基于RFID的天車避碰系統(tǒng)的設(shè)計

　　1 引 言

　　天車是橋式起重機的簡稱，它是橋架在高架軌道上運行的一種橋架型起重機，天車的橋架沿鋪設(shè)在兩側(cè)高架上的軌道縱向運行，起重小車沿鋪設(shè)在橋架上的軌道橫向運行，構(gòu)成一個矩形的工作范圍，就可以充分利用橋架下面的空間吊運物料，不受地面設(shè)備的阻礙。有的現(xiàn)場是在一個車間里同時有兩臺或兩臺以上的天車。在視角很小的情況下，天車司機要想準(zhǔn)確控制天車的位置是很困難的，有可能因操作而發(fā)生天車碰撞的事故，造成人員、設(shè)備、財產(chǎn)的重大損失。考慮到以上因素，本設(shè)計利用RFD定位，并采用 nRF905無線傳輸模塊傳輸兩臺天車的各自位置信息，再由控制器做出動態(tài)LED位置顯示、行駛方向判斷、近距離報警、停車控制。與傳統(tǒng)的天車防碰裝置相比，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的無線天車避碰系統(tǒng)將逐步取代傳統(tǒng)天車避碰系統(tǒng)。

　　2 系統(tǒng)構(gòu)成

　　在本系統(tǒng)中，需要控制和監(jiān)測的兩臺天車處于同一車間的上下兩條軌道上，示意平面圖如下圖1所示：

圖1 天車車間示意圖

　　在圖中上天車在吊裝物件時，在吊鉤處于下放的過程中，上天車的吊鉤可能會碰撞到下天車上。改造之前，基本是靠人眼看和喊話進(jìn)行控制，但是天車司機長時間操作可能造成生產(chǎn)車間的天車碰撞事故。系統(tǒng)選擇基于RFID的無線天車避碰控制方法。

　　首先在上下天車駕駛室上分別固定上一個RFID閱讀器，然后在靠近天車駕駛室的上天車軌道上每0.5m 貼上一個RFID標(biāo)簽，下天車軌道上也是等距離的貼上RFID標(biāo)簽。當(dāng)一輛天車運動的時候。閱讀器也是跟著運動，同時讀取到不同卡片上的位置信息。我們給定上天車在圖1中XY平面上的坐標(biāo)為：(x ，0)，下天車在XY平面上的坐標(biāo)為：(x ，0)，那么兩天車在X軸方向上的距離是：

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

　　最后根據(jù)xdown ，xup，z，D2，系統(tǒng)做出動態(tài)LED位置顯示、行駛方向判斷、近距離報警、停車控制。

　　3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　3.1 RFID模塊

　　RFID(Radio Frequency Identification)也就是射頻識別技術(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的微型天線(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上經(jīng)天線向外發(fā)送，當(dāng)電子標(biāo)簽進(jìn)入發(fā)射天線工作區(qū)域后，收到讀卡器發(fā)出的射頻信號，卡內(nèi)芯片中的有關(guān)電路對此信號進(jìn)行調(diào)制、解碼、解密，然后對命令請求、密碼、權(quán)限等進(jìn)行判斷。接著通過調(diào)制解碼將存儲在芯片中自身的相關(guān)信息加入到反射回去的射頻信號中，電子標(biāo)簽憑借感應(yīng)電流所獲得的能量或者主動將某一頻率的信號(Active Tag有源標(biāo)簽或主動標(biāo)簽)發(fā)送給讀卡器。系統(tǒng)接收天線接收到從電子標(biāo)簽發(fā)送來的載波信號，經(jīng)天線調(diào)節(jié)器傳送到讀卡器，讀卡器讀對接收的信號進(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)邏輯運算判斷該電子標(biāo)簽的合法性，針對不同的設(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)出指令信號控制執(zhí)行機構(gòu)動作。

　　本設(shè)計選用讀卡器的型號是U HF遠(yuǎn)距離一體化讀寫器，讀卡器工作頻率是902MHZ一928MHZ，內(nèi)置水平極化天線，通信口可以是RS-232和RS-4852。通信速率由軟件設(shè) 定，最高可達(dá)57600bps。可靠讀取距離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)場的金屬環(huán)境，選用的 是防金屬的EPC可讀寫標(biāo)簽。

　　3.2 無線傳輸模塊

　　系統(tǒng)中無線射頻收發(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ISM頻段，頻道轉(zhuǎn)換時間小于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。無需外加聲表面濾波器，ShockBurst工作模式，自動處理字頭和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)射時電流僅11mA，工作在接收模式時電流為l2.5mA，具有空閑模式與關(guān)機模式，易于實現(xiàn)功率管理。

　　3.3 硬件電路的設(shè)計

圖3 硬件系統(tǒng)框圖

圖4 系統(tǒng)控制總圖

　　本設(shè)計的硬件結(jié)構(gòu)包括：電源電路、微處理器、音頻報警、時鐘電路、數(shù)碼管顯示、控制繼電器停車。如圖2。在系統(tǒng)中，RFID讀卡器的接口是UART串口 nRF9905無線傳輸模塊是SPI接口，數(shù)碼管驅(qū)動選用的是有IIC接口的芯片。單片機采用了C8051F020微處理器。C8051F020單片機片 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。單片機含有64kB片內(nèi)Flash程序存儲器，4352B的RAM、8個I/0端口 共64根I/O 口線、5個1 6位通用定時器、看門狗定時器、VDD監(jiān)視器等部分。C8051F020單片機有2個UART 1：3，1個SPI口。1個和IIC兼容的SMBUS 口。與以前的51系列單片機相比，C8051F020增添了許多功能，同時其可靠性和速度也有了很大提高。

　　4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

　　系統(tǒng)軟件如圖4所示，主要由初始化、讀取標(biāo)簽信息、無線數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理，位置顯示、報警和停車部分組成。在本系統(tǒng)中，上下天車控制器中采用同一個程 序，當(dāng)一個天車讀卡器讀到一張標(biāo)簽信息的時候，首先判斷是否是一張新的標(biāo)簽信息，如果是新標(biāo)簽，則存儲標(biāo)簽信息，并且由nRF905無線模塊發(fā)動新標(biāo)簽信 息。接著系統(tǒng)檢測是否收到另外一臺讀卡器的發(fā)出的新標(biāo)簽信息，如果收到就存儲。最后再由控制器分析處理標(biāo)簽信息，控制天車位置顯示，運行方向顯示。判斷兩 輛天車在水平方向上的距離，如果距離D，在3m

　　5 結(jié)束語

　　本設(shè)計選用基于RFID技術(shù)的方法，通過貼在天車軌道上的標(biāo)簽來確定兩輛天車的位置，使天車避碰系統(tǒng)更加精確。同時采用的RFID和無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，使 系統(tǒng)受環(huán)境和機械影響小。該系統(tǒng)作為天車運行的安全保護(hù)裝置，已成功應(yīng)用在冶鋼天車安全控制中，使天車操作的工作效率提高，有效的避免了天車碰撞事故的發(fā) 生。