基于物聯(lián)網(wǎng)RFID技術(shù)的導(dǎo)引系統(tǒng)設(shè)計與研究

曾實現(xiàn)+薛蕊+陳江波

摘 要： 為滿足現(xiàn)代物料搬運系統(tǒng)的特點，克服傳統(tǒng)條形碼技術(shù)的缺陷，將物聯(lián)網(wǎng)RFID技術(shù)集成于AGV自動導(dǎo)引系統(tǒng)。采用節(jié)點導(dǎo)向法，以LPC2210微處理器為控制核心，由RFID系統(tǒng)來完成目標(biāo)物料信息的存儲、讀取和數(shù)據(jù)處理工作，利用RFID標(biāo)簽定位功能增強AGV的自主引導(dǎo)能力，通過設(shè)計標(biāo)簽導(dǎo)向系統(tǒng)，實現(xiàn)物料的多目標(biāo)、超視距識別以及裝載、搬運和自動入庫的功能，提高系統(tǒng)的靈活性。最后，利用FlexSim模型進行系統(tǒng)仿真，仿真結(jié)果證明該系統(tǒng)獲取與傳輸數(shù)據(jù)速率較快，系統(tǒng)等待時間較短，提高了工作效率和經(jīng)濟效益。

關(guān)鍵詞： 導(dǎo)引系統(tǒng)； RFID技術(shù)； AGV； 電子標(biāo)簽

中圖分類號： TN876?34； TH132 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）19?0022?03

Design and research of guidance system based on RFID technology of Internet of Things

ZENG Shixian， XUE Rui， CHEN Jiangbo

（Qingdao Huanghai College， Qingdao 266427， China）

Abstract： In order to meet the characteristics of modern material handling system and overcome the shortcomings of traditional barcode technology， the RFID technology of Internet of Things （IoT） is integrated into the AGV automatic guidance system. The RFID system is adopted to accomplish the storage， reading and data processing of the target material information， in which the node?oriented method is used， and LPC2210 microprocessor is taken as the central control unit. The RFID tag positioning function is utilized to enhance the autonomous guidance capability of AGV. The functions of multi?objective and beyond?visual?range identification， loading and automatic warehousing of materials can be realized and the system flexibility can be improved by means of the tag?oriented system. The FlexSim model is used for system simulation. The results show that the system has high efficiency in data acquisition and transmission， and the waiting time of the system is shorter， which improves the work efficiency and economic benefits.

Keywords： guidance system； RFID technology； AGV； electronic tag

0 引 言

目前，在港口的物料運輸中較為常見的裝卸搬運的運輸裝備是帶式輸送機和叉車[1]，在工作過程中不僅需要耗費大量人力，而且對技術(shù)操作人員的要求相對來說較高，所以，此類設(shè)備制約了企業(yè)經(jīng)濟效率的提高[2]。隨著AGV（Automated Guided Vehicle）導(dǎo)引和RFID技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用，使得高效柔性搬運及運輸在物料搬運企業(yè)中得到了廣闊的發(fā)展[3?4]。文中通過了解港口搬運的環(huán)境特點，對物料的柔性化、自動化、智能化運輸過程進行研究，基于RFID技術(shù)對AGV導(dǎo)引系統(tǒng)做整體設(shè)計，該系統(tǒng)不僅降低了人力物力，而且大大地減少了工作時間，提高了效率[5]。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 總體設(shè)計

本文中的導(dǎo)引系統(tǒng)主要由電源部分、系統(tǒng)本體、驅(qū)動部分、無線通信系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、定位系統(tǒng)等組成[6]。由控制中心發(fā)出指令，系統(tǒng)上位機自動按照規(guī)劃的路徑執(zhí)行相應(yīng)指令，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的高效運行。該導(dǎo)引系統(tǒng)在設(shè)計、控制管理與執(zhí)行機構(gòu)三個方面完成功能目標(biāo)，這三層構(gòu)架相互協(xié)調(diào)。系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件包含多個不同的子模塊，具體為上位機、無線傳輸網(wǎng)絡(luò)、驅(qū)動器、各種傳感器、控制中心、電源等。硬件的各模塊的組成如圖2所示。

整個硬件系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)器，同時裝有軟件系統(tǒng)，其職責(zé)為給AGV系統(tǒng)下達(dá)指令。此系統(tǒng)中頂層信息和中間層信息的傳遞通過無線局域網(wǎng)絡(luò)進行，不同的網(wǎng)絡(luò)包含不同的通信協(xié)議，為此需要在相應(yīng)的通信協(xié)議下進行通信[7]。直流電機的工作在系統(tǒng)的運動控制中發(fā)揮作用，驅(qū)動器主要通過判斷H橋的PWM波來控制車速，主要采用超聲波避障傳感器、紅外光電傳感器等 [8]。

1.3 軟件設(shè)計

導(dǎo)引軟件部分分為頂層PC軟件和中間層的系統(tǒng)軟件。系統(tǒng)以頂層的PC控制系統(tǒng)為核心[9]，對導(dǎo)引系統(tǒng)進行路徑規(guī)劃，并實時儲存系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)。endprint

2 RFID和AGV的集成設(shè)計

2.1 RFID概述

RFID（Radio Frequency Identification，射頻識別技術(shù)）系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)原理圖如圖3所示。通常RFID系統(tǒng)主要包含RFID閱讀器、RFID電子標(biāo)簽兩部分[10]，系統(tǒng)由電子標(biāo)簽和閱讀器來完成目標(biāo)信息的存儲、讀取和數(shù)據(jù)處理。RFID系統(tǒng)是計算機的必要組成部分，并且配套使用。

2.2 RFID與AGV的集成系統(tǒng)

集成系統(tǒng)以LPC2210微處理器為核心控制單元，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理，存儲數(shù)據(jù)及連接系統(tǒng)的各個接口，對系統(tǒng)進行控制等功能。系統(tǒng)通過集成RFID和AGV，從而使得系統(tǒng)的導(dǎo)引效果得到提高。如圖4所示為集成系統(tǒng)的構(gòu)成框圖，在RFID閱讀器和AGV控制系統(tǒng)的串口中實現(xiàn)通信，將采集到的數(shù)據(jù)傳送給控制系統(tǒng)，由上位機完成采集和分析工作，實現(xiàn)系統(tǒng)的集成化[11]。

3 RFID標(biāo)簽導(dǎo)向設(shè)計

3.1 前端電路

電子標(biāo)簽由RFID電路和天線組成，主要分為有源式與無源式。無源式標(biāo)簽在工作中無需電源，成本低、可靠性較高[12]；有源式標(biāo)簽未被激發(fā)時為待機狀態(tài)，正常工作為通信狀態(tài)。RFID標(biāo)簽可以按照系統(tǒng)工作頻率分類，研究發(fā)現(xiàn)有源式標(biāo)簽對于定位與信息的處理更有優(yōu)勢，穩(wěn)定性更高[11]。標(biāo)簽射頻前端電路圖如圖5所示。

3.2 標(biāo)簽軟件設(shè)計

射頻收發(fā)芯片在數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送階段起到至關(guān)重要的作用，軟件可以根據(jù)寄存器配置實現(xiàn)多種功能[11]。每個數(shù)據(jù)包都有相應(yīng)的編號，當(dāng)系統(tǒng)地址匹配、CRC正確時，數(shù)據(jù)將被存入狀態(tài)寄存器RX_FIFO中。IRQ是否有效是由狀態(tài)寄存器的位置高低來控制。當(dāng)指令使系統(tǒng)自動有效時，接收應(yīng)答信號將會被返回。微程序控制器的CE為低時，控制系統(tǒng)將進入低功耗模式，此時，系統(tǒng)將在低電流下進行指令的讀取與存儲等。文中所述標(biāo)簽指令工作的發(fā)送與接收流程圖分別如圖6和圖7所示，微控制器在過程中執(zhí)行讀與寫操作，這對于RFID工作中相關(guān)信息的準(zhǔn)確處理起著關(guān)鍵的作用。

判定指令的傳輸效果主要通過接收應(yīng)答信號，若系統(tǒng)收到相應(yīng)的應(yīng)答信號，數(shù)據(jù)便從TX FIFO中刪除，此時說明指令傳送成功；相反，數(shù)據(jù)則一直傳輸，即自動重傳的狀態(tài)有效。電子標(biāo)簽讀寫器在接收標(biāo)簽信息后，發(fā)送“PWR_UP=0”，此時，電子標(biāo)簽進入掉電模式，整個過程高效、穩(wěn)定地完成了數(shù)據(jù)信息的傳輸。

3.3 系統(tǒng)仿真與測試

文中采用的仿真系統(tǒng)為Flexsim Software Production公司出品的FlexSim，該軟件系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于加工制造、物流運輸?shù)阮I(lǐng)域，通過面向?qū)ο蟮募夹g(shù)，較為真實地模擬顯示設(shè)定環(huán)境[13]。如圖8所示，為集成系統(tǒng)的FlexSim模型，整個仿真過程對實際生產(chǎn)有較好的指導(dǎo)意義。

對于系統(tǒng)的測試，主要為通信測試。將系統(tǒng)復(fù)位，把計算機的COM口的DART串行通信模塊設(shè)置為與預(yù)先配置參數(shù)相同的波特率，在物流追蹤系統(tǒng)PC端軟件的設(shè)備管理中設(shè)置串口波特率為9 600 b/s，并連接到相應(yīng)的COM口。若RFID讀寫器有應(yīng)答說明通信成功，若通信質(zhì)量較差，需要循環(huán)調(diào)試參數(shù)，直至正常通信。

通過仿真與測試可知，RFID和AGV集成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)獲取與傳輸速率快，系統(tǒng)等待反饋的時間較短，大大提高了系統(tǒng)的運營效率。這得益于AGV設(shè)計的智能特性，系統(tǒng)對勞動力的要求大大降低，而且對于運輸控制的精度進一步提升，對提高經(jīng)濟效益有較大的幫助。

4 結(jié) 語

本文設(shè)計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)RFID技術(shù)和AGV相結(jié)合的集成系統(tǒng)，根據(jù)RFID和AGV集成系統(tǒng)的設(shè)計特點，同時結(jié)合RFID標(biāo)簽的導(dǎo)向技術(shù)，從而實現(xiàn)了物料的多目標(biāo)、超視距識別以及裝載、搬運和自動入庫的功能，系統(tǒng)工作效率高、較靈活、易擴展、有較高的可靠性，可以廣泛應(yīng)用于物料配送行業(yè)。

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