基于RFID的变电站便携式智能控制系统设计

陈 丹， 叶飞跃， 柳益君， 赵小荣

(江苏理工学院 计算机工程学院，常州市云计算与智能信息处理重点实验室，江苏 常州 213001)

0 引 言

随着电力系统的发展，电力生产管理逐步走向智能化、集约化，一个运检中心通常需要管理十几至上百座变电站。变电站是电力网络的节点，变电站的智能化运行是实现智能电网的基础环节之一[1]。为了对设备实行分区管理进而保障生产安全，产生了各种门锁及设备锁，需要进行日常巡视、倒闸操作、检修操作和设备消缺等现场作业。在进行各种生产操作时，需根据工作需要选用相应的钥匙进行开锁操作。但是，往往因为钥匙类型繁多，严重影响操作效率，甚至出现工作人员误入带电设备间的重大事故。为了加强变电安全运行管理，防止误操作事故发生，居民小区变电站便携式智能控制系统应运而生，协助工作人员对变电站进行安全管理，提高工作效率[2-3]。

无线射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)技术已在智能档案管理[4]、智能购物管理[5]、图书智能定位[6]、智能门禁系统[7]等诸多领域得到广泛应用。为了满足居民生活小区日益增长的电力需求，有效防止和减少人为误操作的发生，提高运行电网的可靠性，本文基于RFID技术设计了一种专门用于居民小区变电站自动解闭锁操作的便携式智能控制系统，即智能钥匙重点阐述了系统硬件组成和软件设计方案。

1 系统硬件设计

1.1 系统硬件组成结构

本文设计的变电站智能控制系统，即智能钥匙，属于手持移动设备，对功耗有严格的要求，同时系统内部微控制器与外部模块通过多种总线进行实时通信，因此该系统硬件主要由主控电路、OLED显示接口电路、射频信号识别电路、电源电路、数据存储、键盘输入等模块构成。主控电路模块是系统硬件的核心部分，由STM32F103VET6及其外围接口电路组成，主要任务是完成数据的处理和传输工作。射频信号识别电路模块EM4095采集的信号，经过处理器两次转换和处理后由OLED显示器实时显示出来。数据存储模块采用E2PROM芯片AT24C64存储智能控制系统的工作状况，并采用存储容量大的SD卡存储读取射频标签数据和显示的GBK字库等数据。

根据居民小区变电站设备数量多、价值相对较高的特点，变电站智能控制系统硬件的总体设计应主要考虑四个因素：便携化、可靠性、存储量、扩展性。因此，设计如图1所示的变电站智能控制系统硬件组成结构。

图1 系统硬件组成结构图

1.2 主控电路模块及其外围接口

ARM是嵌入式系统最主要的硬件体系架构，自从推出开放式IP核以来，与片上集成思想相对应，基于ARM的嵌入式应用逐渐取得优势地位[8-9]。STMicroelectronics的STM32系列是一种为嵌入式应用专门设计的ARM Cortex-M3内核，应用广泛，具有高性能、大存储空间、低成本、低功耗的特点[10-12]。按性能可以分成两个不同的系列：增强型STM32F103系列和基本型STM32F101系列。居民小区变电站便携式智能控制系统采用STM32的增强型STM32F103VET6作为主控电路，它的时钟频率为72 MHz，从闪存执行代码；数据总线宽度32 bit，数据ROM的大小为64 KB；它能实现高端运算，内嵌512 KB的FLASH程序存储器，支持丰富的外设和通信总线，具备I2C总线接口、SPI总线接口、USART串行接口以及USB总线、I/O接口等功能。

STM32F103VET6调试接口见图2。主控电路模块采用4线SPI总线方式与射频识别电路EM4095连接，如STM32F103VET6的26、27脚分别与EM4095的13、14脚相连来完成两者连接；采用I2C总线方式与存储模块AT24C64进行通信；采用SPI总线方式和SD卡进行通信；采用I/O接口与显示模块和键盘连接，实现系统的显示输出和按键输入；STM32F103VET6内部集成高速USB总线，采用USB总线实现与上位机的高速有线通信；采用USART串口实现程序的烧写和调试，使用更方便。

图2 STM32F103VET6调试接口图

1.3 OLED显示接口电路模块

在智能控制系统运行过程中，系统要向射频标签发送数据，实现数据存储和与上位机的数据通信。这就要求系统能够输入数据和控制信息，并且直观及时地显示出来。此外，系统外形上要求做到既具备便携、手持、小巧的特点，又要具有智能人机界面。系统采用0.96′的有机发光显示OLED显示屏来显示人机界面。有机发光显示支持触摸屏和键盘两种方式的输入，其中触摸屏主要用于输入控制信息，键盘主要用于输入数据。

OLED显示模块包括负责输出的行和列驱动器。系统采用的显示屏为64行、128列，使用1片有64行和2片64列输出列的驱动器。行驱动器与主控电路STM32F103VET6没有直接关联，只需提供电源就能产生驱动信号和同步信号。STM32F103VET6和OLED的连接采用普通I/O口连接，用PC0～PC7当数据总线，其他口线用作控制口。列驱动器内置显示存储器，其数据作为图形显示的驱动信号。

1.4 射频信号识别电路模块

RFID技术是一种非接触式的自动识别技术[13,14]，主要由射频标签(tag)、阅读器(reader)以及天线(antenna)3个部分组成。智能控制系统的作用在于接受主系统的RFID电子标签，并在系统里内置一个阅读器，通过RFID的电子编码解码和原有锁具的机械闭锁来实现对设备的控制，其中射频标签基于ISO/IEC15693协议，工作频率为125 kHz只读被动式无源标签，设计成圆形纽扣形状，直径约14 mm，主要由感应线圈、只读存储器、射频收发以及相关电路组成，射频标签被嵌在变电站内各个设备门的锁具芯内。智能控制系统的作用在于接收上位机的指令，能够依据设备运行状况，解除设备操作闭锁并允许操作人员进行倒闸操作，保证操作人员准确无误地操作变电站设备，并将操作设备的重要信息返回给上位机。

RFID射频识别技术可通过无线电信号识别特定目标并读写相关数据。供电系统中的门锁及设备锁统一采用带有电子标签的锁芯，智能控制系统内有RFID射频信号识别芯片组成的电路来读取该门锁何时被授权，该钥匙能否开启此门锁。

射频基站芯片选用EM4095，其原理图见图3。DEMOD_OUT引脚为AM解调信号的输出端；MOD为调制控制端，低电平时没有调制，高电平时100%调制；RDY/CLK输出端具有多个功能指示作用，或作为发送已准备好指示，或作为接收同步时钟信号输出指示。当芯片内部锁相环工作建立，接收电路开始工作时，RDY/CLK端会输出连续的与DEMOD_OUT端数据信号同步的时钟信号；SHD为高电平时，EM4095进入睡眠省电模式，RDY/CLK也被置为低电平。

图3 EM4095原理图

EM4095具有产生载波与AM调制解调的功能，阅读器数据发送编码与数据接收解码由主控电路STM32F103VET6来完成。

1.5 电源电路模块

智能控制系统属于手持设备，需要提供移动电源。本设计采用锂电池供电，内部提供充放电保护电路。充电口为USB充电，OLED显示充电状态、电池电量等参数。充电芯片采用CN3063，充放电保护电路采用经典电路DW01+8205A。电路还需要提供5 V给OLED和EM4095供电，+3.3 V给STM32F103VET6供电。升压芯片采用MAX1687，稳压电源芯片采用TPS7333Q。

1.6 数据存储模块

智能控制系统的工作状况、显示信息以及大量射频识别数据都需要存储。STM32F103VET6完成内部信息存储，同时采用EEPROM芯片AT24C64作为外部数据存储模块。该芯片通过I2C总线与STM32F103VET6进行高效通信，可以存储64KB数据，有效地解决了系统对数据存储的要求。

此外，本系统采用了SD卡存储汉字字库和射频识别卡中读取的数据。SD卡具有以下优点：

(1) SD卡体积小、容量大，可以便捷地从智能控制系统中取出，广泛应用于移动设备；

(2) SD卡能够实现智能控制系统和上位机的数据交换，可以使用上位机的通用读卡器对其进行读写；

(3) SD卡通过SPI总线与STM32F103VET6进行通信，传输数据达到2 MB/s，可以满足系统对数据传输速率的要求。

2 系统软件设计

2.1 软件设计思路

基于嵌入式技术的智能控制系统软件主要由底层、中间层和顶层3层构成。底层由μC/OS-Ⅱ内核和驱动程序构成，μC/OS-Ⅱ是一种开源实时系统内核，其设计简洁高效，适用于对安全性要求较高的系统[15,16]，驱动程序主要提供对各种接口硬件的支持；中间层是嵌入式μC/GUI库，它优化了各种图形操作[17]，程序运行时能够减少CPU负担，可扩展，可升级；顶层是系统应用程序，实现智能控制系统具体功能的应用集合。

为了降低开发成本和周期，本设计针对居民小区变电站的智能控制系统，采用了性价比较高的嵌入式实时操作系统μC/OS-Ⅱ。根据系统开发环境RealView MDK-ARM 4.20提供的编译器以及STM32的硬件平台，根据开发需要，在移植μC/OS-Ⅱ中重新修改了其中部分文件，主要有：OS_CPU.H，OS_CPU_C.C，OS_CPU_A.ASM以及相关的配置文件。μC/GUI是基于μC/OS-Ⅱ嵌入式操作系统的可视化界面函数库，为使用OLED图形显示的应用提供高效的独立于处理器及OLED控制器的图形用户接口。

为了缩短系统的读卡响应时间，将整个软件系统按功能主要设计为电机驱动、射频处理、界面显示、数据存储等模块。

2.2 程序设计

居民小区变电站智能控制系统终端软件用C语言在KeiluVision4.0编译环境下编写的，系统终端软件主程序流程图见图4。

图4 系统终端软件主程序流程图

居民小区变电站智能控制系统是由一颗400mah的锂电池供电，在每个锁的锁头上有一个RFID芯片预埋，锁头为磁力锁，里面有4颗弹子不规则排列。在正常情况下弹子排列不规则，钥匙不能开锁，当钥匙插进锁芯，由EM4095读取相应的锁的ID卡号，并且与钥匙内授权内容一致的，启动执行机构，将弹子排成一条直线，这时可以开锁，要求钥匙可以做到开锁的次数越多越好。当系统启动时，实时时钟初始化包括调用RTC初始化，设置RTC时钟参数的函数，将已配置标志写入备份数据寄存器。实时时钟初始化代码如下。

void Clock_Init(void){

if(BKP_ReadBackupRegister(BKP_DR1) != 0xA5A5){

//判断保存在备份寄存器的RTC标志是否已经被配置过

RTC_Config(); //RTC初始化

Time_Adjust(); //设置RTC时钟参数

BKP_WriteBackupRegister(BKP_DR1,0xA5A5);//RTC设置后，将已配置标志写入备份数据寄存器

}

else{

if(RCC_GetFlagStatus(RCC_FLAG_PORRST) != RESET){ //检查是否掉电重启

…… //上电复位

}

else if(RCC_GetFlagStatus(RCC_FLAG_PINRST) != RESET){//检查是否reset复位

…… //外部RST管脚复位

}

RTC_WaitForSynchro(); //等待RTC寄存器被同步

RTC_ITConfig(RTC_IT_SEC, ENABLE); //使能秒中断

RTC_WaitForLastTask(); //等待写入完成

}

RCC_ClearFlag(); //清除复位标志

}

居民小区变电站智能控制系统是低功耗的，若钥匙按键很长时间没有触动，智能控制系统会按顺序关闭背光，关闭升压电路，最后关闭电源。关闭电源后锂电池就不供电，直到下次再次开机。

3 系统测试

小区变电站便携式智能控制系统实物图见图5。测试过程中，制作了居民小区变电站便携式智能控制系统的PCB板，其主板尺寸大小约为160 mm×90 mm，可以满足智能控制系统便携小巧的要求。射频标签符合ISO/IEC15693标准，通过STM32F103VET6的USART串口，利用ISP下载工具将原程序下载后，使用智能控制系统对射频标签进行读写，工作频率为125 kHz，操作距离均不小于80 mm，读写、传输、显示速度均达到使用需求。将读卡得到的数据存储到SD卡中，通过USB总线返回传送给上位机，卡号、数据等信息可以被上位机全部接收。测试结果表明，所开发的小区变电站便携式智能控制系统能完全正常使用。

(a) 启动界面

图5 小区变电站便携式智能控制系统实物图

4 结 语

本文从硬件组成和软件设计出发，设计并开发了一款全新的居民小区变电站便携式智能控制系统。该系统是一种用于门锁控制的智能钥匙，结构简单、可靠性高、维护方便，具有直观的可视化界面，以及信息查询与记忆功能。小区变电站门锁系统与综合监控系统紧密结合，充分利用综合功能和资源，提高了居民小区变电站门锁系统的自动化程度，在电力安全管理和生产领域发挥了不可或缺的作用。

参考文献(References)：

[1] 杨志宏，周 斌，张海滨，等. 智能变电站自动化系统新方案的探讨[J]. 电力系统自动化, 2016, 40(14):1-7.

[2] 黄建林，吴化洪，刘国勇，等. 变电站五防电脑钥匙智能充电板的开发与应用[J]. 电工技术, 2017(1):35-37.

[3] 王海欧，白金泉，马秀林，等. 变电站智能钥匙管理系统[J]. 电工技术, 2016(5):15-16.

[4] 叶伟洲，吴汝趁，蔡志岗. 基于RFID技术的智能档案管理研究[J]. 现代电子技术, 2017, 40(6):109-113.

[5] 贾 宁. 基于RFID的智能购物管理系统设计与实现[J]. 计算机工程, 2015, 41(9):25-30.

[6] 马栋萍，张 旭，沈 鑫. 基于RFID和WiFi技术的图书智能定位系统设计[J]. 图书馆工作与研究, 2017(1):61-64.

[7] 李明娟，李海龙. 单片机和RFID技术的智能门禁系统设计[J]. 实验室研究与探索, 2016, 35(11):123-126.

[8] 罗 勇，李高杰. 基于NFS的嵌入式系统ARM实验教学平台设计[J]. 实验室研究与探索, 2015, 34(10): 89-91.

[9] 白 杰，孟令军，张慧慧. 基于ARM的实验室智能无线监控系统设计[J]. 实验室研究与探索, 2017, 36(2):121-124.

[10] 张雨默，袁贵扬，黎东升，等. 基于STM32的时域电磁标准信号源研制[J]. 实验室研究与探索, 2015, 34(9): 62-69.

[11] 张 亮，程明霄，朱增伟，等. 基于STM32和μC/OS-Ⅱ的智能在线分析平台的研究[J]. 仪表技术与传感器, 2015(1):44-47.

[12] Onuki T, Uesugi W, Isobe A. Embedded memory and ARM cortex-M0 core using 60-nm C-axis aligned crystalline indium-gallium-zinc oxide FET integrated with 65-nm Si CMOS[J]. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2017, 52(4):925-932.

[13] Iqbal M S, Shahid H, Riaz M A. FSS inspired polarization insensitive chipless RFID tag[J]. IEICE Electronics Express, 2017, 14(10):1-6.

[14] Pakkathillam J K, Kanagasabai M, Alsath M G N. Compact multiservice UHF RFID reader antenna for near-field and far-field operations[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2017, 16:149-152.

[15] 朱怡安，林 鹤. 一种基于μC/OS-Ⅱ的高可靠实时系统内核设计[J]. 计算机科学, 2016, 43(11A):542-546.

[16] Xin Z H, Guo Y L, Hu L Y. Research on the implementation of porting uC/OS-II on the STM32F103 chip[J]. Telkomnika Indonesian Journal of Electrical Engineering, 2013, 11(7):3897-3904.

[17] Guan B B, Tian L G, Chen Z Z,etal. Design of μC/GUI interface based on STM32 embedded system[J]. Applied Mechanics and Materials, 2013(303):1485-1488.