基于RFID 的物料信息追蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

韓康 HAN Kang；黃瑩 HUANG Ying；彭曦東 PENG Xi-dong；侯雙蘭 HOU Shuang-lan；黃戀楓 HUANG Lian-feng；程尊 CHENG Zun

（①湖北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，武漢 430040；②湖北新業(yè)煙草薄片開發(fā)有限公司，武漢 430056）

0 引言

“數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)”正在成為制造業(yè)新的經(jīng)濟(jì)增長引擎，先進(jìn)制造產(chǎn)業(yè)對生產(chǎn)過程中的控制和管理需求不斷增加。傳統(tǒng)物料信息追蹤方案是采用紙質(zhì)清單與人工追蹤相結(jié)合的辦法[1]，該方法已無法勝任工業(yè)生產(chǎn)中日益增長的數(shù)據(jù)量。無線射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）技術(shù)可以無接觸讀取數(shù)據(jù)，同時(shí)不需要人工進(jìn)行操作就能對標(biāo)簽識別，這種特點(diǎn)使RFID 技術(shù)十分適合在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用[2]。

1 RFID 技術(shù)概述

RFID 技術(shù)是一種非接觸的自動(dòng)識別技術(shù)，射頻信號通過空間耦合（電感或電磁耦合）來獲取目標(biāo)相關(guān)信息，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識別物體或商品[3]。RFID 的交互方式是讀寫器使用一定頻率的無線通信，為標(biāo)簽提供能量，通過時(shí)序關(guān)系來識別標(biāo)簽。RFID 系統(tǒng)通常由電子標(biāo)簽、天線、讀寫器和中間件四部分構(gòu)成[4]。

標(biāo)簽（Tag）：每個(gè)標(biāo)簽都有一個(gè)內(nèi)置的天線，用于監(jiān)聽特定頻率的信號。當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入讀寫器工作范圍時(shí)，使用讀寫器傳來的能量，反射接收到的信號。通過調(diào)制反射的信號，可以送回特定的信息。

讀寫器（Reader）用于識別工作范圍內(nèi)的標(biāo)簽。它的基本任務(wù)是啟動(dòng)標(biāo)簽用于與標(biāo)簽進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，從而實(shí)現(xiàn)非接觸通信。當(dāng)讀寫器發(fā)現(xiàn)標(biāo)簽時(shí)，通過天線向標(biāo)簽傳輸射頻能量，標(biāo)簽的天線接收到能量后，通過提高和降低天線的阻抗，用摩氏密碼的方式將天線的身份送回讀寫器。

天線（Antenna）為RFID 系統(tǒng)中標(biāo)簽和讀寫器的數(shù)據(jù)交換的發(fā)射和接收裝置，是通信過程的關(guān)鍵。同時(shí)RFID系統(tǒng)的通訊信道和通訊方式是由天線決定的。

中間件（Middleware）是運(yùn)行在讀寫器與主機(jī)中間的軟件，它是連接RFID 系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件的橋梁。讀寫器讀取成千上萬的標(biāo)簽的過程中，會產(chǎn)生大量有復(fù)雜聯(lián)系的數(shù)據(jù)，中間件通過提供一個(gè)規(guī)范化的機(jī)制可以對標(biāo)簽產(chǎn)生的大量信息進(jìn)行管理，同時(shí)提供與主機(jī)應(yīng)用軟件的接口，是連接RFID 設(shè)備和企業(yè)應(yīng)用程序的紐帶。

RFID 的工作原理如圖1。RFID 使用一種無線傳播機(jī)制，標(biāo)簽使用集成電路芯片，讀寫器通過天線給標(biāo)簽提供驅(qū)動(dòng)能量。讀寫器和標(biāo)簽的信息交互遵循嚴(yán)格的時(shí)序關(guān)系（由讀寫器提供），通過“詢問-應(yīng)答”的方式進(jìn)行。讀寫器給標(biāo)簽的命令和數(shù)據(jù)通過載波間隙、編碼調(diào)制等方式實(shí)現(xiàn)傳輸。

圖1 RFID 工作原理圖

RFID 技術(shù)具有無須校準(zhǔn)接觸、極具穿透性、可加密、識別精度高、耐高溫及酸堿、可儲存大量的信息等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于智能倉儲物流管理系統(tǒng)[5]、智慧城市等領(lǐng)域的建設(shè)當(dāng)中。

2 基于RFID 的物料信息追蹤系統(tǒng)介紹

2.1 項(xiàng)目背景

本文依據(jù)煙草薄片[6]企業(yè)生產(chǎn)車間的一些實(shí)際需求，結(jié)合其實(shí)際制造流程和工藝等設(shè)計(jì)一套基于RFID 的物料信息追蹤系統(tǒng)。

在煙草薄片生產(chǎn)過程中，要經(jīng)過投料、除雜、萃取、磨漿、配料、裝箱打包等一系列繁瑣的工序，涉及到的物料種類多，需嚴(yán)格控制物料不能有混料、錯(cuò)料、漏料等問題的發(fā)生，因此在經(jīng)過每一個(gè)工序前都需要對物料信息進(jìn)行核對，以保證準(zhǔn)確無誤。之前這一過程在企業(yè)內(nèi)都是由人工完成的，由于人受到情緒、疲勞等多種因素的影響，且某些物料外表特征難以用肉眼察覺，易出現(xiàn)差錯(cuò)。生產(chǎn)過程中物料均為按批次加工，一旦有混料錯(cuò)料的發(fā)生，則意味著一批產(chǎn)品的報(bào)廢，造成十分嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。因此，實(shí)現(xiàn)物料信息化從而避免這種生產(chǎn)過程中的非工藝性損耗顯得十分重要。

2.2 系統(tǒng)總體框架

物料信息追蹤系統(tǒng)大致可分為RFID 讀寫模塊、發(fā)送器和管理器三個(gè)部分，這也是整個(gè)物料信息追蹤系統(tǒng)的核心，也是研發(fā)過程中的重點(diǎn)。

RFID 讀寫模塊主要包含了RFID 標(biāo)簽和讀卡器。RFID 電子標(biāo)簽則具有耐高溫、抗腐蝕、抗干擾、讀取速率快、穿透能力強(qiáng)和可重復(fù)使用等諸多優(yōu)點(diǎn)，十分適合應(yīng)用在惡劣環(huán)境下的工業(yè)場合。RFID 號用于和物料批次綁定，并用于生產(chǎn)過程中進(jìn)行追蹤；物料通過所綁定的唯一RFID 號在后臺數(shù)據(jù)庫對相關(guān)信息建立索引用于查詢和追蹤，配套的讀寫器則用于物料數(shù)據(jù)采集和讀取。

發(fā)送器模塊與RFID 讀寫器相連，負(fù)責(zé)將得到的RFID 數(shù)據(jù)以及自身的一些信息進(jìn)行編碼，并通過總線將其發(fā)送到管理器上。發(fā)送器用于布置到生產(chǎn)現(xiàn)場的每一道工序，其自身信息可以顯示物料所經(jīng)歷的工序狀況，并通過判斷前后工序信息來確保物料不會出現(xiàn)混加或遺漏的情況發(fā)生。

管理器模塊用于接收發(fā)送器發(fā)來的消息，并和服務(wù)器進(jìn)行通訊。管理器通過現(xiàn)場總線與發(fā)送器相連，并通過以太網(wǎng)與服務(wù)器連接通訊，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器端，服務(wù)器端將在后臺數(shù)據(jù)庫對信息進(jìn)行查詢匹配追蹤，一旦發(fā)現(xiàn)物料異常就會及時(shí)報(bào)警，提醒工人檢查物料。同時(shí)，考慮到系統(tǒng)的冗余性，除了主要的現(xiàn)場總線通訊方式，系統(tǒng)還需設(shè)計(jì)備用應(yīng)急天線RF 通訊方式來防止總線癱瘓，進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性。系統(tǒng)總體架構(gòu)示意圖如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

3 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

物料信息追蹤系統(tǒng)主要需要設(shè)計(jì)的器件有發(fā)送器模塊和管理器模塊。由于管理器包含了發(fā)送器的所有功能，因此本節(jié)主要介紹了管理器的軟硬件設(shè)計(jì)。

3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

管理器硬件方面主要包括了這樣幾個(gè)模塊：主控制電路模塊、電源模塊、CAN 網(wǎng)絡(luò)模塊以及存儲模塊，應(yīng)急RF模塊、以太網(wǎng)模塊、串口模塊以及MISC 模塊等。本節(jié)重點(diǎn)對主控制電路模塊設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。

管理器采用的主控芯片為 NXP 公司的MK64FN1M0VLQ12 芯片。結(jié)合芯片特性，本文選擇MK64FN1M0VLQ12 作為主控制器的原因主要有以下三個(gè)點(diǎn)：一是支持總線CAN 協(xié)議，且擁有帶硬件時(shí)間戳的功能的IEEE 1588 以太網(wǎng)MAC（10/100M），完全滿足本系統(tǒng)通訊所需功能，能為實(shí)時(shí)控制提供高精度時(shí)鐘同步；第二點(diǎn)則是其強(qiáng)大的接口設(shè)計(jì)，為后續(xù)不同功能的完善和模塊的增加提供了較強(qiáng)的冗余性；第三點(diǎn)就是其低功耗特性，其工作電流最低可低至250uA/MHz，靜態(tài)電流5.8uA，且喚醒時(shí)間只需5us，待機(jī)電流可低至339nA，十分適合需要長時(shí)間使用的工業(yè)物料信息追蹤系統(tǒng)，能夠有效地降低后續(xù)使用成本。同時(shí)具有16 位的SPI 串行接口模塊，可以與后續(xù)所選用的總線控制器芯片MCP2515 方便地連接。

基于MK64FN1M0VLQ12 微控制器對于本系統(tǒng)在功能上的滿足，以及較合適的價(jià)格以及低功耗等優(yōu)點(diǎn)，因此選用該芯片完成本系統(tǒng)主控模塊的設(shè)計(jì)，選擇芯片工作頻率為50MHz，可以使指令運(yùn)行速度在納秒級別，從而能夠提高控制器的實(shí)時(shí)性能。同時(shí)采用32.768kHz 晶振做高精度實(shí)時(shí)時(shí)鐘信號。其與CAN 控制器模塊、存儲模塊均采用SPI 連接，使得設(shè)計(jì)較為簡單。主控制芯片核心模塊原理圖如圖3 所示。

圖3 主控制芯片核心模塊圖

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

管理器軟件所要實(shí)現(xiàn)的基本功能有接收CAN 總線報(bào)文，并根據(jù)報(bào)文能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，對系統(tǒng)自身出現(xiàn)的例如掉線、接頭松動(dòng)等問題要及時(shí)回應(yīng)。管理器通過向發(fā)送器發(fā)送心跳包來確定有哪些節(jié)點(diǎn)在線。同時(shí)要將物料批次信息通過以太網(wǎng)上傳到服務(wù)器和上層應(yīng)用軟件。管理器軟件設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，本文只在整體上對其工作流程進(jìn)行了概述，工作流程圖如圖4 所示。

圖4 主控制芯片核心模塊圖

系統(tǒng)初始化包括了各模塊例如主控芯片、MCP2515等器件的軟硬件初始化；冗余設(shè)計(jì)則是包含了一些軟件抗干擾措施，包括CRC 校驗(yàn)、看門狗設(shè)置等，同時(shí)也能對數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的預(yù)處理，能夠及時(shí)檢測系統(tǒng)自身出現(xiàn)的一些例如掉線、接頭松動(dòng)等問題?？偩€協(xié)議的實(shí)現(xiàn)則主要利用MCP2515 實(shí)現(xiàn)，并能夠一直接受發(fā)送器發(fā)送的CAN 幀消息。通信模塊則包括向服務(wù)器通過以太網(wǎng)發(fā)送數(shù)據(jù)，以及通過以太網(wǎng)接收服務(wù)器上的數(shù)據(jù)，然后發(fā)送給發(fā)送器等業(yè)務(wù)。

4 系統(tǒng)工作流程

本文為了解決生產(chǎn)物料的信息化問題，提出了一套基于RFID 的物料信息追蹤系統(tǒng)。本系統(tǒng)的工作流程為：首先是在物料開料前將物料信息與RFID 標(biāo)簽綁定，并在服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中建立索引；然后物料在每一道加工工序之前，通過RFID 讀寫器讀取物料批次信息，發(fā)送器將信息通過現(xiàn)場總線發(fā)送到管理器，管理器在對數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的處理后，通過以太網(wǎng)將信息傳送至服務(wù)器，服務(wù)器則通過數(shù)據(jù)庫的索引和查詢、匹配當(dāng)前物料信息，若發(fā)現(xiàn)有未被識別到的物料，或發(fā)現(xiàn)有非本批次的物料時(shí)，則能及時(shí)報(bào)警，并正確及時(shí)反饋給操作人員，從而避免混料錯(cuò)料等問題的發(fā)生。系統(tǒng)在生產(chǎn)中的簡要工作示意圖如圖5 所示。

圖5 系統(tǒng)工作示意圖

5 結(jié)語

本文從模塊化設(shè)計(jì)方面，分析了基于RFID 的物料信息追蹤系統(tǒng)各模塊功能及作用，并介紹了系統(tǒng)工作流程。它可以實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)上機(jī)物料錯(cuò)誤、混料以及數(shù)量不清等問題并及時(shí)報(bào)警，促進(jìn)生產(chǎn)模式從“后知后覺”到“先見之明”的轉(zhuǎn)變。隨著“中國制造2025”計(jì)劃的實(shí)現(xiàn)，制造業(yè)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級成為企業(yè)乃至國家新的經(jīng)濟(jì)增長引擎，信息化則是目前轉(zhuǎn)型升級過程中核心的問題。針對信息化技術(shù)的發(fā)展，還需要投入更多的人力物力來發(fā)展這些技術(shù)來滿足越來越多的制造企業(yè)的信息化需求，促進(jìn)我國從目前的制造業(yè)大國發(fā)展為全球制造業(yè)強(qiáng)國。