CN201000645Y - 一种基于gps和rfid的智能巡检仪 - Google Patents

一种基于gps和rfid的智能巡检仪 Download PDF

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唐一哲
罗鑫
王剑
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Abstract

基于GPS和RFID的智能巡检仪是一种巡检记录与管理设备，适用于野外点多线长、设备分散、线路复杂情况下的巡检，例如铁路线路维护、电力线路维护、通信线路维护等。本设计采用GPS模块得到卫星定位的巡检路径数据，采用RFID模块得到巡检设备数据，全面考查巡检人员的操作规范性。另外，本设计采用ARM处理器进行数据处理，采用SD卡记录巡检数据，采用USB端口和主机连接，采用LCD和键盘进行显示和命令输入，采用Li－ion电池提供工作电源，采用诊断端口记录设备的诊断信息，采用GSM/GPRS通信模块实现远程诊断。

Description

一种基于GPS和RFID的智能巡检仪
技术领域
本实用新型属于线路维护与巡检系统，尤其涉及铁路、电力、通信线路巡检装备。
背景技术
近年来计算机技术快速发展，巡检工作科学化和规范化管理也使得自动控制技术不断地渗入到许多领域，小区保安、工场巡查、地铁巡检、电力线路巡查、矿井安全巡检等都已经开始涉及，而且还有许多行业和部门正在或者准备使用自动控制技术实现巡检工作的智能化。巡检系统在硬件上也从最早的接触式发展到目前的感应式，采用非接触射频卡、感应卡技术，信息采集器不用接触即可读取信息钮，可进行无线通讯。
一般来说，电子巡检系统由被巡检设备、巡检仪、传输介质、巡检信息管理系统组成。所谓被巡检设备，简单说就是安装在巡检人员需要查看的地点的设备，巡检点可以是由有源设备构成，也可以是由无源设备构成；所谓巡检仪，则为巡检人员巡检过程当中使用的一种电子/机械装置，它具有特定的结构和功能，或完成巡检信息的自动记录和存储，或完成巡检信息的自动发射，或完成巡检信息的传输触发，具体功能与巡检系统的总体结构密切相关；传输介质根据巡检系统的结构不同而不同。传输介质可以是有线的铜缆介质，也可以是电磁波介质，还可以是以其他无线或有线方式传输信息；巡检信息管理系统是基于普通PC机的一个计算机管理系统，实现包括巡检动态实时信息显示、巡检记录信息管理、巡检信息显示等任务的巡检信息综合管理系统。
从应用的技术看，主要有三种电子巡检系统：基于信息纽扣的巡检系统、基于RFID技术的巡检系统、以及基于GPS/GIS技术的巡检系统。
信息钮扣(iButton)是美国MAXIM公司生产的自动识别芯片、信息纽扣采用全球唯一的12位数字编号，一个信息纽扣对应一个巡检设备。从工作原理中可看出，巡检仪在读取信息纽扣信息时，必须接触，由此导致了接触式巡检系统不可避免的缺点：1.巡检仪与信息纽扣必须非常准确地接触才能读取信息，操作不便，尤其在晚上；2.信息纽扣外露，易被破坏；3.信息纽扣外露易受污染，造成接触不良。
RFID即射频识别，它是一种非接触双向通信的自动识别技术，基本特点是读卡器和电子标签不需要直接接触。RFID的非接触读取信息的特点虽然克服了信息钮扣系统的缺点，但是也有其缺陷：1.RFID巡检系统只能记录离散分布的巡检点，无法记录巡检路径，不能运用于线路巡检；2.这种系统能表明巡检人员经过设备，并没有记录巡检人员是否按操作规范检查了设备。
GPS即全球定位系统，是1973年由美国国防部研制的战略导航系统。目前，GPS已经广泛应用于大地测量、精确定位、导航与授时领域。GIS即地理信息系统，也广泛应用于交通运输、资源勘探、旅游等信息应用领域。基于这种技术的巡检系统的工作原理是：巡检人员执行任务时，手持巡检仪接收GPS(全球卫星定位系统)数据，到达信号设备后，待巡检仪有效定位后保存设备的位置，任务结束将数据导入管理主机，结合GIS(地理信息系统)功能软件进行分析，生成巡检报告。它的缺陷是：1.室外设备若在其他物体的遮挡下无法收到4颗以上的卫星信息，将无法有效定位；2.一般手持GPS接收机定位精度在二十五米左右，当巡检设备分布集中时，从测得的GPS数据无法区分是哪个设备的数据。
以上分析可看出，现有的电子巡检虽然比传统的巡检管理方式先进了不少，但是，也有不少缺点。
发明的内容
本实用新型要解决的问题是：在户外点多线长、环境恶劣、设备分散、独立作业等情况下，辅助巡检人员进行铁路、电力、通信等设施的线路巡检工作。本实用新型可以用于各种线路巡检，实现巡检过程记录、巡检监督管理、巡检智能引导、巡检设备诊断等功能，为重要的、安全相关的设施提供可靠的维护保障。
本实用新型是这样实现的：一种基于GPS和RFID的智能巡检系统，硬件部分采用微型GPS模块、RFID模块、大容量的Secure Digital存储卡，由32位ARM处理器为嵌入式控制器来控制整个系统，实现巡检数据的处理、储存、传输以及路径引导、远程诊断等。嵌入式控制器还与LCD模块、键盘相连，共同协调完成状态显示以及命令输入等工作。构成巡检仪的各器件之间的连接：
嵌入式处理器通过D_UART接口DRXD、DTXD分别与嵌入式GPS模块的TxD1、RxD1连接；
嵌入式处理器通过SPI总线SPCK、MOSI、MISO与RFID模块的A2、A0、D0连接，RFID模块片选信号ALE连接嵌入式处理器)的NPCS1，RFID模块中断信号IRQ连接嵌入式处理器的IRQ1，RFID模块的NWR、NRD接VCC，RFID模块的NCS、A1接GND；
嵌入式处理器通过SPI总线SPCK、MOSI、MISO与SD存储卡的SCLK、DI、DO连接，SD存储卡片选信号CS接嵌入式处理器的NPCS0，SD存储卡写保护信号WP接嵌入式处理器的PA15；
嵌入式处理器通过USART1接口RXD1、TXD1与GSM模块的TD、RD连接；
嵌入式处理器的可编程IO接口PA16、PA17、PA18、PA19、PA20与LCD模块的CS、A0、SCL、SI、LED+连接；
嵌入式处理器通过USB总线DDM、DDP与USB端口的2、3管脚连接，USB端口的1管脚可以接入外部5V电压，USB端口的4、5、6管脚接地；
嵌入式处理器通过USART0接口RXD0、RTS0、TXD0、CTS0与电压转换模块的R1OUT、T1IN、T2IN、R2OUT连接：电压转换模块的R1OUT、T1IN、T2IN、R2OUT管脚和诊断端口的2、7、3、8管脚连接。
本实用新型的有益效果：由于采用了以上的技术方案，具有：
●采用了13.56MHz非接触射频识别(RFID)读写模块读取电子标签上的巡检数据，操作方便。基于RFID的电子标签比起现有接触式系统具有防水、防电、不易无损等优点。
●采用嵌入式GPS模块生成巡检路径数据和巡检时间数据，考察了巡检的路径和巡检时间间隔，相比以往方案，结果更加具体。LEA-4H是芯片级的GPS模块，体积小，功耗低。
●采用Secure Digital(SD)卡，采用FAT16/32文件系统。Secure Digital卡支持即插即用功能，保证了数据的安全完整性，读写速率高，最大容量可以达到2G Byte。Secure Digital卡小而且符合工业现场的要求，更适合用于便携式巡检设备。
●读取巡检数据方便。既可以从即插即用的USB通信端口读取，也可以从Secure Digital卡直接读取。
●采用基于LCD显示和键盘的人机交互界面，把当前的GPS信息、路径引导信息和记录仪的工作状态实时显示在液晶上。巡检员可以根据路径引导信息寻找巡检点并且修正巡检路线，可以利用键盘和菜单对巡检仪进行灵活的操作。
●采用GSM/GPRS模块发送设备诊断数据，实现远程诊断，有利于快速解决现场故障。
附图说明
图1是巡检仪的结构框图。
图2是巡检仪基本电路原理图。
具体的实施方式
下面结合附图对本实用新型作如下描述：
图1是巡检仪的结构框图。在图1中，巡检仪在结构上主要包括下列部件：
Figure Y20072010310300051
嵌入式处理器
GPS模块及其天线
Figure Y20072010310300061
RFID模块
Figure Y20072010310300062
SD存储卡读写口
Figure Y20072010310300063
GSM模块及其天线
Figure Y20072010310300064
USB端口
Figure Y20072010310300065
诊断端口
Figure Y20072010310300066
LCD模块
Figure Y20072010310300067
Li-ion电源模块
图2是巡检仪基本电路原理图。
在图2中，巡检仪的基本电路主要包括下列部件：
Figure Y20072010310300068
AT91SAM7S处理器U1
Figure Y20072010310300069
LEA-4H嵌入式GPS模块U2
MFRC531射频读写模块U3
Figure Y200720103103000611
Secure Digital存储卡U4，容量64M到2G
Figure Y200720103103000612
GR47 GSM模块U5
Figure Y200720103103000613
LCD模块U6
电压转换模块U7
Figure Y200720103103000615
USB通信端口P1
Figure Y200720103103000616
诊断端口P2
图1为巡检仪结构框图，嵌入式处理器是AT91SAM7S，它是基于ARM架构的32位处理器，控制其它硬件资源：SD读写口是Secure Digital卡的物理容器与电气接口，Secure Digital卡为符合SD卡规范的存储卡，完成数据存储功能；GPS模块为U-blox的LEA-4H模块，嵌入式处理器通过LEA-4H得到位置坐标并写入SD卡；RFID模块为MFRC531，工作频率13.56MHz，非接触读写距离10cm，用于读取巡检设备电子标签的数据；GSM模块为GR47模块，它是900MHz的GSM/GPRS通信模块，可以通过公共移动网络与管理中心进行数据通信；LCD显示模块用于显示必要的状态信息，嵌入式处理器把GPS坐标信息与时间信息显示在液晶模块上，并且利用电子地图进行路径导航；USB端口为巡检仪提供与PC的数据通信连接，还可以通过USB端口进行电池充电；诊断端口用于记录设备的诊断数据；Li-ion电源为巡检仪提供电能。
构成巡检仪的器件之间的连接方式如下，见图2：
嵌入式处理器U1通过D_UART接口DRXD、DTXD分别与嵌入式GPS模块U2的TxD1、RxD1连接，嵌入式处理器U1为AT91SAM7S ARM处理器，或者AT91SAM7X等ARM7架构通用处理器，U2为为U-blox GPS嵌入式模块，型号LEA-4H；
嵌入式处理器U1通过SPI总线SPI：K、MOSI、MISO与RFID模块U3的A2、A0、D0连接，RFID模块U3片选信号ALE连接嵌入式处理器U1的NPCS1，RFID模块中断信号IRQ连接嵌入式处理器U1的IRQ1，RFID模块的NWR、NRD接VCC，RFID模块的NCS、A1接GND，RFID模块U3选用MFRC531；
嵌入式处理器U1通过SPI总线SPCK、MOSI、MISO与SD存储卡U4的SCLK、DI、DO连接，SD存储卡U4片选信号CS接嵌入式处理器U1的NPCS0，SD存储卡U4写保护信号WP接嵌入式处理器U1的PA15，SD存储卡U4选用SD-CARD；
嵌入式处理器(U1)通过USART1接口RXD1、TXD1与GSM模块(U5)的TD、RD连接，GSM模块(U5)选用GR47；
嵌入式处理器(U1)的可编程IO接口PA16、PA17、PA18、PA19、PA20与LCD显示模块(U6)的CS、A0、SCL、SI、LED+连接，LCD显示模块(U6)选用HG01286412；
嵌入式处理器(U1)通过USB总线DDM、DDP与USB端口的2、3管脚连接，USB端口的1管脚可以接入外部5V电压，USB端口的4、5、6管脚接地；
嵌入式处理器U1通过USART0接口RXD0、RTS0、TXD0、CTS0与电压转换模块U7的R1OUT、T1IN、T2IN、R2OUT连接，U7为MAX3232，U7通过R1OUT、T1IN、T2IN、R2OUT管脚和诊断端口P2的2、7、3、8连接，诊断端口P2的型号为DB9。
巡检仪电气方面主要技术参数：
Figure Y20072010310300071
工作电压：直流3.3V
Figure Y20072010310300072
平均工作电流：小于100mA

Claims (1)

1.一种基于GPS和RFID的智能巡检仪，其特征在于，构成巡检仪的器件之间的连接：
嵌入式处理器(U1)通过D_UART接口DRXD、DTXD分别与嵌入式GPS模块(U2)的TxD1、RxD1连接；
嵌入式处理器(U1)通过SPI总线SPCK、MOSI、MISO与RFID模块(U3)的A2、A0、D0连接，RFID模块(U3)片选信号ALE连接嵌入式处理器(U1)的NPCS1，RFID模块中断信号IRQ连接嵌入式处理器(U1)的IRQ1，RFID模块的NWR、NRD接VCC，RFID模块的NCS、A1接GND；
嵌入式处理器(U1)通过SPI总线SPCK、MOSI、MISO与SD存储卡(U4)的SCLK、DI、DO连接，SD存储卡(U4)片选信号CS接嵌入式处理器(U1)的NPCS0，SD存储卡(U4)写保护信号WP接嵌入式处理器(U1)的PA15；
嵌入式处理器(U1)通过USART1接口RXD1、TXD1与GSM模块(U5)的TD、RD连接；
嵌入式处理器(U1)的可编程IO接口PA16、PA17、PA18、PA19、PA20与LCD显示模块(U6)的CS、A0、SCL、SI、LED+连接；
嵌入式处理器(U1)通过USB总线DDM、DDP与USB端口的2、3管脚连接，USB端口的1管脚可以接入外部5V电压，USB端口的4、5、6管脚接地；
嵌入式处理器(U1)通过USART0接口RXD0、RTS0、TXD0、CTS0与电压转换模块(U7)的R1OUT、T1IN、T2IN、R2OUT连接，电压转换模块(U7)通过R1IN、T1OUT、T2OUT、R2IN管脚和诊断端口P2的2、7、3、8管脚连接。
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