在建船舶員工安全監控系統設計

(威海職業學院 船舶工程系，山東 威海 264210)

現代船舶建造是資金、技術、勞動力密集型產業。船舶工業生產具有生產周期長、高處作業多、立體交叉作業多、大件吊裝作業多、密閉艙室作業多、水上作業多等特點。建造員工的安全管理問題尤顯突出。為此，利用HF高頻RFID技術，建立船舶建造施工人員監控系統，以期提高船舶建造的安全管理水平。

1 員工安全監控系統結構簡介

基于RFID技術的在建船舶員工安全監控系統的結構見圖1。監控系統主要由主控系統、監控器終端組成。主控系統采用計算機，并連接GPRS無線模塊。

圖1 基于RDID技術的在建船舶施工人員監控系統結構

監控器終端放置于船舶建造的關鍵崗位，如：放置于在建船舶的舷梯入口。監控器終端通過RFID門型天線，讀取置于施工人員安全帽上的電子標簽信息，識別確認后可以通過安全門閘，并將檢測信息通過GPRS無線模塊傳輸到主控中心進行集中管理。

主控系統通過GPRS無線模塊與外圍監控器終端進行通信，監控器終端見圖2。

圖2 監控器終端結構示意

監控器終端采用STC89C52RD+處理器，并包含有RS232接口、SDRAM存儲器、實時時鐘電路、GPRS無線模塊、HF頻段RFID讀寫器、天線、以及其它控制電路等。

GPRS無線模塊采用SIMCOM公司生產的SIM300模塊。該模塊與MCU間采用3.6 V電平的標準異步串行口協議進行通信。

由于船舶建造現場環境比較復雜，本系統設備工作環境比較惡劣，外界干擾較多，在硬件設計中，采用多種抗干擾措施，主要有：信號傳輸屏蔽、減少電源共模干擾、設備機殼屏蔽隔離、輸入信號濾波、電路板合理分區等，同時考慮到信息傳遞距離較遠，在軟件設計中采取了數據重發機制和信號斷點續傳等技術，避免通信過程中信息丟失。為確保系統可靠工作，在結構設計上采取防水、防潮、防撞擊等措施[1-2]。

2 安全監控系統設計

2.1 監控器終端處理器硬件設計

監控器終端的主控器采用STC89C54RD+單片機。STC89C52RC單片機工作電壓5.5～3.4 V(5 V單片機)或3.8～2.0 V(3 V單片機)，最高頻率時鐘為80 MHz，flash存儲器為8 kb，RAM為512 b，可反復擦寫編程；工作溫度范圍是40～80 ℃，內置看門狗電路，內部電源供電系統、時鐘電路和復位電路都經過特殊處理；“6時鐘/機器周期”和“12時鐘/機器周期”可在ISP編程時反復設置。其突出的優點是：性價比高，完全兼容ATMEL公司的51單片機，無法解密、低功耗、高速、高可靠、強抗靜電、強抗干擾等。

綜合考慮處理器、GPRS無線模塊、RFID讀寫器部分，電源電路分別輸出3.6 V、5 V、24 V。

2.2 GPRS無線模塊通信網絡硬件設計

GPRS無線模塊采用SIMCOM公司生產的GPRS模塊SIM300。此模塊內嵌標準TCP/IP協議，接口采用TTL電平，外圍具有A/D、SPI、音頻、MIC接口等。

SIM300電源電壓范圍是3.4～4.5 V，低于3.4 V自動關閉模塊，而且在進行TCP/IP傳輸時，消耗的功率很大。電源采用低壓差可調穩壓芯片MIC29302bu，可以提供3 A輸出能力。SIM300模塊需外置一個sim卡座，插入申請GPRS服務的手機卡；天線采用MM9329-2700B射頻轉接器和通用的棒形天線。

SIM300模塊接口采用TTL電平，單片機采用串行通信方式控制SIM300模塊。

2.3 RFID遠距離讀取器設計

RFID遠距離讀寫器采用TI的TRF7960前端ASIC。TRF7960是德州儀器公司生產的一款高集成度的讀寫芯片，支持ISO/IEC14443(Type A和Type B)協議、ISO/IEC15693協議和Tag-it協議，工作頻率為13.56 MHz。它內部集成調制、解調和解碼電路，可直接驅動近操作距離的天線，其中調制電路可調制控制器發送來的命令和數據，并將其傳送給射頻系列電子標簽；解調電路用于解調射頻系列電子標簽送來的調制信號，處理數據幀和進行錯誤檢測。由于組件很少，讀卡器IC耗電、占用的空間也很少，因此可以解決敏感度和噪聲衰減問題。其他集成功能還包括故障檢查、數據格式化、成幀以及適合多讀卡器環境的防碰撞支持等。

TRF7960具有寬泛操作電壓(2.7～5.5 V)，與微控制器之間通信使用8位并行或者串行( SPI)靈活的通信方式。本系統TRF7960的基本外圍電路見圖3。

圖3 TRF7960外圍基本電路

為實現遠距離RFID電子標簽識別的目的，除了采用不同的天線結構外，必須在射頻ASIC與天線之間加入射頻功率放大電路。本系統硬件設計見圖4。功率放大電路由放大器輸入端濾波匹配、射頻放大、放大器輸出濾波匹配、50 Ω天線接口等電路組成。射頻功率放大電路設計為C類放大狀態，中心頻率為13.56 MHz，輸出功率4 W。兩級濾波匹配網絡的Q值設定在4～8之間。

TRF7960在單片機的控制下，將命令信號通過天線發送給RFID電子標簽，電子標簽接收到命令信號后作出響應。響應信號被天線接收后，進入射頻接收電路進行處理。發射的射頻載波幅度非常大，而接收信號幅度是非常微弱的。為保證TRF7960能夠有效接收電子標簽返回的響應信號，系統采用ASIC外部電路實現解調功能，將解調的基帶信號輸入給TRF7960的RX_AM端。外部射頻接收電路由接收輸入匹配、衰減、檢波器、無源帶通濾波、射隨器、4級有源濾波器等電路組成。射頻接收電路見圖5。

圖4 射頻功率放大電路

圖5 射頻接收電路

射頻發射功率放大電路與射頻接收電路采用大面積獨立地線處理方式，分別在TRF7960芯片處通過磁珠與系統地線連接，以降低相互干擾。

3 系統軟件設計

員工安全監控系統的程序包括：主控系統程序、監控器終端程序[3]。

3.1 主控系統程序設計

主控系統軟件是由Visual Basic和數據庫ACCESS共同編寫的管理軟件，主要實現在職員工信息登記、安全信息查詢和數據打印、員工在崗信息等。通信流程見圖6。

圖6 主控系統通信流程

3.2 監控器終端程序設計

終端CPU控制TRF7960，按照ISO15693協議發送射頻信號，經功率放大電路送至門型天線，處于天線電磁場范圍的員工所附的電子標簽響應，返回相關電子信息經接收電路送至TRF7960，經CPU變換為對應員工的編號、姓名、部門、工作崗位、安全等級等信息。此信息經無線模塊發送到主控系統進行數據處理。終端程序的核心是對TRF7960進行讀/寫電子標簽操作。CPU讀/寫1個Byte的C語言程序代碼如下。

//從1個地址讀出1個字節

uchar ReadSingle( unsigned char address) {

uchar buf;

P1= 0x00;

CLK=1;

P1= 0xff;

CLK=0;

address= (0x40|address) ;//地址，讀單個

address = ( 0x5f & addr ess) ;//寄存器地址

P1= addr ess;//發送命令

CLK= 1;

CLK= 0;

CLK= 1; //當CLK為高電平時輸出有效數據

buf = P1;

CLK= 0;

P1= 0x00;

P1| = 0x80;

CLK= 1;

P1= 0x00;

CLK= 0;

}

//向1個地址寫入1個數據

void WriteSingle(unsigned char address，unsigned char data) {

P1= 0x00;

CLK=1;

P1= 0xFF;

CLK=0;

address = (0x1F&address) ;

//設置地址為非連續寫register address

P1=address; //發送命令和數據

CLK=1;

CLK=0;

P1=data; //發送命令和數據

CLK=1;

CLK=0;

P1|=0x80;

CLK= 1;

P1= 0x00;

CLK= 0;

}

4 結論

本研究的創新點在于結合了RFID和GPRS技術的優點，在RFID 通信鏈路中使用了射頻功率放大、預檢波技術及加密算法，提高了數據通信的安全性，具有成本低、可靠性高、穩定性好等優點。根據上面所述工作原理及實施方案，很好地實現了系統的各項功能，各項指標達到設計的要求。若采用1對門型天線，電子標簽的有效檢測距離可達3 m 以上，有很廣闊的應用前景。

[1] 李鶴鳴，王厚華.基于單片機的船舶設備信號采集及處理系統[J].船海工程,2007(6)：35-38.

[2] 吳紅娉，楊 森.基于3G的無線視頻監控傳輸系統的設計與應用[J].計算機時代,2011(9)：19-21.

[3] 潘麗麗，霍修坤，方榮富,等.基于無源標簽的遠距離射頻識別系統[J].通信技術，2011(6)：102-104.