiàn)場監(jiān)控機之間采用藍牙通信方式，完成鋼瓶與特種車輛的信息交互。
　　(3)現(xiàn)場監(jiān)控機與WSNs網(wǎng)關(guān)(中心節(jié)點)之間，現(xiàn)場監(jiān)控機與(固定式)RFID讀寫器之間通過現(xiàn)場總線(具體采用CAN總線)實現(xiàn)串行通信，分別進行傳感區(qū)域信息、讀寫器配置信息、按條件查詢讀寫器的流水記錄等交互。
　　(4)管理層與監(jiān)控層各模塊之問通過以太網(wǎng)(有線或無線)實現(xiàn)監(jiān)管信息交互。

　　3 系統(tǒng)工作流程分析與設(shè)計

　　針對鋼瓶的作業(yè)主要涉及鋼瓶建檔、標簽粘貼、空瓶清點、鋼瓶檢驗、整瓶、鋼瓶充裝、鋼瓶盤存和鋼瓶發(fā)放等，其典型工作流程如圖3所示。

圖3 鋼瓶監(jiān)管系統(tǒng)工作流程

　　所涉及的表單包括(<在用鋼瓶普查登記表 鋼瓶檢驗委托通知單 、 鋼瓶檢驗收發(fā)登記表 、 鋼瓶總裝及復(fù)檢記錄表》和 鋼瓶發(fā)放記錄表 等。其中，鋼瓶建檔流程如圖4所示。對需管理的鋼瓶根據(jù) 在用鋼瓶普查登記表 和(<鋼瓶建檔、標識、定期檢驗和維護保養(yǎng)制度>)等規(guī)范，在監(jiān)控機中輸入鋼瓶基礎(chǔ)信息，建立鋼瓶檔案。

　　RFID標簽ID號與鋼瓶的唯一編號相對應(yīng)，采用可讀寫標簽以記錄鋼瓶的基本信息(以在用鋼瓶普查登記表 為例，包括鋼瓶檢驗、充裝、發(fā)放相關(guān)信息，如下次檢驗時間、充裝時間、發(fā)放時間、發(fā)放地址等)。通過讀寫器(手持式或固定器)對鋼瓶標簽信息進行識別和數(shù)據(jù)寫入，進而與監(jiān)控機、數(shù)據(jù)中心和應(yīng)用服務(wù)器進行信息交互。

圖4 鋼瓶建檔流程

　　4 關(guān)鍵設(shè)備與部件的設(shè)計與實現(xiàn)

　　4．1 RFID讀寫器與WSNs網(wǎng)關(guān)

　　RFID讀寫器與WSNs網(wǎng)關(guān)(中心節(jié)點)具有相似的基礎(chǔ)功能結(jié)構(gòu)，本文研發(fā)的(超)高頻RFID和傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合控制器兼顧2類部件的功能，其結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示”。

圖5 RFID和 WSNs綜合控制器結(jié)構(gòu)

　　運用PIC-18F1320和NXP ARM7 LPC2478雙微處理器結(jié)構(gòu)完成對各模塊的工作協(xié)調(diào)、數(shù)據(jù)判別和智能信息處理算法的實現(xiàn)等功能。(超)高頻RFID讀寫模塊實現(xiàn)對(超)高頻標簽的讀寫。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點射頻通信模塊實現(xiàn)與其他綜合控制器、傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間通信。外擴FlashROM 用于存儲脫機數(shù)據(jù)，保證意外斷電時數(shù)據(jù)不會丟失。外擴RAM 用于存儲過程數(shù)據(jù)或其他臨時數(shù)據(jù)。電源及其管理模塊為系統(tǒng)提供能源?？蓴U展I／O接口包括通用輸入輸出接口、串行設(shè)備接口(SPI)、集成電路互聯(lián)(I²C)接口、通用異步收發(fā)器(UART)接口等。通信網(wǎng)絡(luò)模塊通過以太網(wǎng)或CAN總線等方式實現(xiàn)與監(jiān)控機等的通信。顯示模塊包括人機交互以及設(shè)備運行狀態(tài)提示等顯示功能。

　　采用該綜合控制器(在現(xiàn)場具體包括裝備于叉車上或由操作人員手持的便攜式綜合控制器，以及裝備于生產(chǎn)環(huán)境中的固定式綜合控制器)，結(jié)合常規(guī)的傳感器網(wǎng)關(guān)(中心節(jié)點)和讀寫器，能夠通過與鋼瓶標簽、傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間的信息交互所獲得的環(huán)境、對象的基本信息，運用分布式信息檢索技術(shù)和通信技術(shù)，由本地或遠程實時提供鋼瓶監(jiān)管所需的支持信息和決策信息，以保證作業(yè)安全和科學(xué)的應(yīng)急處置。手持式讀寫器與綜合控制器結(jié)構(gòu)基本相同，僅在通信和人機接口方面有一些區(qū)別。

　　4．2 傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和超高頻有源RFID標簽

　　以PIC16F677微處理器和nRF905射頻收發(fā)芯片為核心，本文研發(fā)了傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和超高頻有源RFID 標簽。具體可以設(shè)置成2種工作方式：(1)定時發(fā)送ID，其余時間處于休眠狀態(tài)；(2)讀寫器喚醒方式，即平時處于休眠狀態(tài)，定時轉(zhuǎn)入接收狀態(tài)，當有讀寫器搜尋時被喚醒并與讀寫器進行數(shù)據(jù)通信。其中，讀寫器喚醒方式比較省電。

　　4．3 高頻無源金屬標簽

　　無源鋼瓶標簽由于需要直接粘貼在金屬表面，標簽須經(jīng)過特殊處理，如在標簽底部襯上一層隔磁材料，并且表面經(jīng)過滴塑保護以避免因碰撞等原因損壞標簽。無源金屬標簽按協(xié)議標準具體分為ISO15693標準標簽和ISO14443A標準標簽2類，典型工作頻率為13．56 MHz。

　　5 結(jié)束語

　　本文設(shè)計的基于RFID和WSNs的鋼瓶綜合監(jiān)管系統(tǒng)已經(jīng)在某鋼鐵公司及其氣體廠試運行，檢驗、盤存和發(fā)放等環(huán)節(jié)工作效率平均提高6倍以上，誤操作率平均下降99.8％以上。實際應(yīng)用證明，本系統(tǒng)能提高鋼瓶全面跟蹤監(jiān)控水平，減輕操作人員的勞動強度、提高工作效率，降低操作失誤率。該方案可以為更為廣泛的壓力容器、特種設(shè)備和資產(chǎn)管理等領(lǐng)域的信息化工作提供有益的參考和借鑒。