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基于RFID 的石油运输车阀门监控装置的研究
作者：白德海 李相平 曹静
来源：RFID世界网
日期：2007-12-17 16:49:14
摘要：本课题是基于RFID（无线射频技术）的油罐车出油口阀门监控系统的研究，使用nRF2401 射频收发芯片开发系统天线，利用AT89S8252 单片机作为RFID 系统阅读器以及机械机构控制单元，采用USB 作为与PC 机通信接口，并且用VB 开发了基于PC 机平台的上位机应用软件。经过新疆地区测试表明系统可以稳定运行。
1. 引 言
新疆地区石油资源丰富，石油资源分布广泛，油井与集中存储区域距离很远，因此需要油罐车将各地开采的石油运输到集中的存储区，然后再通过管道输送到内地。在石油运输的过程中，由于当地地广人稀，人民生活不富裕，因此养成了靠油吃油的传统，盗油现象十分普遍，运输车队因此损失巨大。基于这种情况，车队希望能够开发一种监控装置，可以控制油罐车的每日装卸油次数、在非规定区域不得卸油等。
2. 电子锁的方案设计
3. 硬件系统设计
本设计的硬件包括了机械动作模块、射频天线模块、控制器模块和USB 接口模块等四个部分[1]，如图2 所示：
3.1 机械机构设计
机械部分的设计采用LR260 型直流电机，电压范围为DC1.2-12V，步进电机采用20BYG型，工作于DC3.0-12V，全部的机械结构简图如图3 所示：
3.2 射频天线设计
RFID（Radio Frequency Identification）无线射频技术，是80 年代起走向成熟的一项非接触式自动识别技术，它利用射频方式进行非接触式双向通信，以达到自动识别并交换数据的目的[2]。它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无需人工干预。因此RFID 技术具有很多突出的优点防水、防磁、耐高温、无机械磨损、寿命长、读取距离大、标签上数据可以加密、存储数据容量更大、存储信息更改自如等。
本设计中的射频天线模块使用基于2.4GHz 超高频的nRF2401 芯片，工作于2.4—2.5HzISM 频段，采用ShockBurstTM 收发模式，它使nRF2401 能够处理射频协议，在配置完成后，在nRF2401 工作的过程中，只需改变其最第一个字节中的内容，就可以实现接收模式和发送模式之间切换。其电源来自车载蓄电池[3]。
由于电磁干扰对射频天线起着决定性的影响，因此，在设计PCB 的过程中采用将高频放大、混频、解调、本振等部分分开，数字地与模拟地分离，尽量减小信号环路面积，并与相应的滤波电路的地线就近相接，全PCB 版敷铜，在合适位置开过孔等方式，尽量减少电磁干扰[4]。
3.3 阅读及控制器设计
阅读器采用带有EEPROM 的AT89S8252 单片机，采用地址、数据和控制三总线方式，串行方式读取nRF2401 发送过来的16 位ID 信息，并将其存储于EEPROM 中，然后通过ISP1581 采用USB2.0 的Bulk Only 方式上传到PC 终端。
对直流电机的控制包括正转、反转和时间控制。由于动作距离短，因此对时间的要求比较严格，正/反转一次的时间为1.2 秒，单片机的P2.0 引脚写1 表示电机正转1.2 秒，写0表示反转1.2 秒。步进电机用于控制阀门扳手头部的锁销，当需要对装置进行修理、拆卸时，需要控制阅读器向射频天线写8 位开启密码，然后通过与控制器中EEPROM 中的密码相比对，正确步进电机正转，打开锁销。
3.4 USB 接口
USB 接口采用PHILIPS 公司生产的ISP1581 芯片，该芯片是不带微处理器的专用USB接口芯片，完全符合USB 2.0 规范，并为基于微控制器或微处理器的系统提供了高速USB通信能力[5]。USB 接口与控制器设计为一块电路板，这样做的目的是减少系统故障可能以及降低成本，并且接口简便，提高数据传送速率。
接口采用USB2.0 协议，采用Mass Storage 子类协议，用Bulk Only 传输方式。AT89S8252使用控制0 通道对ISP1581 进行配置，配置的寄存器包括了需要预置初值的寄存器、数据流寄存器和常规寄存器。需要预置初值的寄存器有:地址寄存器、方式寄存器、中断配置寄存器、中断使能寄存器。数据流寄存器有:端点MaxPacketSize 寄存器、端点索引寄存器、控制功能寄存器、端点类型寄存器、短包等。定义的常规寄存器有:帧数目寄存器、测试方式寄存器等[6]。
4. 软件开发
整个的软件包括下位机和上位机两部分，包括了射频收发、电机控制、USB 接口、WDM驱动和应用程序等，其中射频收发、电机控制、USB 接口控制属于下位机模块，其流程图如图4 所示：
5. 系统试验和测试
系统于2007 年初开发完毕，送往新疆地区实地测试，测试的内容包括通信距离、温度对系统的影响、车辆颠簸对系统的影响、污染的影响等几项。nRF2401 的理论通信距离为200 米，但是在包括电磁干扰、功率影响等干扰下，其实际测试的距离大概为150 米，即在150 米以后有丢失数据的现象，但是在100 米范围内完全可以做到不丢失数据，而一个油罐的范围为89 米，因此可以保证数据完成和准确。由于新疆地区昼夜温差大，因此进行了晚间的试验，结果表明在零下30○C 的环境下可以正常工作。污染的影响，用石油将出油口的监控装置糊住，然后再50 米处和150 米处测试其性能，试验表明完全不受影响。 最后是颠簸试验，由于整个测试过程中油罐车一直在工作，因此经受住了大概一个星期的考验，结果表明其能够承受新疆地区复杂的路况和天气情况。
6. 总结
整个设计于2006 年10 月份开始，到2007 年2 月开发完毕。系统采用了目前比较流行的两种技术，即无线射频技术和USB 技术，用C 语言开发了全部的固件程序，用基于VC的DriverStudio2.9 开发了USB 的WDM 驱动程序，使用VB 语言开发了基于ACCESS 数据库的应用程序，经验证表明系统可以可靠的运行。
参考文献
[1]张益强，郑铭，张其善．远距离无源射频识别系统设计[J]．遥测遥控，2004.7：2～3．
[2][德]Klaus Finkenzeller 著．射频识别（RFID）技术——无线电感应的应答器和非接触IC 卡的原理与应用[M]．电子工业出版社，2002：5～7．
[3]NORDIC Semiconductor．Single Chip 2.4GHz Transceiver nRF2401A [J]．DATASHEET，2004：17～18．
[4]范博．射频电路原理与实用电路设计 [M] ．北京：机械工业出版社，2006：249～250．
[5]马伟．计算机USB 系统原理及其主/从机设计[M]．北京航空航天大学出版社，2004：108～116．
[6]周立功等．PDIUSBD12 USB 固件编程与驱动开发[M] ．北京：北京航空航天大学出版社，2002：177～201．
[7]先锋工作室．单片机程序设计实例[M] ．北京：清华大学出版社，2004：300～302．
[8][美]Chris Cant 著． Windows WDM 设备驱动程序开发指南[M] ．马莉波，，孙义，国雪飞，等译，北京：机械工业出版社，2004：323～324．
[9]杨晶．VB6.0 程序设计教程与实训 [M] ．北京：科学出版社，2006：102～118．
新疆地区石油资源丰富，石油资源分布广泛，油井与集中存储区域距离很远，因此需要油罐车将各地开采的石油运输到集中的存储区，然后再通过管道输送到内地。在石油运输的过程中，由于当地地广人稀，人民生活不富裕，因此养成了靠油吃油的传统，盗油现象十分普遍，运输车队因此损失巨大。基于这种情况，车队希望能够开发一种监控装置，可以控制油罐车的每日装卸油次数、在非规定区域不得卸油等。
2. 电子锁的方案设计
3. 硬件系统设计
本设计的硬件包括了机械动作模块、射频天线模块、控制器模块和USB 接口模块等四个部分[1]，如图2 所示：
3.1 机械机构设计
机械部分的设计采用LR260 型直流电机，电压范围为DC1.2-12V，步进电机采用20BYG型，工作于DC3.0-12V，全部的机械结构简图如图3 所示：
3.2 射频天线设计
RFID（Radio Frequency Identification）无线射频技术，是80 年代起走向成熟的一项非接触式自动识别技术，它利用射频方式进行非接触式双向通信，以达到自动识别并交换数据的目的[2]。它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无需人工干预。因此RFID 技术具有很多突出的优点防水、防磁、耐高温、无机械磨损、寿命长、读取距离大、标签上数据可以加密、存储数据容量更大、存储信息更改自如等。
本设计中的射频天线模块使用基于2.4GHz 超高频的nRF2401 芯片，工作于2.4—2.5HzISM 频段，采用ShockBurstTM 收发模式，它使nRF2401 能够处理射频协议，在配置完成后，在nRF2401 工作的过程中，只需改变其最第一个字节中的内容，就可以实现接收模式和发送模式之间切换。其电源来自车载蓄电池[3]。
由于电磁干扰对射频天线起着决定性的影响，因此，在设计PCB 的过程中采用将高频放大、混频、解调、本振等部分分开，数字地与模拟地分离，尽量减小信号环路面积，并与相应的滤波电路的地线就近相接，全PCB 版敷铜，在合适位置开过孔等方式，尽量减少电磁干扰[4]。
3.3 阅读及控制器设计
阅读器采用带有EEPROM 的AT89S8252 单片机，采用地址、数据和控制三总线方式，串行方式读取nRF2401 发送过来的16 位ID 信息，并将其存储于EEPROM 中，然后通过ISP1581 采用USB2.0 的Bulk Only 方式上传到PC 终端。
对直流电机的控制包括正转、反转和时间控制。由于动作距离短，因此对时间的要求比较严格，正/反转一次的时间为1.2 秒，单片机的P2.0 引脚写1 表示电机正转1.2 秒，写0表示反转1.2 秒。步进电机用于控制阀门扳手头部的锁销，当需要对装置进行修理、拆卸时，需要控制阅读器向射频天线写8 位开启密码，然后通过与控制器中EEPROM 中的密码相比对，正确步进电机正转，打开锁销。
3.4 USB 接口
USB 接口采用PHILIPS 公司生产的ISP1581 芯片，该芯片是不带微处理器的专用USB接口芯片，完全符合USB 2.0 规范，并为基于微控制器或微处理器的系统提供了高速USB通信能力[5]。USB 接口与控制器设计为一块电路板，这样做的目的是减少系统故障可能以及降低成本，并且接口简便，提高数据传送速率。
接口采用USB2.0 协议，采用Mass Storage 子类协议，用Bulk Only 传输方式。AT89S8252使用控制0 通道对ISP1581 进行配置，配置的寄存器包括了需要预置初值的寄存器、数据流寄存器和常规寄存器。需要预置初值的寄存器有:地址寄存器、方式寄存器、中断配置寄存器、中断使能寄存器。数据流寄存器有:端点MaxPacketSize 寄存器、端点索引寄存器、控制功能寄存器、端点类型寄存器、短包等。定义的常规寄存器有:帧数目寄存器、测试方式寄存器等[6]。
4. 软件开发
整个的软件包括下位机和上位机两部分，包括了射频收发、电机控制、USB 接口、WDM驱动和应用程序等，其中射频收发、电机控制、USB 接口控制属于下位机模块，其流程图如图4 所示：
5. 系统试验和测试
系统于2007 年初开发完毕，送往新疆地区实地测试，测试的内容包括通信距离、温度对系统的影响、车辆颠簸对系统的影响、污染的影响等几项。nRF2401 的理论通信距离为200 米，但是在包括电磁干扰、功率影响等干扰下，其实际测试的距离大概为150 米，即在150 米以后有丢失数据的现象，但是在100 米范围内完全可以做到不丢失数据，而一个油罐的范围为89 米，因此可以保证数据完成和准确。由于新疆地区昼夜温差大，因此进行了晚间的试验，结果表明在零下30○C 的环境下可以正常工作。污染的影响，用石油将出油口的监控装置糊住，然后再50 米处和150 米处测试其性能，试验表明完全不受影响。 最后是颠簸试验，由于整个测试过程中油罐车一直在工作，因此经受住了大概一个星期的考验，结果表明其能够承受新疆地区复杂的路况和天气情况。
6. 总结
整个设计于2006 年10 月份开始，到2007 年2 月开发完毕。系统采用了目前比较流行的两种技术，即无线射频技术和USB 技术，用C 语言开发了全部的固件程序，用基于VC的DriverStudio2.9 开发了USB 的WDM 驱动程序，使用VB 语言开发了基于ACCESS 数据库的应用程序，经验证表明系统可以可靠的运行。
参考文献
[1]张益强，郑铭，张其善．远距离无源射频识别系统设计[J]．遥测遥控，2004.7：2～3．
[2][德]Klaus Finkenzeller 著．射频识别（RFID）技术——无线电感应的应答器和非接触IC 卡的原理与应用[M]．电子工业出版社，2002：5～7．
[3]NORDIC Semiconductor．Single Chip 2.4GHz Transceiver nRF2401A [J]．DATASHEET，2004：17～18．
[4]范博．射频电路原理与实用电路设计 [M] ．北京：机械工业出版社，2006：249～250．
[5]马伟．计算机USB 系统原理及其主/从机设计[M]．北京航空航天大学出版社，2004：108～116．
[6]周立功等．PDIUSBD12 USB 固件编程与驱动开发[M] ．北京：北京航空航天大学出版社，2002：177～201．
[7]先锋工作室．单片机程序设计实例[M] ．北京：清华大学出版社，2004：300～302．
[8][美]Chris Cant 著． Windows WDM 设备驱动程序开发指南[M] ．马莉波，，孙义，国雪飞，等译，北京：机械工业出版社，2004：323～324．
[9]杨晶．VB6.0 程序设计教程与实训 [M] ．北京：科学出版社，2006：102～118．
