基于射频识别技术的机车定位系统和方法
【专利摘要】本发明公开了基于射频识别技术的机车定位系统和方法。该系统包括：超高频射频识别无源标签，其中存储的信息包括地面标签所在地的位置信息；无线便携查询装置，该装置包括射频识别阅读模块、处理器和无线通信模块，其中射频识别阅读模块用于发射电磁波并接收和解析来自地面标签的电磁波，处理器接收并处理射频识别阅读模块输出的解析后的信号，并输出处理后的部分或全部数据，无线通信模块发送来自处理器的数据；以及无线接收端，无线接收端通过无线通信链路接收无线便携查询装置发出的数据。本发明所公开的系统定位精度高并且施工简便，有利于降低成本并提高铁路运行的安全性。
【专利说明】基于射频识别技术的机车定位系统和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及铁路系统，特别涉及铁路站场中机车的精确定位。
【背景技术】
[0002]目前采用的铁路机车定位技术一类是GPS差分定位，另一类是地面应答器定位。这两类定位技术各有特点。
[0003]GPS差分定位需要设立一个GPS差分基准站，在基准站放置一台GPS接收机，根据基准站已知的精密坐标，计算出基准站到卫星的距离改正数，并由基准站实时将这些数据发送出去。需要测量的定位点接收机接收GPS数据的同时，也接收从基准站发出的改正数，并对定位结果进行改正，从而提高定位精度。理论上差分GPS定位技术可以达到2m的定位精度，以用于铁路站场对机车的精确位置定位，但天气、环境等因素对GPS定位精度有较大的影响，随着条件恶化，其定位误差会不断增大(比如，增大到5m)以致出现机车股道定位错误等故障，股道是指火车站内停列车的线路，指铁路两端出发信号机内方的轨道。
[0004]地面应答器定位是在埋设在轨枕上的应答器中写入当前位置等信息，然后由机车上的设备读取应答器内容并将该内容传到相应设备上。地面应答器是一种电磁装置，分为有源和无源两种类型。一般在铁路站场中均采用有源应答器，因为有源应答器可以根据外部输入设置改变其内容。采用地面应答器的定位精度较高，但埋设应答器的施工非常繁琐，应答器需要从就近的地方取电，一般在铁路站场都是通过信号机取电，这导致施工走线和后期维护难度都比较大。
【发明内容】
[0005]本发明提供了一种基于射频识别(radiofrequency identification,简称RFID)技术的机车定位系统，该系统采用基于RFID技术的无源地面标签，因此安装简便并且定位精度高。本发明还提供了基于RFID技术的机车定位方法。
[0006]RFID技术的基本工作原理是:RFID标签进入磁场后，接收RFID阅读器发出的电磁波，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在标签内部的芯片中的信息(Passive Tag,可称为无源标签)，或者由标签主动发送某一频率的信号(Active Tag,可称为有源标签)，RFID阅读器读取RFID标签数据并将其解析，送至其他处理单元。有源标签可分为通过外接电源供电的有源标签和通过电池供电的有源标签，经研究，发明人认为这两类标签都不适合用于铁路运输系统中的机车定位。需要外接电源的有源标签和现有技术中的地面应答器一样，给施工布线带来众多难题；使用电池的有源标签，需要经常更换电池，而铁路运输中使用的地面标签一经安装，可能需要持续使用若干年，更换电池需要很大工作量，并且环境温度的变化也对电池提出了很高要求。因此，在本发明中，选择无源标签作为地面标签。另夕卜,RFID标签可分为低频、闻频和超闻频等，其中超闻频标签具有读取距尚较远和数据传输率高的优点，并且综合考虑对读取区域和信号穿透性的需求，本发明中的地面标签优选超高频RFID标签。[0007]根据本发明的一个方面提供了一种基于射频识别技术的机车定位系统，所述系统包括:地面标签，所述地面标签是超高频射频识别无源标签，所述地面标签中存储的信息包括所述地面标签所在地的位置信息，所述位置信息包括铁路股道信息；无线便携查询装置，所述无线便携查询装置包括射频识别阅读模块、处理器和无线通信模块，所述射频识别阅读模块包括射频识别阅读器和射频识别天线，所述射频识别阅读模块用于发射电磁波并接收和解析来自所述地面标签的电磁波，所述处理器接收并处理所述射频识别阅读模块输出的解析后的信号，并输出处理后的部分或全部数据，所述无线通信模块发送来自所述处理器的所述部分或全部数据；以及无线接收端，所述无线接收端通过无线通信链路接收所述无线便携查询装置发出的所述部分或全部数据。该无线通信可采用450MHz铁路列车无线电通信技术(可参见原铁道部正式发布的铁道行业标准的公告)。
[0008]所述射频识别阅读模块和所述处理器间可通过RS-232-C接口通信，所述处理器和所述无线通信模块间可通过RS-232-C接口通信。
[0009]所述射频识别阅读模块可发出电磁波，当所述地面标签与所述无线便携查询装置间的距离小于距离阈值时，所述地面标签可发射包含所述位置信息的电磁波，所述射频识别阅读模块接收并解析所述地面标签发射的电磁波。
[0010]根据股道定位的精度要求，可将所述距离阈值设置在1米到2米之间。
[0011]所述地面标签可用树脂胶固定在铁路股道的轨枕上，无需额外施工布线。
[0012]上述无线接收端可以是机车的车载台，所述车载台可将接收到的数据发送到应用设备。
[0013]该系统中的射频识别阅读模块还可对所述地面标签执行写操作，为避免地面标签被意外改写，所述写操作受到密钥的保护。
[0014]根据本发明的另一方面还公开了一种基于射频识别技术的机车定位方法，所述方法包括:无线便携查询装置发出电磁波；当地面标签与所述无线便携查询装置间的距离小于阈值距离时，所述地面标签以电磁波的形式发出信息，所述地面标签是超高频射频识别无源标签，所述信息包括所述地面标签所在地的位置信息，所述位置信息包括铁路股道信息；所述无线便携查询装置接收并解析所述地面标签发出的电磁波，以及将所述解析后的信号中的部分或全部通过无线通信链路发射给无线接收端。
[0015]本发明所公开的方法还包括所述无线便携查询装置对所述地面标签执行写操作，所述写操作受到密钥的保护。
[0016]本发明所公开的方法还包括下面操作中的至少一者:
[0017]所述无线便携查询装置上电后执行开机检查操作和初始化操作，所述开机检查操作包括电池电量检查、无线通信链路检查和无线便携查询装置中的射频识别阅读模块的自检中的至少一者，所述初始化操作包括时钟校准和所述射频识别阅读模块的初始化中的至少一者；
[0018]所述无线便携查询装置超过预定时间没收到来自所述无线接收端的响应，则发起数据重传；
[0019]如果所述无线便携查询装置根据从所述地面标签收到的所述位置信息判断所述机车位于警示位置，则所述无线便携查询装置发出报警信息；
[0020]所述无线便携查询装置记录日志，所述日志包括来自所述地面标签的所述位置信息和/或报警信息；以及
[0021]所述无线接收端将收到的所述部分或全部信号发送给应用设备。
[0022]本发明所提供的基于RFID技术的机车定位系统定位精度高并且安装简便，还便于后期维护和管理，所以有利于降低定位系统的成本并提高铁路运行的安全性。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1示出了根据本发明的一个实施方式的基于RFID技术的机车定位系统的示意框图；
[0024]图2示出了根据本发明的一个实施方式的无线便携查询装置的示意框图；以及
[0025]图3示出了根据本发明的一个实施方式的基于RFID技术的机车定位系统执行机车定位的流程图。
【具体实施方式】
[0026]根据本发明的一个方面提供了一种基于射频识别技术的机车定位系统，所述系统包括:地面标签，所述地面标签是超高频射频识别无源标签，所述地面标签中存储的信息包括所述地面标签所在地的位置信息，所述位置信息包括铁路股道信息；无线便携查询装置，所述无线便携查询装置包括射频识别阅读模块、处理器和无线通信模块，所述射频识别阅读模块包括射频识别阅读器和射频识别天线，所述射频识别阅读模块用于发射电磁波并接收和解析来自所述地面标签的电磁波，所述处理器接收并处理所述射频识别阅读模块输出的解析后的信号，并输出处理后的部分或全部数据，所述无线通信模块发送来自所述处理器的所述部分或全部数据；以及无线接收端，所述无线接收端通过无线通信链路接收所述无线便携查询装置发出的所述部分或全部数据。
[0027]图1示出了根据本发明的一个实施方式的基于RFID技术的机车定位系统的框图。如图所示，其中地面标签U1是基于RFID技术的无源标签，本实施方式中的地面标签U1可以选择超高频RFID无源标签，超高频的RFID标签的数据传输速率高，因此地面标签U1中可存储大量信息，在铁路站场的应用中地面标签U1中所存储的信息包括地理位置信息，例如地面标签U1的埋设处的股道信息(即地面标签U1位于哪个股道上)和其他的位置信息(例如地面标签U1是否处于铁路尽头线处)。各国对RFID技术中的超高频的定义不完全相同，本实施方式中的RFID无源标签U1的读写频率范围可在860MHz?960MHz间选择，例如，可选择读写频率为900MHz的RFID无源标签。可根据需要将地面标签U1安装在任意位置，如轨枕的特定位置等，可通过用树脂胶或夹具固定等方式安装，无论哪种方式，安装地面标签U1均不需要额外走线。铁路站场中定位股道时，可用树脂胶将地面标签U1固定在股道的轨枕上。无线便携查询装置U2可被安装在机车头部或尾部，例如，可利用机车的车钩钩舌孔安装。无线便携查询装置U2可发出电磁波。当无线便携查询装置U2和地面标签U1间的距离小于距离阈值时，地面标签U1接收到信号强度大于强度阈值的超高频电磁波信号，地面标签U1可凭借感应电流所获得的能量将存储在其中的信息以电磁波(例如，超高频射频信号)的形式发送出去。该距离阈值决定了机车的定位精度。无线便携查询装置U2可接收地面标签U1发出的电磁波，解析该电磁波并对其进行处理，然后将其中的部分或全部信息转化为已定义的通信协议格式通过无线通信链路发送给数据接收端U3。超高频射频RFID标签的读取距离可达15m，铁路站场中定位机车股道时精度要求一般在2m以内，所以可通过设置无线便携查询装置U2的超高频信号发射功率来将读取范围限定在2m以内。数据接收端U3可以是机车的车载台，如摩托罗拉的XIR8800等，车载台可将接收到的数据进行处理，然后通过RS-232-C (又称EIA RS-232-C)接口发送给各种的应用设备；数据接收端U3也可以是其他任何需要地面标签U1中所含的信息并且支持无线通信的设备。无线便携查询装置U2和数据接收端U3间可通过450MHz铁路列车无线电通信技术传输以实现较低的传输延时，并且具有较高传输可靠性。
[0028]图2示出了根据本发明的一个实施方式的无线便携查询装置U2的框图。如图所示，无线便携查询装置U2可包括RFID阅读模块U21，RFID阅读模块U21可包括RFID阅读器和RFID天线，RFID阅读器、RFID天线和地面标签(未示出)相匹配。本实施方式中所采用的RFID阅读器(例如，可选用支持IS0-18000-6C (EPC Gen2)协议的RFID阅读器，如奥地利微电子公司的AS3992)可支持对超高频RFID标签的读写。根据应用需要，也可以选择只支持读RFID标签而不支持写RFID标签的RFID阅读器。RFID阅读器可通过RFID天线发射和接收电磁波(例如，超高频射频信号)。当地面标签与无线便携查询装置U2间的距离在距离阈值范围内时，地面标签凭借感应电流所获得的能量发出电磁波，该电磁波中包括其内部所存储的信息。RFID阅读模块U21接收来自地面标签的电磁波，将其解析为适于处理器U22处理的信号后发送给处理器U22。RFID阅读模块U21还可支持以下功能，例如，接收处理器U22的指令以在上电后进行自检；接收处理器U22的初始化配置信息，例如电磁波的发射时间、发射周期和发射功率等配置信息，可通过设置不同的发射功率来限定定位精度，在铁路站场的应用中，一般该定位精度被设置在1?2米之间；RFID阅读模块U21还可接收处理器U22的指令以对地面标签执行写操作，铁路站场中，包含股道信息和其他位置信息的地面标签通常是之前写好并且不允许被随意更改的，所以信息可以以加密的形式存储在地面标签中，如果没有密钥则RFID阅读器无法对其执行写操作，以防止地面标签中的信息被意外改写。
[0029]RFID阅读模块U21和处理器U22间可通过RS_232_C接口通信。处理器U22对接收到的信号进行处理并确定将哪些数据通过无线通信模块U23传输给数据接收端(未示出)。本实施方式中，处理器U22的核心部件可采用Atmel公司的Atmegal28A。处理器U22和无线通信模块U23间可通过RS-232-C接口相连。处理器U22可看作无线便携查询装置U2中的控制中心。本实施方式中，无线便携查询装置U2开机时，处理器U22可执行一系列操作以完成对无线便携查询装置U2的开机检查和初始化。开机检查操作可包括，处理器模块U22可从电池模块U24接收表示电池电量信号，如果电量低于电量阈值，并且电池模块U24处于非充电状态，则处理器U22控制无线便携查询装置U2自动关机以保护电池寿命；处理器U22还可通过无线通信模块U23给数据接收端发送握手信号等方式确认无线通信链路是否畅通；可给RFID阅读模块U21发出指令使其执行自检操作。开机的初始化操作可包括，例如，处理器U22可基于从数据接收端收到的机车设备的时间校准其内部计时模块的时间；可给RFID阅读模块U21发出初始化指令和参数(例如电磁波发射时间、发射周期和发射功率等)以完成对RFID阅读模块U21的初始化。完成开机自检和初始化操作后，无线便携查询装置U2进入正常工作模式。处理器U22从RFID阅读模块U21中接收信号并对其进行处理，确定将哪些数据通过无线通信模块U23发射出去。如果处理器U22判断认为机车当前处于警示位置，例如，检测到地面标签所在的位置是铁路尽头线，则处理器U22可输出报警信息并通过无线通信模块U23发射给调车组的相关人员。无线接收端可发送响应以确认收到数据，如果处理器U22超过预定时间未收到响应，则可发起数据重传。处理器U22内部的计时模块可执行计时功能。处理器U22还可将例如标签数据、报警信息等信息作为日志信息(可称为log信息)记录，以供相关人员调阅和回溯。
[0030]无线便携查询装置U2还可包括按键单元和LED灯等模块(未示出)，以供操作人员开关机、下载log等并观察无线便携查询装置U2的工作状态。
[0031]根据本发明的另一方面还公开了一种基于射频识别技术的机车定位方法，所述方法包括:无线便携查询装置发出电磁波；当地面标签与所述无线便携查询装置间的距离小于阈值距离时，所述地面标签以电磁波的形式发出信息，所述地面标签是超高频射频识别无源标签，所述信息包括所述地面标签所在地的位置信息，所述位置信息包括铁路股道信息；所述无线便携查询装置接收并解析所述地面标签发出的电磁波，以及将所述解析后的信号中的部分或全部通过无线通信链路发射给无线接收端。
[0032]图3示出了根据本发明的一个实施方式的基于RFID技术的机车定位系统执行机车定位的流程图。如图所示，打开无线便携查询装置后，第一步S1，无线便携查询装置可执行开机检查和初始化操作，例如电池电量检查、无线通信链路检查、RFID阅读模块自检、时钟校准和RFID阅读模块初始化。第二步S2，无线便携查询装置以设定的功率发出电磁波。第三步S3，当RFID阅读模块和地面标签的距离小于距离阈值(例如2m)时，地面标签感应到的电磁波的强度超过了强度阈值，地面标签凭借感应电流所获得的能量将标签中存储的信息以电磁波的形式发送出去，标签中的信息包括股道信息(例如，该标签位于第几股道)和其他的位置信息(例如，该标签是否位于铁路尽头线处)。第四步，无线便携查询装置从地面标签接收电磁波，对其进行解析和处理，并通过无线通信链路发射处理后的部分或全部数据，并且如果判断机车已位于警示位置(例如，位于铁路尽头线处)，还可发送报警信息。第五步S5，无线接收端可将收到的数据发送给应用设备，以执行各种调车操作。上述地面标签可以是超高频RFID标签，地面标签与无线便携查询装置间传输的是电磁波(例如，超高频射频信号)。此外，根据本发明所公开的方法，无线便携查询装置可执行计时功能，可记录log信息，并且当超时未收到来自数据接收端的响应时，无线便携查询装置可发起数据重传。根据需要，无线便携查询装置还可修改地面标签中的内容，但对地面标签的写操作要通过密钥。
[0033]本发明中各种部件的命名仅是为了示例的目的，实际中具有相同或类似特征和功能的部件可能具有不同的名称。
[0034]尽管出于解释说明的目的已经公开了本发明的实施方式，但是应理解为本发明不限于此，并且本领域技术人员应理解各种不偏离本发明的范围和主旨的修改、增加和替代是可能的。相应地，任何和所有修改、变化或等效安排应考虑进本发明的范围，并且本发明的详细范围将通过随附的权利要求书公开。
【权利要求】
1.一种基于射频识别技术的机车定位系统，所述系统包括:地面标签，所述地面标签是超高频射频识别无源标签，所述地面标签中存储的信息包括所述地面标签所在地的位置信息，所述位置信息包括铁路股道信息；无线便携查询装置，所述无线便携查询装置包括:射频识别阅读模块，所述射频识别阅读模块包括射频识别阅读器和射频识别天线，所述射频识别阅读模块用于发射电磁波并接收和解析来自所述地面标签的电磁波，处理器，所述处理器接收并处理所述射频识别阅读模块输出的解析后的信号，并输出处理后的部分或全部数据，无线通信模块，发送来自所述处理器的所述部分或全部数据；以及无线接收端，所述无线接收端通过无线通信链路接收所述无线便携查询装置发出的所述部分或全部数据。
2.根据权利要求1所述的机车定位系统，其中所述射频识别阅读模块和所述处理器间通过RS-232-C接口通信，所述处理器和所述无线通信模块间通过RS-232-C接口通信。
3.根据权利要求1所述的机车定位系统，其中所述射频识别阅读模块发出电磁波，当所述地面标签与所述无线便携查询装置间的距离小于距离阈值时，所述地面标签发射包含所述位置信息的电磁波，所述射频识别阅读模块接收并解析所述地面标签发射的电磁波。
4.根据权利要求3所述的机车定位系统，其中所述距离阈值在1米到2米之间。
5.根据权利要求1所述的机车定位系统，其中所述地面标签被安装在铁路股道的轨枕上。`
6.根据权利要求1所述的机车定位系统，其中所述无线接收端是机车的车载台，所述车载台将接收到的数据发送到应用设备。
7.根据权利要求1所述的机车定位系统，其中所述射频识别阅读模块对所述地面标签执行写操作，所述写操作受到密钥的保护。
8.一种基于射频识别技术的机车定位方法，所述方法包括:无线便携查询装置发出电磁波；当地面标签与所述无线便携查询装置间的距离小于阈值距离时，所述地面标签以电磁波的形式发出信息，所述地面标签是超高频射频识别无源标签，所述信息包括所述地面标签所在地的位置信息，所述位置信息包括铁路股道信息；所述无线便携查询装置接收并解析所述地面标签发出的电磁波，以及将所述解析后的信号中的部分或全部通过无线通信链路发射给无线接收端。
9.根据权利要求8所述的机车定位方法，所述方法还包括所述无线便携查询装置对所述地面标签执行写操作，所述写操作受到密钥的保护。
10.根据权利要求8所述的机车定位方法，所述方法还包括下面的至少一者:所述无线便携查询装置上电后执行开机检查操作和初始化操作，所述开机检查操作包括电池电量检查、无线通信链路检查和无线便携查询装置中的射频识别阅读模块的自检中的至少一者，所述初始化操作包括时钟校准和所述射频识别阅读模块的初始化中的至少一者；所述无线便携查询装置超过预定时间没收到来自所述无线接收端的响应，则发起数据重传；如果所述无线便携查询装置根据从所述地面标签收到的所述位置信息判断所述机车位于警示位置，则所述无线便携查询装置发出报警信息；所述无线便携查询装置记录日志，所述日志包括来自所述地面标签的所述位置信息和/或报警信息；以及所述无线接收端将收到的所述`部分或全部信号发送给应用设备。
【文档编号】G06K17/00GK103679233SQ201310681721
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年12月12日 优先权日:2013年12月12日
【发明者】郭尽朝, 常晓东, 何海永, 唐定兴, 王志忠, 张国臣 申请人:中国神华能源股份有限公司, 中国神华能源股份有限公司神朔铁路分公司, 北京博飞电子技术有限责任公司