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摘要：针对现代化生产监管需求,为便于对车间工作人员活动信息的统计和管理,结合低频唤醒、有源射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)、WiFi无线网络及嵌入式系统,设计一种新型的人员活动信息监测系统。系统硬件由触发器、移动终端和无线网关组成,将人员活动信息经无线网络送云服务端,完成对人员信息数据的存储。通过PC机或手机终端的管理平台可以从服务器的数据库获取数据,对人员进行实时考勤及动态监测。系统采用无接触式低频唤醒及有源射频通信相结合的打卡方式,具备终端功耗低、监测稳定性高、自动化程度高的特点,能够有效地促进生产管理水平,提升企业整体形象。
关键词：监测系统；低频发射器；低功耗；RFID；嵌入式系统；XNS125；ESP；WiFi；MQTT
Personnel Movement Monitoring System Based on Wireless Wake-up Mode
BAO Chenlu1,YANG Yongjie1,2,WANG Zhiliang1,LU Weijia1,XU Peng1,2
(1.School of Information Science and Technology,Nantong University,Nantong Jiangsu 226019;2.Nantong Research Institute for Advanced Communication Technologies Co.,Ltd.,Nantong Jiangsu 226019)
【Abstract】：In view of modern production supervision requirements,a personnel activity information collection system based on wireless wake-up is designed,combining RFID,WiFi wireless network and Android technology for managers to count and manage incoming and outgoing personnel.The system hardware is composed of a trigger,a mobile terminal and a wireless gateway.The personnel activity information is sent to the cloud server via the wireless network to complete the storage of personnel information data.Through the management platform of PC or mobile terminal,data can be obtained from the database of the server,so that real-time attendance and dynamic monitoring of personnel can be carried out.The system adopts a combination of non-contact low-frequency wake-up and active radio frequency communication,which has the characteristics of low terminal power consumption,high monitoring stability,and high degree of automation.The system can effectively promote the level of production management and enhance the overall image of the company.
【Key words】：monitoring system;low-frequency transmitter;low-power dissipation;RFID;embedded systems;XNS125;ESP;WiFi;MQTT
工业4.0的大环境下,工业互联网快速发展,大机器生产成为趋势,车间规模增大,传统工业人员管理方式弊端不断显现,这都对现代工厂生产和管理提出了更高的要求[1]。传统生产车间采用纸质打卡或接触式无源电子标签打卡[2],存在采集距离有限、操作麻烦的问题。结合RFID(Radio Frequency Identification)、WiFi无线网络与Android技术,本文设计了一种基于无线唤醒的出入口信息监测系统。区别于近场通信[3],本系统采用无接触打卡模式,低频信号为125kHz,受车间环境影响小,可靠性高。人员随身携带移动终端,其具有根据烧录ID号唯一识别每个人的能力,一般处于休眠模式,功耗低,易于长期使用[4-5]。无线网关通过MQTT协议网络与Android技术,本文设计了一种基于无线唤醒的出入口信息监测系统。区别于近场通信[3],本系统采用无接触打卡模式,低频信号为125kHz,受车间环境影响小,可靠性高。人员随身携带移动终端,其具有根据烧录ID号唯一识别每个人的能力,一般处于休眠模式,功耗低,易于长期使用[4-5]。无线网关通过MQTT协议将信息存放至MySQL数据库,可通过手机App和PC机查看。本系统实现了对车间内出入人员的实时监测,具有广阔的应用前景。
1系统设计
本车间人员信息采集系统在实物结构上由三部分组成,分别是安装在固定监测点的触发器模块、人员携带的移动终端以及用于数据中转的无线网关模块,分别使用STC8、XNS125和STM32F1为核心微处理器。人员携带自己的移动终端,进入某个触发器模块的低频唤醒区域；移动终端的AS3933芯片被触发并唤醒XNS125,向无线网关模块发送相关信息；无线网关模块利用ESP8266将采集信息送至云平台存储[6]；管理人员可以在手机App端和PC机查看车间人员运动信息。系统整体可以实现车间出入口的人员实时监测,并在手机App端和PC上位机端进行查询,操作方便快捷。系统整体框架如图1所示。
2系统实现
2.1硬件设计
2.1.1触发器
触发器以STC8F2K08S2为核心,内部RAM扩展至2K字节,封装尺寸小,且有两组串口,适用于IO需求少、RAM需求高的场合。STC8通过P3.2、P3.3引脚模拟IIC接口向M41T81时钟芯片查询当前系统时间,通过P1.6口产生PWM载波信号,同时使用P5.5口控制BL1551模拟开关的通断,产生低频唤醒信号。低频唤醒信号经TC4422A功放,通过125kHz天线发射。触发器硬件设计图如图2所示。
2.1.2移动终端
移动终端采用XNS125搭载AS3933的方式,XNS125是国产磐启微电子公司的一款带2.4G高速无线收发芯片的单片机,自带EEPROM,是有源RFID的核心芯片。AS3933是三通道低功耗ASK接收器[7],能够在检测到无线低频唤醒信号时产生触发信号,具有较高的灵敏度,且保持2.7μA的较低工作电流和编程灵活性,广泛适用于例如PKE(Passive Keyless Enter汽车无钥匙系统)等低功率系统[8]。
XNS125通过PA4、PA6~7、PC0~2引脚模拟SPI接口对AS3933进行初始化配置,当AS3933的125kHz低频天线接收到唤醒信号被触发,立刻通过WAKE引脚向XNS125的PA2口发送唤醒信号。XNS125被唤醒,后将触发器编号,唤醒时间,人员ID号信息通过2.4GHz板载天线,发送给无线网关模块。移动终端硬件设计图如图3所示。
2.1.3无线网关模块
无线网关模块以STM32F103C8T6为处理器,搭载XN297L 2.4G射频收发芯片和ESP8266 WiFi通信芯片[9]。XN297L集成了射频收发机、频率发生器等功能模块,且输出功率、工作频道与通信数据率均可配置。ESP8266设置为STA(STATION)模式,采用AiThinker IDE平台开发并烧录固件信息,实现串行数据透传功能。
STM32F1通过IIC接口连接OLED屏幕,用于显示当前经过人员信息。XN297L接收移动终端发送来的数据,通过SPI接口送到STM32,STM32对数据进行整理,再通过串口由ESP8266无线发送至云端。无线网关模块硬件设计图如图4所示。
2.2软件设计
系统工作时,各监测点的触发器连续发射低频唤醒信号,当携带移动终端的人员进入唤醒区域,移动终端的AS3933被触发并向处于休眠模式的XNS125发送WAKE信号,XNS125进入工作模式,将自身ID号同接收到的唤醒数据,利用天线发送至无线网关模块。为避免发射冲突,终端发射设置三次重发,发射完成后,移动终端进入休眠模式,并持续4秒,防止被重复唤醒占用频段资源。无线网关的XN297L接收移动终端信息者可根据服务器数据库中存储的数据,了解每个工人在车间内的行动情况[10]。系统软件设计流程如图5所示。
2.2.1触发器的软件设计
触发器初始化完成后,定时2秒查询系统时间,完成奇偶校验后,不间断发射125kHz低频唤醒信号。唤醒信号采用曼彻斯特编码方式[11],曼彻斯特码自身提供一种同步机制,无须另发同步信号就保证发送端与接收端信号同步。
触发器唤醒移动终端信息帧一共包括8字节,其中,时间数据共4字节,包括年6bit,月4bit,日5bit,时5bit,分6bit,秒6bit,例如数据为0x66F6DA,即0b 010100 0110 00110 01100 110111 101101表示20年6月12日12时55分45秒；触发器编号(即地点)占1字节,例如编号为12的触发器,存储值为0x0C；校验数据为数据1-5中的bit1的个数和。触发器唤醒移动终端信息帧结构如表1所示。
2.2.2移动终端的软件设计
移动终端监听到唤醒信号后,WAKE脚拉高,XNS125进入工作状态,通过CLK_DAT脚的高低电平来获取DAT引脚的数据,并与移动终端内提前烧录的ID号一起打包,发送给无线网关模块。
移动终端向无线网关模块发送的信息一共包括10字节,其中,ID号占4字节,例如ID号为100,存储值为0x00A2,其余数据与触发器唤醒移动终端信息相同。移动终端上传信息帧格式如表2所示。
2.2.3无线网关模块的软件设计
无线网关模块上STM32F1芯片通过SPI总线接收XN297L收到的信息,并在OLED上显示监测点、ID号和经过时间,再转送到ESP8266后上传至云平台,若出现网络异常情况,ESP8266内部FLASH暂存数据,待无线网关模块上STM32F1芯片通过SPI总线接收XN297L收到的信息,并在OLED上显示监测点、ID号和经过时间,再转送到ESP8266后上传至云平台,若出现网络异常情况,ESP8266内部FLASH暂存数据,待网络恢复后上传。
ESP8266模块采用MQTT协议与阿里云平台通信,代码编采用JSON数据格式[12-13],JSON直接通过from-Json()方法,将JSON串转换为equipMaintainVo对象,再使用对象的getMuser()方法拿到集合,可以实现多个数据的通信。
无线网关模块送云平台的数据共包括12字节,其中,数据序列占2字节,为其上传云平台的数据次数,方便云端数据库统计和缺漏检查,例如序号为10,存储值为0x000A,其余数据与移动终端上传信息相同。无线网关模块送云平台的信息帧格式如表3所示。
2.2.4管理层的软件设计
管理层可以利用手机App与PC机两种方式查询人员信息,信息均通过云平台进行转存。管理层通信框架如图6所示。
在数据管理方面,系统采用可视化编辑器Node-RED,将其部署为MQTT Client,实现云端应用的可视化编程。无线网关模块的ESP8266WiFi模块通信基于MQTT协议[14 15]-,经云端EMQ服务器,将数据发送至Node-RED,在Node-RED创建配置节点,取JSON数据中相应字段,再将对应数据送至MySQL数据库,同时也可利用Navicat数据库管理设计软件,将所需数据进行导出至本机存储。
手机App端利用Android Studio平台进行设计。在程序中需要实现对MySQL数据库的远程操作,项目引入Java的开源包,即mysql-connector-java-5.1.7-bin.jar,该包基本实现了MySQL协议。系统工作时,App作为MQTT Client调用SDK固件包远程访问MySQL数据库,实现人员信息查询[16]。
PC机端利用QTCreater平台进行设计。ESP8266WiFi模块,通过MQTT协议经路由器发送数据至PC上位机,PC机利用QT软件访问数据库中相应字段数据,来实现人员信息的查询访问。
3系统性能测试
3.1系统功能测试
对系统进行上电测试,由于TC4422A天线驱动芯片输入电压范围为4.5V~18V,因此触发器模块为12V适配器供电,无线网关模块采用5V供电,移动终端选用纽扣电池CR2032,系统上电功能测试图如图7所示。通电后,触发器模块、无线网关模块电源指示灯点亮。初始化成功,触发器模块发送唤醒信号,第二个绿灯闪烁,如图7(a)；无线网关模块上WiFi指示灯不闪烁,OLED并未显示人员相关信息。模拟员工佩戴移动终端进入唤醒区域场景,此时移动终端被唤醒,如图7(b),无线网关模块接收到信息,OLED显示工人信息与时间,同时无线网关模块收到标签发来的信息并成功发送到云端后,WiFi指示灯闪烁,如图7(c)。
无线网关模块将采集到的人员信息上传到云端,同时支持在App和PC机查看。App可以进行人员和地点的检索,手机App端界面如图8所示。
PC端界面在可以查询各人员通过各监测点的信息以及各个监测点的人员流动信息。工厂管理人员可以利用上述两种方式查询MySQL数据库,对车间人员进行考勤。上位机PC端界面如图9所示。
3.2系统技术参数测试与分析
车间通信距离实测分为两个部分。一是触发器唤醒移动终端的距离,低频唤醒信号为125kHz,受金属设备与人体等因素影响小,通过调节AS3933功率和天线的调谐电容使唤醒距离约为1.5m。二是移动终端与无线网关模块间通信距离,两者之间为2.400~2.483G世界通用ISM频段[17],通过调节移动终端XNS125的发射功率,可以实现与无线网关模块的通信距离在42米左右。
系统运行延时和总耗时主要考虑设备唤醒、数据读取与记录过程三个部分。本系统监测人员在车间内流动情况,唤醒区域内移动终端数量有限,发生数据碰撞冲突概率小,但同时受运动速度影响,经实测50个移动终端以人体运动速度快速经过监测点,数据存储入数据库总耗时约为2s,平均每个移动终端每次消耗时间约为37~45ms。本系统可结合动态帧时隙ALOHA算法[18-19],提高吞吐量,还可在无线网关处采用跳频技术,从而进一步降低数据读取过程的耗时。
系统误码现象主要可能是两种情况,一是人员流量大时移动终端未及时触发,二是移动终端与无线网关模块之间受车间环境影响数据包丢失。由于触发器模块设置了三次重发机制,且整体系统的无线通信协议部分都设置带校验发送,在传输信息量有限的情况下,经过多次测试发现,可保证系统丢包率低,误码率极小,可忽略不计。若要进一步降低系统误码率,移动终端部分可改进为增强模式,即带有自动应答机制,可提高触发器与移动终端间的传输正确率。
在大部分时间内,移动终端并未被触发器唤醒,处于休眠模式,功耗极低,在车间实际使用中,CR2032纽扣电池电量大约可以维持4-6个月。
由此可见,本系统设计的总体效果与期望值一致,说明本系统运作正常。
4结语
本系统将PKE[8]的原理应用于车间人员监测系统,利用低频无线唤醒方式实现触发器与移动终端间的信息交互与控制,有效降低了整体功耗,该方式受车间各种设备影响小,保证了识别目标和数据交换的距离和有效性；移动终端选用的小型AS3933芯片,为低功耗射频天线,休眠时电流低于13μA,能显著降低移动终端运行功耗,并保障员工使用便捷；无线网关模块经MQTT协议连接云端、手机App与PC机,实现信息的及时存储与有效查询。本系统实物安装简单,且人员只需携带移动终端,无需进行接触式打卡,即可达到考勤信息化目的[20]。本系统已在车间内实测,运行效果良好,除了车间的应用场景,此系统也可应用于现代物流监控管理等[21],市场应用前景良好。
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