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基于RFID和WSNs的鋼瓶綜合監(jiān)管系統(tǒng)
作者：邴志嘲 ，黨瓊 ，都銘 ，劉媛
來源：RFID世界網(wǎng)
日期：2009-07-02 14:51:48
摘要：針對(duì)傳統(tǒng)監(jiān)管方式在效率、實(shí)時(shí)性、可靠性、便捷性等方面存在的問題，運(yùn)用RFID技術(shù)實(shí)現(xiàn)鋼瓶、運(yùn)輸車輛和操作人員等對(duì)象的識(shí)別，使用WSNs技術(shù)實(shí)現(xiàn)鋼瓶充裝、存儲(chǔ)等流程環(huán)境參數(shù)的分布式監(jiān)控。給出系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)和工作流程以及關(guān)鍵硬件功能模塊的設(shè)計(jì)。實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)鋼瓶監(jiān)管快速、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的信息采集與處理的綜合解決方案。
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(cái)產(chǎn)的安全，是各級(jí)安全生產(chǎn)和質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督部門的工作重點(diǎn)之一。對(duì)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(hào))、紙介表單、人工查看和手動(dòng)操作方式無法滿足對(duì)鋼瓶使用全流程、整個(gè)生命周期的管理和跟蹤等需求。本文綜合運(yùn)用無線射頻識(shí)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(jì)
2．1 RFID與WSNs簡介
RFID是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，其基本原理是利用射頻信號(hào)和空間耦合(電感或電磁耦合)的傳輸特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)被識(shí)別物體的自動(dòng)識(shí)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(hào)；當(dāng)RFID標(biāo)簽進(jìn)入讀寫器的工作區(qū)域時(shí)，無源標(biāo)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(biāo)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(jìn)行工作)；讀寫器對(duì)來自標(biāo)簽的載波信號(hào)進(jìn)行解調(diào)和解碼后直接處理或送至其他計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行處理；RFID讀寫器(屬于典型的嵌入式系統(tǒng))或計(jì)算機(jī)系統(tǒng)判斷標(biāo)簽的合法性，進(jìn)而做出相應(yīng)的處理和控制；RFID標(biāo)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(jìn)而完成存儲(chǔ)、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(yán)格受限的全分布式系統(tǒng)，通常采用多跳對(duì)等的通信方式，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)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(shí)現(xiàn)在智能傳感節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的各種傳感器所收集的信息識(shí)別環(huán)境，對(duì)網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域進(jìn)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(diǎn)；▲表示簇頭；■表示網(wǎng)關(guān)(中心節(jié)點(diǎn))。
本文設(shè)計(jì)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。
(1)感知層
粘貼于鋼瓶和操作人員身上的高頻無源RFID標(biāo)簽，以及固定在車輛(包括運(yùn)輸車輛和叉車等)上的超高頻有源RFID標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)對(duì)所附著對(duì)象的標(biāo)識(shí)功能。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)配備各類傳感器，可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)控的環(huán)境智能，滿足對(duì)鋼瓶充裝、存儲(chǔ)等流程溫度、濕度、振動(dòng)、成分等環(huán)境信息的分布式監(jiān)控需求。上述信息可以進(jìn)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(diǎn))進(jìn)行識(shí)別、處理和融合。
(2)監(jiān)控層
現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控機(jī)由工控機(jī)(IPC)實(shí)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(duì)象信息的作業(yè)管理和監(jiān)控，以及聯(lián)動(dòng)設(shè)備控制等。
(3)管理層
標(biāo)簽及節(jié)點(diǎn)發(fā)行工作站的主要功能是對(duì)涉及鋼瓶監(jiān)管操作、人員管理和設(shè)備管理的標(biāo)簽及節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理，包括發(fā)行(注冊(cè))、回收(注銷)、更換等，同時(shí)承擔(dān)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(shí)庫(如類屬、特性、存儲(chǔ)要求、運(yùn)輸要求、應(yīng)急預(yù)案及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、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(jì)，以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫擴(kuò)展功能；針對(duì)各個(gè)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(dāng)?shù)陌踩珯C(jī)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(jí)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(duì)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)和功能模塊進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整和組合。例如，對(duì)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(tái)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。3層結(jié)構(gòu)中管理層與監(jiān)控層可能合并從而進(jìn)一步扁平化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控機(jī)與數(shù)據(jù)服務(wù)器之間具有數(shù)據(jù)定期同步機(jī)制?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控機(jī)、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(jì)
通信功能是本文所設(shè)計(jì)的綜合監(jiān)管系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中須重點(diǎn)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(diǎn))與普通傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、RFID標(biāo)簽與讀寫器通過射頻通信實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)信息的交互。
(2)手持式RFID讀寫器與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控機(jī)之間采用藍(lán)牙通信方式，完成鋼瓶與特種車輛的信息交互。
(3)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控機(jī)與WSNs網(wǎng)關(guān)(中心節(jié)點(diǎn))之間，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控機(jī)與(固定式)RFID讀寫器之間通過現(xiàn)場(chǎng)總線(具體采用CAN總線)實(shí)現(xiàn)串行通信，分別進(jìn)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(shí)現(xiàn)監(jiān)管信息交互。
3 系統(tǒng)工作流程分析與設(shè)計(jì)
針對(duì)鋼瓶的作業(yè)主要涉及鋼瓶建檔、標(biāo)簽粘貼、空瓶清點(diǎn)、鋼瓶檢驗(yàn)、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。
RFID標(biāo)簽ID號(hào)與鋼瓶的唯一編號(hào)相對(duì)應(yīng)，采用可讀寫標(biāo)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(yàn)、充裝、發(fā)放相關(guān)信息，如下次檢驗(yàn)時(shí)間、充裝時(shí)間、發(fā)放時(shí)間、發(fā)放地址等)。通過讀寫器(手持式或固定器)對(duì)鋼瓶標(biāo)簽信息進(jìn)行識(shí)別和數(shù)據(jù)寫入，進(jìn)而與監(jiān)控機(jī)、數(shù)據(jù)中心和應(yīng)用服務(wù)器進(jìn)行信息交互。
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(diǎn))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”。
采用該綜合控制器(在現(xiàn)場(chǎng)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(diǎn))和讀寫器，能夠通過與鋼瓶標(biāo)簽、傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的信息交互所獲得的環(huán)境、對(duì)象的基本信息，運(yùn)用分布式信息檢索技術(shù)和通信技術(shù)，由本地或遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)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(jī)接口方面有一些區(qū)別。
4．2 傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和超高頻有源RFID標(biāo)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(diǎn)和超高頻有源RFID 標(biāo)簽。具體可以設(shè)置成2種工作方式：(1)定時(shí)發(fā)送ID，其余時(shí)間處于休眠狀態(tài)；(2)讀寫器喚醒方式，即平時(shí)處于休眠狀態(tài)，定時(shí)轉(zhuǎn)入接收狀態(tài)，當(dāng)有讀寫器搜尋時(shí)被喚醒并與讀寫器進(jìn)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(biāo)簽
無源鋼瓶標(biāo)簽由于需要直接粘貼在金屬表面，標(biāo)簽須經(jīng)過特殊處理，如在標(biāo)簽底部襯上一層隔磁材料，并且表面經(jīng)過滴塑保護(hù)以避免因碰撞等原因損壞標(biāo)簽。無源金屬標(biāo)簽按協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)具體分為ISO15693標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)簽和ISO14443A標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)簽2類，典型工作頻率為13．56 MHz。
5 結(jié)束語
本文設(shè)計(jì)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(yùn)行，檢驗(yàn)、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(shí)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(dòng)強(qiáng)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。
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(cái)產(chǎn)的安全，是各級(jí)安全生產(chǎn)和質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督部門的工作重點(diǎn)之一。對(duì)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(hào))、紙介表單、人工查看和手動(dòng)操作方式無法滿足對(duì)鋼瓶使用全流程、整個(gè)生命周期的管理和跟蹤等需求。本文綜合運(yùn)用無線射頻識(shí)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(jì)
2．1 RFID與WSNs簡介
RFID是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，其基本原理是利用射頻信號(hào)和空間耦合(電感或電磁耦合)的傳輸特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)被識(shí)別物體的自動(dòng)識(shí)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(hào)；當(dāng)RFID標(biāo)簽進(jìn)入讀寫器的工作區(qū)域時(shí)，無源標(biāo)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(biāo)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(jìn)行工作)；讀寫器對(duì)來自標(biāo)簽的載波信號(hào)進(jìn)行解調(diào)和解碼后直接處理或送至其他計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行處理；RFID讀寫器(屬于典型的嵌入式系統(tǒng))或計(jì)算機(jī)系統(tǒng)判斷標(biāo)簽的合法性，進(jìn)而做出相應(yīng)的處理和控制；RFID標(biāo)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(jìn)而完成存儲(chǔ)、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(yán)格受限的全分布式系統(tǒng)，通常采用多跳對(duì)等的通信方式，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)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(shí)現(xiàn)在智能傳感節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的各種傳感器所收集的信息識(shí)別環(huán)境，對(duì)網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域進(jìn)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(diǎn)；▲表示簇頭；■表示網(wǎng)關(guān)(中心節(jié)點(diǎn))。
圖1 典型的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
本文設(shè)計(jì)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)
(1)感知層
粘貼于鋼瓶和操作人員身上的高頻無源RFID標(biāo)簽，以及固定在車輛(包括運(yùn)輸車輛和叉車等)上的超高頻有源RFID標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)對(duì)所附著對(duì)象的標(biāo)識(shí)功能。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)配備各類傳感器，可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)控的環(huán)境智能，滿足對(duì)鋼瓶充裝、存儲(chǔ)等流程溫度、濕度、振動(dòng)、成分等環(huán)境信息的分布式監(jiān)控需求。上述信息可以進(jìn)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(diǎn))進(jìn)行識(shí)別、處理和融合。
(2)監(jiān)控層
現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控機(jī)由工控機(jī)(IPC)實(shí)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(duì)象信息的作業(yè)管理和監(jiān)控，以及聯(lián)動(dòng)設(shè)備控制等。
(3)管理層
標(biāo)簽及節(jié)點(diǎn)發(fā)行工作站的主要功能是對(duì)涉及鋼瓶監(jiān)管操作、人員管理和設(shè)備管理的標(biāo)簽及節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理，包括發(fā)行(注冊(cè))、回收(注銷)、更換等，同時(shí)承擔(dān)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(shí)庫(如類屬、特性、存儲(chǔ)要求、運(yùn)輸要求、應(yīng)急預(yù)案及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、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(jì)，以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫擴(kuò)展功能；針對(duì)各個(gè)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(dāng)?shù)陌踩珯C(jī)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(jí)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(duì)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)和功能模塊進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整和組合。例如，對(duì)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(tái)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。3層結(jié)構(gòu)中管理層與監(jiān)控層可能合并從而進(jìn)一步扁平化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控機(jī)與數(shù)據(jù)服務(wù)器之間具有數(shù)據(jù)定期同步機(jī)制?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控機(jī)、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(jì)
通信功能是本文所設(shè)計(jì)的綜合監(jiān)管系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中須重點(diǎn)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(diǎn))與普通傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、RFID標(biāo)簽與讀寫器通過射頻通信實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)信息的交互。
(2)手持式RFID讀寫器與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控機(jī)之間采用藍(lán)牙通信方式，完成鋼瓶與特種車輛的信息交互。
(3)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控機(jī)與WSNs網(wǎng)關(guān)(中心節(jié)點(diǎn))之間，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控機(jī)與(固定式)RFID讀寫器之間通過現(xiàn)場(chǎng)總線(具體采用CAN總線)實(shí)現(xiàn)串行通信，分別進(jìn)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(shí)現(xiàn)監(jiān)管信息交互。
3 系統(tǒng)工作流程分析與設(shè)計(jì)
針對(duì)鋼瓶的作業(yè)主要涉及鋼瓶建檔、標(biāo)簽粘貼、空瓶清點(diǎn)、鋼瓶檢驗(yàn)、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
RFID標(biāo)簽ID號(hào)與鋼瓶的唯一編號(hào)相對(duì)應(yīng)，采用可讀寫標(biāo)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(yàn)、充裝、發(fā)放相關(guān)信息，如下次檢驗(yàn)時(shí)間、充裝時(shí)間、發(fā)放時(shí)間、發(fā)放地址等)。通過讀寫器(手持式或固定器)對(duì)鋼瓶標(biāo)簽信息進(jìn)行識(shí)別和數(shù)據(jù)寫入，進(jìn)而與監(jiān)控機(jī)、數(shù)據(jù)中心和應(yīng)用服務(wù)器進(jìn)行信息交互。
圖4 鋼瓶建檔流程
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(diǎn))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)
采用該綜合控制器(在現(xiàn)場(chǎng)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(diǎn))和讀寫器，能夠通過與鋼瓶標(biāo)簽、傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的信息交互所獲得的環(huán)境、對(duì)象的基本信息，運(yùn)用分布式信息檢索技術(shù)和通信技術(shù)，由本地或遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)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(jī)接口方面有一些區(qū)別。
4．2 傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和超高頻有源RFID標(biāo)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(diǎn)和超高頻有源RFID 標(biāo)簽。具體可以設(shè)置成2種工作方式：(1)定時(shí)發(fā)送ID，其余時(shí)間處于休眠狀態(tài)；(2)讀寫器喚醒方式，即平時(shí)處于休眠狀態(tài)，定時(shí)轉(zhuǎn)入接收狀態(tài)，當(dāng)有讀寫器搜尋時(shí)被喚醒并與讀寫器進(jìn)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(biāo)簽
無源鋼瓶標(biāo)簽由于需要直接粘貼在金屬表面，標(biāo)簽須經(jīng)過特殊處理，如在標(biāo)簽底部襯上一層隔磁材料，并且表面經(jīng)過滴塑保護(hù)以避免因碰撞等原因損壞標(biāo)簽。無源金屬標(biāo)簽按協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)具體分為ISO15693標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)簽和ISO14443A標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)簽2類，典型工作頻率為13．56 MHz。
5 結(jié)束語
本文設(shè)計(jì)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(yùn)行，檢驗(yàn)、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(shí)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(dòng)強(qiáng)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。
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