基于ISO15693協(xié)議的RFID智能貨架管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張成吉 ，景為平

(南通大學(xué)，江蘇省專用集成電路設(shè)計(jì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南通 226019)

0 引言

RFID技術(shù)是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它通過(guò)射頻信號(hào)在空間磁場(chǎng)耦合進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信[1]。RFID系統(tǒng)主要由應(yīng)答器、閱讀器、應(yīng)用軟件系統(tǒng)組成，企業(yè)通過(guò)RFID中間件將RFID系統(tǒng)與企業(yè)現(xiàn)有的制造執(zhí)行系統(tǒng)和制造信息管理系統(tǒng)相連，實(shí)時(shí)獲取產(chǎn)品在各個(gè)環(huán)節(jié)中的信息，提高企業(yè)生產(chǎn)率并節(jié)省生產(chǎn)成本。目前，RFID在制造業(yè)上的應(yīng)用層出不窮。如工廠的資產(chǎn)管理、倉(cāng)儲(chǔ)管理、生產(chǎn)線的數(shù)據(jù)采集及人員定位的管理。

本文針對(duì)企業(yè)待加工物品難管理的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一套基于RFID智能貨架管理系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)合企業(yè)實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景，以RFID技術(shù)為核心并輔以手持式智能終端的使用進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，將得到數(shù)據(jù)清洗存入數(shù)據(jù)庫(kù)軟件并傳遞給MES系統(tǒng)?；贐/S結(jié)構(gòu)，通過(guò)ASP.NET開發(fā)平臺(tái)開發(fā)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序，便于實(shí)時(shí)查詢物品信息。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

智能貨架管理系統(tǒng)是根據(jù)企業(yè)對(duì)于待加工物品實(shí)時(shí)管理的需求，利用RFID技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)開發(fā)而成的智能化管理系統(tǒng)。本系統(tǒng)主要以企業(yè)貨架環(huán)境為應(yīng)用對(duì)象，由RFID標(biāo)簽、RFID閱讀器、手持式智能終端以及應(yīng)用支撐軟件4部分構(gòu)成。企業(yè)目前有80個(gè)電子貨架，每個(gè)電子貨架分3層，每層固定3個(gè)存貨位置，每個(gè)存貨位置上疊放2個(gè)料箱，共1 440個(gè)料箱位置。本系統(tǒng)中，每個(gè)料箱裝貼電子標(biāo)簽，標(biāo)簽內(nèi)寫入U(xiǎn)ID號(hào)唯一標(biāo)識(shí)料箱。貨架背板上安裝RFID閱讀器，每個(gè)存貨料箱對(duì)應(yīng)位置上安裝RFID讀寫天線。系統(tǒng)工作流程如圖1所示，周轉(zhuǎn)庫(kù)操作員用手持式智能終端從電子隨工單上讀取待加工物品的Lot ID號(hào)，送入服務(wù)器。服務(wù)器判斷是否有同一批次的物品并通過(guò)揚(yáng)聲器進(jìn)行播報(bào)。若沒(méi)有同一批次的物品，周轉(zhuǎn)庫(kù)操作員選取空料箱并讀取料箱上電子標(biāo)簽的UID號(hào)，將此物品放入料箱并進(jìn)行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，送入服務(wù)器并放入貨架。如果存在同一批次的物品，服務(wù)器判斷該物品是否能夠并批。若能并批，揚(yáng)聲器播報(bào)料箱號(hào)，周轉(zhuǎn)庫(kù)操作員進(jìn)行并批操作并放入貨架相應(yīng)位置。若不能并批，周轉(zhuǎn)庫(kù)操作員選取一個(gè)空料箱并讀取料箱的UID號(hào)，將此物品放入料箱中并進(jìn)行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，送入服務(wù)器。揚(yáng)聲器播報(bào)料箱應(yīng)放入的位置，周轉(zhuǎn)庫(kù)操作員按指令放入貨架。料箱在貨架上放到位后服務(wù)器通過(guò)相應(yīng)貨位RFID閱讀天線將料箱的UID號(hào)送入控制服務(wù)器，從而得知料箱的位置?？刂品?wù)器將隨工單號(hào)、料箱RFID號(hào)和料箱號(hào)碼關(guān)聯(lián)起來(lái)，并生成本料箱履歷表，履歷表包括料箱的基本信息，如ID號(hào)、組裝批號(hào)、品名、客戶名、加工速度等級(jí)、時(shí)間、料箱在貨架的位置等并送入MES系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)工作流程圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中的RFID閱讀器是基于ISO15693協(xié)議進(jìn)行設(shè)計(jì)的，硬件主要由微控制器、可編程邏輯器件、電源模塊、調(diào)制模塊、檢波及濾波放大模塊、載波抑制模塊、天線發(fā)送接收模塊和雙向比較模塊組成[2]。其功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 閱讀器原理圖

微控制器選用STC15W4K系列單片機(jī)，其具有豐富的資源、超低功耗、可靠性高、成本較低。采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思想，采用C語(yǔ)言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)串口(RS232)與網(wǎng)口(RJ45)通信、控制CPLD進(jìn)行數(shù)據(jù)編碼、解碼，對(duì)收到的信號(hào)進(jìn)行防碰撞處理及天線輪詢等功能。可編程邏輯器件選用EPM240系列，成本低、功耗小。采用Verilog HDL語(yǔ)言進(jìn)行RTL級(jí)建模，完成信號(hào)編解碼。RFID閱讀器硬件部分主要由射頻前端電路、MCU邏輯控制電路以及電源產(chǎn)生電路等組成，最終實(shí)現(xiàn)基于ISO15693協(xié)議的發(fā)送功率可調(diào)的可讀寫RFID閱讀器。

2.1 射頻前端電路設(shè)計(jì)

射頻前端電路主要分為發(fā)送和接收2部分，部分原理圖如圖3所示。

圖3 射頻發(fā)送、接收部分原理圖

射頻接收部分，RFID閱讀器通過(guò)天線接收射頻已調(diào)信號(hào)，經(jīng)檢波后消除13.56 MHz載波，得到調(diào)制信號(hào)。經(jīng)過(guò)濾波放大電路后，濾除了調(diào)制信號(hào)中的高頻噪聲和干擾并進(jìn)行了放大。為便于分析，通過(guò)載波抑制電路，保留正相信號(hào)。再次經(jīng)過(guò)濾波放大電路，濾除雜波，增大功率。最后經(jīng)過(guò)雙向比較器，將信號(hào)整形、優(yōu)化變?yōu)閿?shù)字信號(hào)。

射頻發(fā)送部分，上位機(jī)將命令發(fā)送給微控制器，微控制器控制CPLD產(chǎn)生數(shù)字基帶信號(hào)。時(shí)鐘產(chǎn)生模塊產(chǎn)生13.56 MHz載波與基帶信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，變?yōu)橐颜{(diào)信號(hào)送入放大器。然后經(jīng)過(guò)濾波電路濾除雜波送入天線發(fā)送模塊，傳輸?shù)綐?biāo)簽中。

2.2 通信接口電路設(shè)計(jì)

微控制器(MCU)STC15K4W單片機(jī)選用LQFP3封裝形式，有30個(gè)I/O引腳。所需工作電壓為3.3 V,由電源電路產(chǎn)生。外接24 MHz的石英晶振，為電路提供所需時(shí)鐘信號(hào)。為便于RFID閱讀器與服務(wù)器、客戶端進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，本設(shè)計(jì)采用W5500嵌入式以太網(wǎng)控制器進(jìn)行通信電路設(shè)計(jì)[3]。通過(guò)在W5500的SCSn的引腳上串聯(lián)一個(gè)10 kΩ電阻并接入3.3 V電壓來(lái)選擇W5500的SPI接口模式，配置MCU為SPI主模式而W5500為SPI從模式。在SPI總線模式下，P3.6、P3.7、P2.0分別與SCLK、MISO、MOSI信號(hào)線直接相連，使得MCU通過(guò)SPI對(duì)W5500進(jìn)行讀寫操作。通信電路原理圖如圖4所示。

圖4 通信電路原理圖

2.3 電源電路設(shè)計(jì)

電源電路產(chǎn)生微控制器、可編程邏輯器件及射頻前端電路所需的電壓和電流，維持電路正常工作，電源電路部分原理圖如圖5所示。電源電路產(chǎn)生的電壓有6.8、5、3.3 V及可調(diào)電壓VCCPA。本電源電路主要由線性穩(wěn)壓器、開關(guān)電源芯片等組成。電源適配器將電壓從220 V變?yōu)?2 V,12 V電壓經(jīng)過(guò)變壓器轉(zhuǎn)換為9 V，再依次通過(guò)線性穩(wěn)壓器與開關(guān)電源，輸出電路所需的電壓。射頻發(fā)送電路的電源由可調(diào)電壓VCCPA提供，從而實(shí)現(xiàn)RFID閱讀器發(fā)送功率可調(diào)[4]。可調(diào)電壓電路選用開關(guān)電源芯片TPS54340DDA進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換。該芯片具有寬輸入電壓，效率高的特性。芯片輸入9 V電壓，而在芯片輸出的SW腳接上滑動(dòng)變阻器R91與兩分壓電阻串聯(lián)，根據(jù)式(1)，通過(guò)改變R91值，得到可調(diào)的VCCPA電壓值并提供給射頻發(fā)送電路，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)送功率可調(diào)。

圖5 電源電路部分原理圖

(1)

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以B/S(Browser/Server)為架構(gòu)，采用面向?qū)ο蟮乃枷朐O(shè)計(jì)程序。手持式智能終端型號(hào)為PDA3501,操作系統(tǒng)為Android4.2,集成了條碼掃描、NFC(Near Field Communication)、WLAN(Wireless Local Area Network)等功能模塊。在智能終端上開發(fā)一款A(yù)pp讀取條形碼和RFID標(biāo)簽數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)待加工物品與料箱的綁定，固定在電子貨架上閱讀器通過(guò)RFID中間件讀取料箱的標(biāo)簽數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)清洗、整合。網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序采用ASP.NET框架，具備開發(fā)網(wǎng)站應(yīng)用程序的一切解決方案，包括驗(yàn)證、緩存、狀態(tài)管理、調(diào)試和部署等全部功能。

3.1 Android App程序設(shè)計(jì)

App程序在Eclipse環(huán)境下開發(fā)，主要完成讀取待加工物品上的條碼數(shù)據(jù)以及料箱上的RFID標(biāo)簽數(shù)據(jù)，把物品與料箱進(jìn)行綁定并通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳送給本地計(jì)算機(jī)[5]。手持式智能終端及App程序界面如圖6、圖7所示。在APP界面中增加一個(gè)綁定按鈕，用于表示完成一次數(shù)據(jù)綁定并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送給本地計(jì)算機(jī)。App界面的讀取條碼、讀取標(biāo)簽數(shù)據(jù)以及綁定數(shù)據(jù)按鈕分別與手持式智能終端上的按鍵關(guān)聯(lián)，便于操作。App程序依據(jù)TCP/IP協(xié)議與本地計(jì)算機(jī)通信，開辟兩個(gè)子線程進(jìn)行發(fā)送、接收工作。

圖6 手持式智能終端

圖7 Android App界面圖

3.2 RFID中間件設(shè)計(jì)

RFID中間件是RFID應(yīng)用系統(tǒng)中介于讀寫器與企業(yè)應(yīng)用之間的支撐軟件，其主要任務(wù)是對(duì)讀寫器傳來(lái)與標(biāo)簽相關(guān)的事件和數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾、清洗、匯集、計(jì)算和抽象。單個(gè)貨架上位機(jī)界面圖如圖8所示。RFID中間件首先通過(guò)以太網(wǎng)口連接閱讀器，并進(jìn)行工作模式、命令模式、UID傳輸模式、波特率選擇等參數(shù)配置。打開閱讀器，讀取標(biāo)簽UID。為過(guò)濾閱讀器讀取的冗余數(shù)據(jù)，設(shè)置一個(gè)由若干個(gè)基本周期組成的讀取周期并定義標(biāo)簽識(shí)別率:

式中:ni,k為第k個(gè)讀取周期中標(biāo)簽i讀到的次數(shù);nk為讀取周期中所含基本周期的個(gè)數(shù)[6]。

當(dāng)料箱放入貨架的具體位置時(shí)，標(biāo)簽的識(shí)別率應(yīng)保持在一定范圍內(nèi)。當(dāng)料箱離開貨架位置時(shí)，標(biāo)簽識(shí)別率急劇下降。RFID閱讀器與標(biāo)簽的一次數(shù)據(jù)交互為一個(gè)簡(jiǎn)單事件，記為(R,O,T)。其中R為閱讀器名，O為標(biāo)簽名，T為時(shí)間戳。標(biāo)簽識(shí)別率為一個(gè)復(fù)雜事件，記為(O,B,T)，其中B為標(biāo)簽識(shí)別率。設(shè)定一個(gè)閾值，當(dāng)標(biāo)簽識(shí)別率小于此閾值，系統(tǒng)認(rèn)為料箱離開位置。

圖8 貨架中間件界面

3.3 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

針對(duì)電子貨架的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)表的設(shè)計(jì),系統(tǒng)采用的數(shù)據(jù)庫(kù)軟件為SQLServer 2014。采用Entity Framework的code first模式來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)表的設(shè)計(jì)、遷移及更新表結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)庫(kù)中表分為3種：靜態(tài)實(shí)體表、靜態(tài)關(guān)系表和動(dòng)態(tài)關(guān)系表。靜態(tài)實(shí)體表記錄了RFID閱讀器、電子貨架、料箱、用戶個(gè)人信息等實(shí)體的具體信息，如ID、名稱、描述信息等。靜態(tài)關(guān)系表記錄了RFID閱讀器與電子貨架之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系、天線與閱讀器的對(duì)應(yīng)關(guān)系、天線與貨架各位置的對(duì)應(yīng)關(guān)系等靜態(tài)實(shí)體間映射信息。動(dòng)態(tài)關(guān)系表記錄了手持式智能終端采集的數(shù)據(jù)、RFID閱讀器實(shí)時(shí)讀取的數(shù)據(jù)等帶有時(shí)間戳的數(shù)據(jù)[7]。ASP.NET編程模式采用MVC(model view controller)，包含3個(gè)邏輯層：業(yè)務(wù)層(模型邏輯)、顯示層(視圖邏輯)和輸入控制(控制器邏輯)。在Controller中增加系統(tǒng)所需的控制邏輯，并在View中,利用HTML5、CSS語(yǔ)言構(gòu)建相應(yīng)的用戶登錄、系統(tǒng)主界面、用戶增加刪除界面以及閱讀器相關(guān)信息配置等界面。采用JavaScript來(lái)為各個(gè)界面創(chuàng)建動(dòng)態(tài)事件，并適當(dāng)美化界面。在控制邏輯中，通過(guò)連接字符串與SQL Server2014相連，從各個(gè)表中進(jìn)行數(shù)據(jù)的增加、刪除、更新、查詢以及相關(guān)的數(shù)據(jù)處理算法等操作來(lái)提取數(shù)據(jù)填充到視圖中。最后通過(guò)Web Service技術(shù)將相關(guān)信息送入企業(yè)的MES(manufacturing execution system)系統(tǒng)中[8]，高效實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化。網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序如圖9所示。

圖9 貨架網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序界面

4 系統(tǒng)測(cè)試和驗(yàn)證

測(cè)試五通道RFID閱讀器在天線輪詢模式，結(jié)果表明各通道能夠準(zhǔn)確無(wú)誤地讀取相對(duì)應(yīng)的標(biāo)簽并顯示在上位機(jī)中。測(cè)試手持式智能終端傳輸數(shù)據(jù)，通過(guò)選用10張不同清晰程度的條形碼，以不同的方式掃描條碼實(shí)時(shí)上傳至服務(wù)器。測(cè)試結(jié)果表明，手持式智能終端能基本準(zhǔn)確地把條碼號(hào)傳至服務(wù)器。針對(duì)電子貨架固定RFID閱讀器及天線的位置。選取8個(gè)待加工物品和6個(gè)料箱。周轉(zhuǎn)庫(kù)操作員通過(guò)掃描條形碼與讀取料箱標(biāo)簽ID號(hào)進(jìn)行貨物綁定，并放入貨架任意位置。當(dāng)待加工物品需進(jìn)入下一道工序時(shí)，操作員通過(guò)本地計(jì)算機(jī)獲取物品放入的位置送入下一道工序。測(cè)試結(jié)果表明，采用RFID技術(shù)管理物品，節(jié)省了大量的人力，提高生產(chǎn)效率，便于數(shù)據(jù)查詢與保存。貨架實(shí)物圖10所示。

圖10 貨架實(shí)物圖

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了基于RFID的智能貨架管理系統(tǒng)，詳細(xì)闡述了系統(tǒng)的工作原理和運(yùn)行方式?；赟TC單片機(jī)的強(qiáng)大的控制能力及低功耗和CPLD的實(shí)時(shí)并行控制能力和高速數(shù)據(jù)處理的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)基于ISO15693協(xié)議的RFID閱讀器硬件電路設(shè)計(jì)。結(jié)合簡(jiǎn)潔的上位機(jī)界面和Android App的高靈活性、輔以復(fù)雜事件處理的算法及分布性強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序，最終實(shí)現(xiàn)一個(gè)全自動(dòng)化、高效率、操作便捷的RFID智能貨架管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)已應(yīng)用于企業(yè)貨架管理的示范工程中，提高了企業(yè)生產(chǎn)效率，節(jié)省了大量的動(dòng)力。