RFID在棉紡織廠半成品流轉(zhuǎn)中的應(yīng)用

黃雅鑫 張牧 陽娜

【摘 要】目前，我國對棉紡織廠半成品流轉(zhuǎn)信息的處理，普遍采用的是人工采集、錄入系統(tǒng)的方式，為了改變這種工作模式，對其實(shí)行自動化管理，從而提高棉紡織廠車間的生產(chǎn)作業(yè)效率。本文對RFID技術(shù)和適用性進(jìn)行了分析，并通過對RFID中間件的數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行了設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，從而將RFID運(yùn)用到棉紡織廠半成品流轉(zhuǎn)中，有效地解決了棉紡織廠半成品流轉(zhuǎn)存在的問題，實(shí)現(xiàn)棉紡織廠半成品流轉(zhuǎn)信息的自動化管理。

【關(guān) 鍵 詞】半成品流轉(zhuǎn)；射頻識別；RFID中間件；自動化管理；數(shù)據(jù)傳輸

【中圖分類號】 TS103.7【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A【文章編號】1672-5158（2013）07-0251-02

The Application of RFID in Semi-finished Products Circulation of Cotton Textile Factory

HUANG Ya-xin

？¨School of Electrical Engineering and Automation？？Tianjin Polytechnic University， Tianjin 300387， China？？

【Abstract】 At present， the cotton textile factory in processing of semi-manufactured products widely using artificial collection， record system， in order to change the mode of operation， implementing the automated management of semi-finished products circulation and then improving cotton textile factory workshop production efficiency. In this paper， through the analysis of RFID technology and application， and the data transmission of RFID middleware is designed and implemented， and using the RFID to the semi-finished products circulation， which effectively solve the cotton textile factory semi-manufactured goods circulation problems， realize automatic management of the cotton textile factory semi-finished products circulation information.

【Key words】semi-finished products circulation； Radio Frequency Identification； RFID middleware ； automated management； data transmission

0 引言

射頻識別技術(shù)（Radio Frequency Identification，RFID）是無線電技術(shù)在自動識別領(lǐng)域中的具體運(yùn)用。由于其先進(jìn)的自動識別和數(shù)據(jù)采集技術(shù)，它被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)制造、銷售流通、公共安全等領(lǐng)域。另外，射頻識別技術(shù)只有與特定的領(lǐng)域相結(jié)合，才能充分發(fā)揮它的高效、自動化等這方面的優(yōu)點(diǎn)[1]。

在我國，RFID的應(yīng)用還處于初級階段，在相當(dāng)一部分產(chǎn)業(yè)中還未得到廣泛的應(yīng)用[2]。例如，在棉紡織廠半成品流轉(zhuǎn)中還普遍采用傳統(tǒng)的人力資源對其流轉(zhuǎn)信息進(jìn)行采集，錄入系統(tǒng)。這種方式存在數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確、易遺失、不清晰、信息傳遞延時(shí)大等缺點(diǎn)，所以將RFID應(yīng)用于半成品流轉(zhuǎn)中具有重要的意義。針對棉紡織廠生產(chǎn)制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）對采集到的信息進(jìn)行的傳遞與交互的問題，本文對RFID中間件進(jìn)行了分析，研究了基于消息系統(tǒng)RFID中間件軟件，從而將RFID應(yīng)用于棉紡織廠半成品流轉(zhuǎn)系統(tǒng)中。實(shí)現(xiàn)半成品流轉(zhuǎn)信息與MES系統(tǒng)的傳遞與交互，具有一定的先進(jìn)性和實(shí)用性。

1 半成品流轉(zhuǎn)存在的問題

棉紡織廠織布過程依次為清（清花），罁（罁絲），并（并條），粗（粗紗），細(xì)（細(xì)紗），落（筒紗），整（整經(jīng)），漿（漿紗），穿，織十個(gè)步驟。織成布之前的這些都屬于半成品，而在紡織廠進(jìn)行大批量的生產(chǎn)中，由于經(jīng)紗要在很多經(jīng)軸之間來回傳輸，如圖1所示，傳統(tǒng)情況下，要清楚每個(gè)經(jīng)軸上紗的使用情況，以及流轉(zhuǎn)地點(diǎn)，快速進(jìn)行布匹追蹤這方面，必須投入很大的人力去清算，這會導(dǎo)致以下兩個(gè)方面出現(xiàn)問題。

1）半成品流轉(zhuǎn)信息的采集與處理

棉紡織廠半成品流轉(zhuǎn)的信息是生產(chǎn)制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）對車間生產(chǎn)管理的重要憑證，而在半成品的流轉(zhuǎn)信息采集方面，目前，棉紡織廠采用手工采集數(shù)據(jù)[3]，而且許多信息記錄不規(guī)范，這樣不僅給統(tǒng)計(jì)分析帶來了不便，還導(dǎo)致不可避免的流轉(zhuǎn)信息的丟失，從而不能準(zhǔn)確的分析信息，有可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)分析結(jié)果的失真。

2）半成品流轉(zhuǎn)的過程控制

現(xiàn)如今，棉紡織廠半成品的流轉(zhuǎn)信息仍采用表單傳遞，人工流轉(zhuǎn)的方式，不僅信息傳遞緩慢，而且不能滿足MES對半成品流轉(zhuǎn)情況的跟蹤、監(jiān)控等方面的需求[4]。

2 RFID技術(shù)和適用性分析

2.1 RFID技術(shù)

典型的RFID系統(tǒng)主要由閱讀器、電子標(biāo)簽、RFID中間件和應(yīng)用系統(tǒng)軟件4部分組成。RFID技術(shù)具有數(shù)據(jù)存儲量大、可讀寫、非接觸、識別距離遠(yuǎn)，識別速度快、保密性好、穿透性強(qiáng)、壽命長、環(huán)境適應(yīng)性好以及能同時(shí)識別多標(biāo)簽等優(yōu)點(diǎn)。

閱讀器：主要負(fù)責(zé)與電子標(biāo)簽的雙向通信，同時(shí)接受來自主機(jī)系統(tǒng)的控制指令。

電子標(biāo)簽：是指由IC芯片和無線通信天線組成的超微型的小標(biāo)簽，其內(nèi)置的射頻天線用于與閱讀器進(jìn)行通信。

RFID中間件是一種面向消息的中間件，信息（Information）以（Message）的形式，從一個(gè)程序傳到另一個(gè)或多個(gè)程序。信息可以以異步（Asynchronous）的方式傳送，所以傳送者不必等待回應(yīng)。面向消息的中間件包含的功能不僅是傳遞信息，還必須包括解譯數(shù)據(jù)、安全性、數(shù)據(jù)廣播、錯(cuò)誤回復(fù)、定位網(wǎng)絡(luò)資源、找出符合成本的路徑、消息與要求的優(yōu)先次序以及延伸的除錯(cuò)工具等服務(wù)。

RFID中間件扮演著RFID標(biāo)簽和應(yīng)用程序之間的橋梁角色，應(yīng)用系統(tǒng)從中間件獲取讀寫器讀取到的標(biāo)簽數(shù)據(jù)，RFID讀寫器從中間件獲取命令，中間件的主要任務(wù)是對讀寫器傳來的與標(biāo)簽相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和共享，削減從讀寫器傳往應(yīng)用系統(tǒng)的海量原始數(shù)據(jù)、增加抽象出的有意義的信息量。

2.2 RFID在棉紡織廠半成品流轉(zhuǎn)中的應(yīng)用

將RFID電子標(biāo)簽嵌入到經(jīng)軸中，作為待識別物品的電子標(biāo)記。閱讀器與電子標(biāo)簽可按約定的通信協(xié)議互傳信息，當(dāng)經(jīng)軸進(jìn)入有效工作區(qū)域時(shí)，由閱讀器向電子標(biāo)簽發(fā)送命令，電子標(biāo)簽根據(jù)接收到的命令，電子標(biāo)簽會產(chǎn)生感應(yīng)電流，電子標(biāo)簽憑借感應(yīng)電流所獲得的能量將存儲在芯片中的產(chǎn)品信息，包括：經(jīng)軸軸號，批次，上軸時(shí)刻，班產(chǎn)量等需要的信息?；貍鹘o閱讀器，閱讀器讀取信息并解碼后，送至RFID中間件進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)處理，將處理后的數(shù)據(jù)與車間級制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，整個(gè)過程無人工干預(yù)，可以極大程度上降低工人的勞動強(qiáng)度和出錯(cuò)率，提升生產(chǎn)車間半成品的管理與控制水平，有效地跟蹤、管理和控制生產(chǎn)所需的物料，人力等資源[7]。

3 RFID中間件

3.1 RFID中間件的應(yīng)用

RFID中間件結(jié)合自身的應(yīng)用特性，將其應(yīng)用于MES系統(tǒng)中，通過對其數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)，使得將RFID采集的數(shù)據(jù)與MES系統(tǒng)直接進(jìn)行傳輸。

3.2 RFID中間件的消息傳遞機(jī)制設(shè)計(jì)要點(diǎn)

RFID中間件在實(shí)際應(yīng)用中主要起到數(shù)據(jù)的處理、傳遞和閱讀器的管理等功能。在RFID系統(tǒng)中，閱讀器產(chǎn)生事件，并將事件傳遞到消息傳遞系統(tǒng)中，由消息傳遞系統(tǒng)決定如何將事件數(shù)據(jù)傳遞到相關(guān)的應(yīng)用程序中。在這種模式下，閱讀器僅需將需求發(fā)送到消息傳遞系統(tǒng)中即可。所以，設(shè)計(jì)出的消息傳遞系統(tǒng)應(yīng)具有以下功能。

1） 基于內(nèi)容路由的功能

對于閱讀器獲取的全部原始數(shù)據(jù)，應(yīng)用程序在大多數(shù)的情況下僅僅需要其中的一部分。這就需要中間件必須提供通過事件消息的內(nèi)容來決定消息傳遞方向的功能，否則將導(dǎo)致消息傳遞系統(tǒng)不得不將全部信息都傳給應(yīng)用程序，而應(yīng)用程序不得不自己實(shí)現(xiàn)部分的過濾工作。

2）反饋機(jī)制

消息傳遞系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)之一就是減少RFID閱讀器與應(yīng)用程序之間的通信量。

3）數(shù)據(jù)分類存儲的功能

有些系統(tǒng)例如棉紡織廠的 MES系統(tǒng)需要得到批量RFID標(biāo)簽數(shù)據(jù)，并從中選取有價(jià)值的RFID事件信息，這就要求消息傳遞體統(tǒng)應(yīng)該提供數(shù)據(jù)存儲功能，知道用戶成功接收為止。

3.3 RFID中間件數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

其中，本文所采用的閱讀器通過RS232接口與上位機(jī)系統(tǒng)連接，為了解決RFID中間件中各模塊之間以及和棉紡織廠半成品流轉(zhuǎn)系統(tǒng)中的生產(chǎn)制造系統(tǒng)MES之間的數(shù)據(jù)傳輸和交互問題，本文采用基于消息系統(tǒng)的RFID中間件架構(gòu)[5]。其基本原理如圖3所示：

其中，閱讀器協(xié)調(diào)是保證整個(gè)系統(tǒng)的通信要求，主要避免讀寫器沖突以及控制功率。數(shù)據(jù)的過濾與聚集是RFID中間件平臺的核心，通過相關(guān)算法來減少數(shù)據(jù)冗余并為后臺應(yīng)用提供語義信息。數(shù)據(jù)路由是中間件能決定采集的標(biāo)簽數(shù)據(jù)信息傳遞給哪一個(gè)應(yīng)用[6]。各個(gè)功能模塊都需要自己維護(hù)一個(gè)消息隊(duì)列，模塊之間、模塊與制造執(zhí)行系統(tǒng)之間都通過消息系統(tǒng)進(jìn)行通信。消息系統(tǒng)可以根據(jù)消息的類型把消息傳送到指定模塊。

這個(gè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)需要，消息對象的設(shè)計(jì)、消息隊(duì)列的設(shè)計(jì)以及消息傳遞的實(shí)現(xiàn)[5]。

消息對象分為兩部分：消息參數(shù)和消息接口。

1） 消息參數(shù)

主要包括：消息優(yōu)先級（Message priority）、消息類型標(biāo)志（Message type）和消息內(nèi)容（Message content）。

其中，Message priority = Digit，共有4級優(yōu)先級（0～3），優(yōu)先級高的優(yōu)先處理，同級按到達(dá)先后處理。

消息接口主要是定義一些消息參數(shù)讀取、寫入相關(guān)的操作，不包括消息的具體處理程序。系統(tǒng)傳遞消息時(shí)只傳遞狀態(tài)不傳遞代碼。

2）消息隊(duì)列的設(shè)計(jì)

消息的4級優(yōu)先級用一個(gè)含4元素的數(shù)組Q[]表示，數(shù)組的每一元素都代表一個(gè)指向特定優(yōu)先級的消息鏈表，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可表示如下：

Struct MessageContainer

{ message msg；

Socket socket；

Int Timestamp；

}

3）消息傳遞實(shí)現(xiàn)的流程設(shè)計(jì)框圖

由消息發(fā)送和接收的設(shè)計(jì)，我們對數(shù)據(jù)傳輸并用VB進(jìn)行了仿真實(shí)現(xiàn)如下：

4 結(jié)束語

本文分別對棉紡織廠半成品流轉(zhuǎn)信息的采集和RFID適用性進(jìn)行了分析，通過對基于消息系統(tǒng)的RFID中間件架構(gòu)的設(shè)計(jì)以及實(shí)現(xiàn)，使RFID應(yīng)用于半成品流轉(zhuǎn)中，并且用VB仿真實(shí)現(xiàn)了RFID中間件的數(shù)據(jù)傳輸。使得對生產(chǎn)現(xiàn)場對象數(shù)據(jù)采集更加準(zhǔn)確，實(shí)時(shí)性更高。從而使棉紡織廠的半成品流轉(zhuǎn)信息實(shí)現(xiàn)了自動化管理。

參考文獻(xiàn)

[1] 譚民，劉禹，曾雋芳等.RFID技術(shù)系統(tǒng)工程及應(yīng)用指南.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.4

[2] 謝 杏，林敏銳，侯文君，等.RFID技術(shù)在離散制造業(yè)生產(chǎn)線的應(yīng)用探索[J].中國自動識別，2007（3）：45-47

[3] 楊懷波、史明華、邱小秦.紡織企業(yè)MES下的設(shè)備管理系統(tǒng)的研究與開發(fā).全國先進(jìn)制造技術(shù)高層論壇暨第九屆制造業(yè)自動化與信息化研討會[M].2010.10

[4] 付林云.MES中數(shù)控車間數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究和應(yīng)用[M].浙江：浙江大學(xué).2008.5

[5] 銀國超.基于RFID的離散制造業(yè)MES方案及應(yīng)用研究[M].重慶：重慶大學(xué).2008.4

[6] RFID中間件軟件在RFID系統(tǒng)中的功能和作用[M].C114中國通信網(wǎng)，2012.7.20

[7] 陳斗雪，黎毅明，陳一天，等.無線射頻識別及其在制造業(yè)中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2006，27（8）：1359-1361