陈 坚，邱建东

（兰州交通大学机电技术研究所，兰州730070）

铁路车辆段编组场、整备场等作业场地具有站坪面积大、检修人员少、车辆流动大、停车密集的特点。在一个大站场里面，数十名检修人员分散作业，虽然有对讲机等通信设备，但是监控中心很难及时准确掌控每个检修人员的动态分布及作业情况，更不能客观监控流动人员安全及检修工作进度。

基于此，本文设计了基于设频识别（RFID）技术的车辆检修人员定位系统，检修人员佩戴电子标签作业，现场安装的多个射频监控点识别到人员标签信息后，通过CAN总线向监控中心传送相关信息，经定位算法确定作业人员位置，由上位机软件处理并在屏幕上显示，对其运动轨迹进行判别，推演其作业进度和安全情况，进而可以进行更加合理的调度管理，保障检修工作顺利、安全、高效地完成。

1 定位系统的组成及工作原理

1.1 系统的基本组成

系统由检修作业场与监控中心两部分组成。监控中心主要由监控计算机、数据通信接口、共享网络终端等组成，完成监控节点采集的人员信息管理及系统功能操作，如人员定位跟踪查询、考勤管理、数据统计、生产调度等功能；其中数据通信接口由CAN总线驱动器、光电隔离电路、RS-232接口电路等组成；检修作业场主要由信息采集系统、数据传输两部分，信息采集部分由许多固定监控点组成。固定监控点是指安装在车辆轨道沿线附近的读卡器，不断地进行数据巡检和信号采集，通过CAN总线将监控点处理的数据上传到监控中心，监控中心对接收到的信息进一步分析处理，使管理者很清晰地查看到每个检修人员的基本信息，从而实现对人员的实时定位监控。系统构成如图1。

图1 定位系统结构图

1.2 系统的工作原理

检修人员佩戴小巧的有源电子标签作业，每个标签的ID号码都是唯一的，并在上位机系统中和检修人员的基本信息一一对应。检修作业场监控点配备的RFID读卡器通过固有频率的射频载波向电子标签传送信号，当携带电子标签的人员进入读卡器天线有效工作区内，标签主动将卡内载有识别码的信息经卡内发射模块发射出去，监控点接收标签发射来的载波信号，经过监控点内部MCU处理并提取标签数据，通过现场总线将数据传输给监控中心，由上位机软件处理后显示人员编号、具体位置、作业时间等信息。监控人员通过上位机画面能很清晰看到每个检修人员的情况。

1.3 RFID人员定位算法

本系统采用的LARNDMARC定位算法是一种基于信号强度的定位技术，它使用接收的信号强度指示（RSSI）来确定待定位物体的位置。该算法是基于主动RFID校验的动态定位系统，引入参考标签充当该定位系统的参考点，通过参考点的信号强度值与待定位标签的信号强度值之间的比较，计算出待定位标签的坐标，在本文中不做详细的介绍。

2 系统的监控节点硬件设计

系统的硬件部分由监控节点、供电系统、数据传输系统组成，其中监控节点由读卡器、微控制单元和CAN节点接口。数据传输系统基于CAN总线构建。在文中主要介绍读卡器模块和CAN节点接口硬件设计。

2.1 读卡器模块设计

读卡器模块由无线接收模块、单片机模块、天线和电源等组成。当佩戴电子标签的检修人员进入读卡器有效工作区内，电子标签接收到读卡器的查询信号，将载有个人信息的射频信号经标签内收发模块发射出去，读卡器读取电子标签传送的射频信号；由单片机模块处理和提取标签数据，完成对数据的读取后，通过CAN总线将数据传送至监控中心，上位机记录检修人员编号、作业时间、位置等信息。在轨道沿线附近的固定监控点，由于其工作环境的要求，供电系统应具备防震、稳压功能。

2.1.1 单片机的选择

为满足智能检测系统通用性、经济性的设计要求，单片机应具备体积小、连接外围器件便利、能够在线编程调试的特点，为此选择了STC12LE-5410AD单片机作为微控制器。

2.1.2 无线收发芯片的选择

本系统选取nRF2401射频收发芯片，其片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，工作频率范围为2.4 GHz频段。具有低功耗、多种低功率的特点，内置CRC纠检错硬件电路和协议。采用载波检测技术，提高了读卡的防冲突性和移动标签的读取性。

nRF2401有4种工作模式：收发模式、配置模式、空闲模式和关机模式。通过ShockBurstTM的配置使nRF2401能够处理射频协议，在配置完成后，在nRF2401工作的过程中，只需改变其最低一个字节中的内容，以实现接收模式和发送模式之间切换。

读卡器模块设计的结构如图2。

图2 读卡器模块结构

2.2 CAN总线节点接口

数据传输是以CAN总线为传输路径的，CAN总线通信网络的稳定性、可靠性是定位系统的关键。CAN节点由3部分组成：独立的CAN控制器SJA1000，CAN接口驱动器PCA82C250和高速光电耦合器6N137。CAN控制器主要实现CAN总线通信协议部分和微处理器的接口。为了增强CAN传输系统的的抗干扰能力，在CAN控制器SJA1000和CAN驱动器82C250之间使用高速光电耦合器6N137实现总线上各CAN节点间的电气隔离，以保护控制系统电路，有效的避免干扰，提高工作的稳定性、可靠性。节点结构如图3。

图3 CAN监控节点结构

3 系统软件设计

软件设计分为两部分，（1）监控中心的监控定位及人员管理系统软件。（2）监控节点的软件设计。在此主要介绍定位与人员管理系统软件设计。

本系统的用户是监控人员，为方便操作，应采用基于图形的直接操纵界面，具有高度的人机交互功能。系统是采用组态软件，人员定位与管理系统组态界面如图4。

图4 人员定位与管理系统组态画面

监控中心接收到监控节点巡检扫描读卡器、由CAN总线传输的实时数据，由上位机软件处理并显示在屏幕上，监控人员可以清晰地查看检修人员的位置和分布情况；组态工程时，利用组态提供的变量记录功能记录数据信息，并用报表编辑功能编辑报表存档，以便随时查阅。通过对检修人员的作业时间和工作区域，可以查询到每个人员的考勤情况。由各固定监控节点信息汇总成数据统计表，按指定格式进行报表输出。该相应的存储单元即为组态变量采集的对应单元，信号采集部分直接将相应信息存储于组态对应的采集单元中，以便实时监控；通过调用记录，可以查询作业人员的分布情况，进行合理的人员调度工作，实现资源优化配置。

4 结束语

铁路整备场、编组站等车辆流动大、检修工作量大、检修人员少而分散，监控中心及时了解检修人员安全信息、位置和作业完成情况，合理的人员分配能快速、高效的完成检修作业，减少货车检修时间、减少人员流动量，降低人员安全隐患。基于RFID技术和CAN总线通信网络的车辆检修人员定位与管理系统能及时反映作业人员的位置，并通过检修作业程序预测作业完成情况，还能很好的进行考勤管理和生产调度等工作。经大量实验表明，该系统试用效果良好，符合设计的初衷，给检修站点在检修人员考勤管理和工作分配带来了极大的方便，是其需要的管理手段。

[1] 张智文.射频识别技术理论与实践[M] .北京：中国科学技术出版社，2008.

[2] 马国华.监控组态软件及其应用[M] . 北京：清华大学出版社，2001.

[3] 胡洋. RFID技术的定位算法改进及其在图书馆的应用[J] .计算机系统应用，2010（19）：151-153.

[4] 郭海军，郭江涛. 2.4GHZ射频技术在煤矿人员定位系统中的应用[J] . 矿业安全与环保，2007（12）：37-41.

[5] 柯建华，魏学业. 基于RFID与CAN的煤矿井下人员定位系统研究[J] . 信息工程，2006（11）：104-106.

[6] Nilm, Liu YH, Lauyc, et al. LARNDMARC: Indoor locationsensing using active RFID. Proc. of the First IEEE International Conference. Washingtion DC; IEEE Computer Society, 2003.407-415.