RFID技术在设备巡检维护中的应用探索.doc

RFID技术在设备巡检维护中的应用探索摘要本文从RFID的工作原理、发展历程和应用等方面介绍了无线射频识别（Radio Frequency IDentification）技术。分析南京地铁自动售检票系统（Automatic Fare Collection System）的维修和维护现状，探索RFID技术在该系统中的应用设想。总结了目前RFID技术存在的问题以及趋势展望。关键词无线射频识别-RFID（Radio Frequency IDentification），电子标签，个人数字助理-PDA（Personal Digital Assistant），设备巡检维护，通用分组无线服务-GPRS（General Packet Radio Service) 引言近年来，无线射频识别(RFID)技术逐渐成为一种主流应用技术，该技术使快速物品识别成为可能。RFID技术与早期的条形码识别技术不同，它不需要近距离使用读码器，通过射频信号，可以实现远距离识别。RFID标签还可以将产品生产商、产品类型以及环境变量等各种信息作为身份的标识。正文一、RFID工作原理及相关技术完整的 RFID 系统需要具备有两种关键能力，首先是自动识别、数据读写能力；然后是能满足数据存储和数据转换的数据处理能力。对于RFID设备测试来说，我们关注的主要是组成RFID系统的三个基本部件：1、电子标签（射频卡）电子标签一般由芯片以及耦合元器件组成，芯片上有EPROM用来储存识别码或其它数据，标签内含有内置天线，主要功能是完成与读写器的通信。与条码、磁卡、IC卡等同期或早期的识别技术相比，射频卡具有非接触、工作距离长、适于恶劣环境、可识别运动目标等优点。按照能量供给方式的不同，RFID 标签可以分为被动标签，半主动标签和主动标签，其中半主动标签和主动标签中芯片的能量由电子标签所附的电池提供，主动标签可以主动发出射频信号。按照工作频率的不同，RFID 标签可以分为低频（LF）、高频（HF）、超高频（UHF）和微波等不同种类。不同频段的 RFID 工作原理不同，LF和HF频段的RFID电子标签一般采用电磁耦合原理，而UHF及微波频段的RFID一般采用电磁发射原理。2、读写器（读取标签信息的设备）RFID读写器的任务是控制射频模块向标签发射读取信号，并接收标签的应答，对标签的对象标识信息进行解码，将对象标识信息连带标签上其它相关信息传输到主机以供处理。在多数 RFID 系统中，读写器在一个区域内发射电磁波（区域大小取决于工作频率和天线尺寸）。卡片内有一个LC串联谐振电路，其频率与读写器发射的频率相同。当射频卡经过这个区域时，在电磁波的激发下，LC谐振电路产生共振，从而使电容内有了电荷。在这个电容的另一端，接有一个单向导通的电子泵，将电容内的电荷送到另一个电容内储存。当所积累的电荷达到2V时，此电容可作为电源为其它电路提供工作电压，将卡内数据发射出去或接收读写器的数据。读写器接收到卡的数据后，解码并进行错误校验来决定数据的有效性，然后通过RS232、RS422、RS485或无线方式将数据传送到计算机网络。简单的 RFID 产品就是一种非接触的IC卡，而复杂的RFID产品能和外部传感器接口连接来测量、记录不同的参数，甚至可与GPS系统连接来跟踪物体。3、Antenna 天线 天线是一种以电磁波形式把无线电收发机的射频信号功率接收或辐射出去的装置。天线按工作频段可分为长波、短波、超短波以及微波天线等；按方向性可分为全向天线、定向天线等；按外形可分为线状天线、面状天线等。在 RFID 系统中，天线分为标签天线和读写器天线两种情况，当前的RFID系统主要集中在 LF、HF（13.56MHz）、UHF和微波频段。天线的原理和设计在LF、HF和UHF频段有根本上的不同。实质上，由于在LF和HF频段系统近场区并没有电磁波的传播，因此天线的问题主要集中在UHF和微波频段。读写器通过发射天线发送一定频率的射频信号，当射频卡进入发射天线工作区域时产生感应电流，射频卡获得能量被激活；射频卡将自身编码等信息通过卡内置发送天线发送出去；系统接收天线接收到从射频卡发送来的载波信号，经天线调节器传送到读写器，读写器对接收的信号进行解调和解码然后送到后台主系统进行相关处理；主系统根据逻辑运算判断该卡的合法性，针对不同的设定做出相应的处理和控制，发出指令信号控制执行机构动作。二、RFID技术发展及典型应用1、RFID技术的发展历程早在1940-1950年，雷达的改进和应用催生了射频识别技术，1948年奠定了射频识别技术的理论基础；1950-1960年，早期射频识别技术的探索阶段，主要处于实验室实验研究；1960-1980年，射频识别技术的理论得到了发展，射频识别技术与产品研发处于一个大发展时期，各种射频识别技术测试得到加速发展，出现了一些最早的射频识别应用。1980-2000年，射频识别技术及产品开始进入商业应用阶段，各种规模应用开始出现，射频识别技术标准化问题日趋得到重视，射频识别产品得到广泛采用，射频识别产品逐渐成为人们生活中的一部分；因而在2000年以后，标准化问题日趋为人们所重视，射频识别产品种类更加丰富，有源电子标签、无源电子标签及半无源电子标签均得到发展，电子标签成本不断降低，规模应用行业扩大。 现今，射频识别技术的理论得到丰富和完善。单芯片电子标签、多电子标签识读、无线可读可写、无源电子标签的远距离识别、适应高速移动物体的射频识别技术与产品正在成为现实并走向应用。而且，目前很多企业不仅仅在单一使用RFID的硬件技术，而是结合系统管理软件和人机界面设备，如：PLC触摸屏、LCD看板、PDA智能手持终端、工业平板电脑、条码采集器、传感器、工业AP、WIFI、GPRS等多类硬件的综合智能一体化系统。 2、RFID技术的应用目前，RFID技术已经在物流和供应管理、生产制造和装配、航空行李处理、邮件/快运包裹处理、文档追踪/图书馆管理、动物身份标识、运动计时、门禁控制/电子门票、道路自动收费、城市一卡通的应用、高校手机一卡通的应用等行业领域得到了广泛的推行和应用。1）很多的门禁保安系统均应用射频卡，一卡可以多用。比如，可以作工作证、出入证、停车卡、饭店住宿卡甚至旅游护照等，目的都是识别人员身份、安全管理、收费等等。好处是简化出入手续、提高工作效率、安全保护。只要人员佩戴了封装成ID卡大小的射频卡、进出入口有一台读写器，人员出入时自动识别身份，非法闯入会有报警。2）电子物品监视系统（Electronic Article Surveillance, EAS）的目的是防止商品被盗。整个系统包括贴在物体上的一个内存容量仅为 1 比特（即开或关）的射频卡，和商店出口处的读写器。射频卡在安装时被激活。在激活状态下，射频卡接近扫描器时会被探测到，同时会报警。如果货物被购买，由销售人员用专用工具拆除射频卡（典型的是在服装店里），或者用磁场来使射频卡失效，或者直接破坏射频卡本身的电特性。3）早在20世纪90年代中期，铁道部在中国铁路车号自动识别系统建设中，就最终确定RFID技术为解决“货车自动抄车号”的最佳方案。采用RFID技术以后，铁路车辆管理系统实现了统计的实时化、自动化，降低了管理成本。据相关报道，自动抄号后，货运物流每年的直接经济效益达到3亿多元。三、南京地铁自动售检票设备的维护巡检现状及RFID技术应用设想RFID技术不仅在物流和供应管理、生产制造和装配等行业得到了广泛的应用，而且越来越多的在电力设备和通信设备等运营服务企业的系统和设备维护及巡检中推广使用。预防巡检作业一般技术含量较低，工作量大、所需人员较多，作业质量难以控制，经常出现一次把所有巡检做完；记录采取纸质方式，维护人员在巡检过程发现在故障信息需几天才传到维护管理部门，设备巡检故障信息反馈较慢；维护人员在进行故障维修时，很难第一时间了解到设备的历史故障信息，响应时间和维修时间都较长。利用RFID技术很好的提高了设备巡检和维修质量和效率。南京地铁作为一个典型资产密集型和技术密集型的服务行业，设备众多并且分散，分布在控制大楼和各个车站。自动售检票(AFC)系统是基于计算机、数据库、系统集成、通信、网络、自动控制等技术,实现轨道交通票卡发行和制作、售票、检票、收益、统计和分析、清分、管理等全过程的复杂自动化系统，面对社会大众提供服务，系统设备的好坏状态直接影响到现场运营服务质量。目前， AFC系统的现场主要有自动检票机、自动售票机和半自动售票机等三大类近2000台设备，覆盖了三条线路80多公里的57个车站。三条线路各有一个班组负责本线路现场设备的维修和巡检，平均每车站配置人员不到1.4，是国内所有地铁行业配员最少的。AFC系统的各类设备故障平均每天都在100多起，一线生产人员每天平均饱和工作时间都在6-8小时，不停的在现场巡查设备，除了处理各种故障以外，还要兼顾日常的预防性和计划性维护。虽然采用了故障信息管理系统，但是由于一方面本身信息系统的不完善，所有记录都需要人工干预填写，而且没有统计分析功能，另一方面该系统与AFC系统没有任何网络接口和信息交互，很多的台账和报表还是纸质的，这些都需要花费大量的人力和物力去记录和分析统计，而且周期很长。技术人员的大部分精力都浪费在了完善台账登记和汇总分析上面，没有太多的时间去研究和攻关技术问题，使得很多惯性故障问题迟迟得不到解决，大大影响了维修保养效率和质量。以上的种种问题其实不仅仅是AFC系统所独有的，而是其它各专业乃至其它地铁行业都共同存在的问题，只是严重程度不一样。鉴于这种局面，我们完全可以将通信和电力设备巡检维护中所采用的RFID技术引入。目前的AFC系统基本都在新建时就安装了独立的维修管理模块，而且设备中还有部分模块也安装了电子标签，但是维修管理和电子标签与现场运行实际情况结合不完善，功能不全面、模块故障信息不详细、实际跟踪不到位、统计分析不符合要求等，这就需要根据现场实际运行要求，完善功能需求的同时强化RFID电子标签功能。按照AFC设备维护管理流程和RFID标志管理要求，同时有利于与AFC运行维护管理系统接口，我们可以探索一下RFID技术在AFC系统中应用的设想。设备巡检维护平台建立包括RFID管理系统和接入服务器、PDA维护终端软件系统、AFC维修管理系统三个主要部分组成，每个系统之间建立一定的接口，相互关联进行信息交互。通讯线路一方面利用AFC系统独立的网络，另一方面利用通信专业的有线和无线系统。整个系统的建立需要与AFC系统设计厂家共同开发完成。1、RFID设备巡检维护平台系统采用三层架构模型，第一层为客户端即PDA终端、第二层WEB服务器、第三层为数据库服务器，维护人员通PDA客户端经地铁内部GPRS网络访问WEB服务器提交服务请求，WEB服务器再向数据库服务器提出请求，数据库服务器将请求结果提交客户端。2、RFID管理系统主要对电子标签初始化、RFID标签码编加密、RFID基础信息管理，管理前端PDA写标签信息。该系统主要由数据库服务器和RFID管理系统组成，负责响应前端PDA和维护管理系统数据获取的要求，同时对前端获取的信息及维护人员填写的信息进行处理，并将设备维修巡检记录传送到维修管理平台的数据库服务器。该系统需要厂家要根据地铁需求对设备重要部件模块安装功能较强的电子标签。3、手持式的PDA可以采用目前主流的windows mobile、andriod、symbian操作系统的智能手机，同时要求智能手机安装有RFID模块。PDA终端子系统包含了读写器模块、客户端软件、硬件驱动软件、硬件组成。客户端软件主要完成RFID标签读写和信息的传送，同时利用智能手机小型数库缓存RFID标签，通过智能手机的WEB浏览器或定制的客户端软件登录服务器获取设备维护和历史故障信息等。该软件一方面启动读写器模块对附近设备模块RFID标签读取，并将读取信息缓存于本地数据库，另一方面是当收到需要提供RFID标签信息请求后，将RFID信息发给服务器。4、RFID接入服务器子系统主要分为三个部分组成，即数据库管理模块、业务处理模块、PDA接入服务管理模块。数据库管理模块主要负责数据库读写操作、异常处理。业务处理模块主要负责处理与维修管理平台数据传送。PDA接入服务管理模块主要负责处理PDA的请求服务和标签信息传送，并送到业务处理模块。5、维护管理系统是AFC系统设计厂家根据地铁需求开发的，直接与AFC系统设备进行实时通讯和信息交互，存放了AFC系统运行的大量设备模块故障、计划性维护、以及部件状态和位置信息等，同时具备统计、汇总和分析功能等，相对于设备巡检维护平台较独立，从安全性角度考虑， RFID接入服务器通过事先约定好的软硬件接口经防火墙等设备与AFC维护管理系统保持数据上的同步通过上面的技术应用，AFC系统的维修和维护就形成了较完善的信息化管理系统。从而达到这些目的：实现设备维修巡检管理的实时化、科学化，提高维护管理水平及工作效率、质量；通过使用GPRS网络将维修巡检数据以及RFID数据实时传输到维修管理部门；通过对系统数据的汇总和分析，及时发现设备中的故障隐患；科学的管理和安排巡检人员的巡检工作；为巡检维护管理工作提供一种科学有效的决策手段等等。四、RFID技术应用的存在问题和展望随着科学技术的发展，RFID技术也在不断的完善和推广，但是推广应用的同时一系列的制约因素也应运而生。这些问题主要包含了价格成本、技术瓶颈、标准建立、认知推广等等。1、标准建立要应用RFlD，就必须制定一个统一、开放的技术标准，但目前市场上同时存在多个标准，如EPC Global、UID、AIM Global、ISO等系列标准体系已经形成，另外还有许多国家和地区正在在ISO或EPC Global标准之上制定适合自己的相应标准。由于我国正在成为世界的“制造中心”，很多产品要出口到国际市场，我们不能期望国际市场都来支持中国的RFID标签标准。因此，制定适合中国国情的RFID标准已经刻不容缓，在建立标准过程中还应当充分考虑与国际标准的互通性。2、价格成本虽然RFID标签的成本有所下降，但是由于RFID系统还包括了读写器、软件以及复杂的处理和集成数据的后台系统，因此其总体设备投入成本不会特别低，这也是一部分低端企业用户持观望态度的原因之一，较高的价格在一定程度上限制了RFID的应用。3、技术瓶颈目前RFID系统的技术瓶颈主要集中在安全和融合问题。安全问题存在于RFID标签与读写器之间，RFID电子标签的安全威胁主要表现为标签信息的非法读取和标签数据的恶意篡改。另一方面由于技术标准不统一，如何将RFID技术融合到现有系统中对于不同的系统都比较复杂。很多研发部门都希望通过RFID中间件解决这个问题，但是中间件的投入又会带来安全和技术混杂的问题以及成本的增加。尽管RFID还存在着这样那样的诸多问题，但是只要我们先制定标准，给予RFID生产和开发企业一定政策支持，这些问题就会得到很好的改观，规模效益也会带来价格成本的降低。随着RFID技术不断发展和应用系统的推广普及，射频识别技术在性能等各方面都会有较大提高，成本将逐步降低，可以预见未来RFID技术的发展将有以下趋势：1、标签产品多样化未来用户个性化需求较强，单一产品不能适应未来发展和市场需求。芯片频率、容量、天线、封装材料等组合形成产品系列化，与其他高科技融合，如与传感器、GPS、生物识别结合将由单一识别向多功能识别发展。2、系统网络化当RFID系统应用普及到一定程度时，每件产品通过电子标签赋予身份标识，与互联网、电子商务结合将是必然趋势，也必将改变人们传统的