基于 RFID 的天车避碰系统的设计

　　1 引言

　　天车是桥式起重机的简称，它是桥架在高架轨道上运行的一种桥架型起重机，天车的桥架沿铺设在两侧高架上的轨道纵向运行，起重小车沿铺设在桥架上的轨道横向运行，构成一个矩形的工作范围，就可以充分利用桥架下面的空间吊运物料，不受地面设备的阻碍。有的现场是在一个车间里同时有两台或两台以上的天车。在视角很小的情况下，天车司机要想准确控制天车的位置是很困难的，有可能因操作而发生天车碰撞的事故，造成人员、设备、财产的重大损失。考虑到以上因素，本设计利用RFD定位，并采用nR 05无线传输模块传输两台天车的各自位置信息，再由控制器做出动态LED位置显示、行驶方向判断、近距离报警、停车控制。与传统的天车防碰装置相比，系统受环境的影响小，不受视距影响，提高了系统控制的精确度。因此，基于RFID的无线天车避碰系统将逐步取代传统天车避碰系统。

　　2 系统构成

　　在本系统中。需要控制和监测的两台天车处于同一车问的上下两条轨道上，示意平面图如下图1所示：

图1 天车车间示意图

　　在图中上天车在吊装物件时，在吊钩处于下放的过程中，上天车的吊钩可能会碰撞到下天车上。改造之前，基本是靠人眼看和喊话进行控制，但是天车司机长时间操作可能造成生产车间的天车碰撞事故。系统选择基于RFID的无线天车避碰控制方法。

　　首先在上下天车驾驶室上分别固定上一个RFID阅读器，然后在靠近天车驾驶室的上天车轨道上每0．5m 贴上一个RFID标签，下天车轨道上也是等距离的贴上RFID标签。当一辆天车运动的时候。阅读器也是跟着运动，同时读取到不同卡片上的位置信息。我们给定上天车在图1中XY平面上的坐标为：(x ，0)，下天车在XY平面上的坐标为：(x ，0)，那么两天车在X轴方向上的距离是：

　　考虑到吊钩处于小滑车横梁的中间某一位置，所以考虑到修正值z，则上天车吊钩到下天车的距离为：

　　最后根据x_down ，x_up，z，D₂，系统做出动态LED位置显示、行驶方向判断、近距离报警、停车控制。

　　3 系统硬件设计

　　3．1 RFID模块

　　RFID(Radio Frequency Identification)也就是射频识别技术，RFID系统由3部分组成电子标签(Tag)、读卡器(Reader)和在标签与读卡器之间传递射频信号的微型天线(Antenna)。

图2 RFID工作原理图

　　RFID工作原理如图2所示，读卡器将要发送的信息，经编码后加载在某一频率的载波信号上经天线向外发送，当电子标签进入发射天线工作区域后，收到读卡器发出的射频信号，卡内芯片中的有关电路对此信号进行调制、解码、解密，然后对命令请求、密码、权限等进行判断。接着通过调制解码将存储在芯片中自身的相关信息加入到反射回去的射频信号中，电子标签凭借感应电流所获得的能量或者主动将某一频率的信号(Active Tag有源标签或主动标签)发送给读卡器。系统接收天线接收到从电子标签发送来的载波信号，经天线调节器传送到读卡器，读卡器读对接收的信号进行解调和解码后，将其送至中央信息系统进行有关数据处理。中央信息系统根据逻辑运算判断该电子标签的合法性，针对不同的设定做出相应的处理和控制，如录入相关数据、显示有关信息或者发出指令信号控制执行机构动作。

　　本设计选用读卡器的型号是U HF远距离一体化读写器，读卡器工作频率是902MHZ一928MHZ，内置水平极化天线，通信口可以是RS一232和RS-4852。通信速率由软件设定，最高可达57600bps。可靠读取距离15米电源是直流12V，平均功耗小于5瓦，工作温度为-35^。~+60^。。标签考虑到现场的金属环境，选用的是防金属的EPC可读写标签。

　　3．2 无线传输模块

　　系统中无线射频收发芯片选用nRF905，nRF905是Nordic VLSI公司推出的单片射频收发器， 工作电压为1．9V～3．6V，工作于433MHz、868MHz、915MHz 3个ISM频段，频道转换时间小于650μS，最大数据速率为100 Kbit／s。nRF905由频率合成器、接收解调器、功率放大器、晶体振荡器和GFSK 调制器组成。无需外加声表面滤波器，ShockBurst工作模式，自动处理字头和CRC，使用SPI接口与微控制器通信，配置方便。此外，其功耗低，以-10 dBm 输出功率发射时电流仅11mA，工作在接收模式时电流为l2．5mA，具有空闲模式与关机模式，易于实现功率管理。

　　3．3 硬件电路的设计

图3 硬件系统框图

图4 系统控制总图

　　本设计的硬件结构包括：电源电路、微处理器、音频报警、时钟电路、数码管显示、控制继电器停车。如图2。在系统中，RFID读卡器的接口是UART串口nRF9905无线传输模块是SPI接口，数码管驱动选用的是有IIC接口的芯片。单片机采用了C8051F020微处理器。C8051F020单片机片内含CIP一51的CPU内核，它的指令系统与MCS一51完全兼容。单片机含有64kB片内Flash程序存储器，4352B的RAM、8个I／0端口共64根I／O 口线、5个1 6位通用定时器、看门狗定时器、VDD监视器等部分。C8051F020单片机有2个UART 1：3，1个SPI口。1个和IIC兼容的SMBUS 口。与以前的51系列单片机相比，C8051F020增添了许多功能，同时其可靠性和速度也有了很大提高。

　　4 系统的软件设计

　　系统软件如图4所示，主要由初始化、读取标签信息、无线数据传输、数据处理，位置显示、报警和停车部分组成。在本系统中，上下天车控制器中采用同一个程序，当一个天车读卡器读到一张标签信息的时候，首先判断是否是一张新的标签信息，如果是新标签，则存储标签信息，并且由nRF905无线模块发动新标签信息。接着系统检测是否收到另外一台读卡器的发出的新标签信息，如果收到就存储。最后再由控制器分析处理标签信息，控制天车位置显示，运行方向显示。判断两辆天车在水平方向上的距离，如果距离D，在3m<D₂≤5m内，系统进行声光报警，如果距离D，在0<D₂≤3m 范围内，停车信号输出。

　　5 结束语

　　本设计选用基于RFID技术的方法，通过贴在天车轨道上的标签来确定两辆天车的位置，使天车避碰系统更加精确。同时采用的RFID和无线数据传输技术，使系统受环境和机械影响小。该系统作为天车运行的安全保护装置，已成功应用在冶钢天车安全控制中，使天车操作的工作效率提高，有效的避免了天车碰撞事故的发生。