南通富士通微電子股份有限公司 夏 鑫 董 旺

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超高頻RFID在工業(yè)4.0中的應(yīng)用

南通富士通微電子股份有限公司 夏 鑫 董 旺

【摘要】超高頻RFID技術(shù)在人員管理方面正逐步顯現(xiàn)優(yōu)勢(shì)，并具有廣闊的前景，我們經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)和不斷的努力，分析了在工業(yè)場(chǎng)所內(nèi)利用UHF進(jìn)行員工管理的實(shí)際應(yīng)用情況及其影響，對(duì)不同標(biāo)簽在此領(lǐng)域的使用進(jìn)行了比較，提出了以標(biāo)簽作為載體，數(shù)據(jù)庫(kù)支持的定位模式，將員工信息記錄在EPC存儲(chǔ)器，通過(guò)在不同位置讀到的EPC信息對(duì)員工進(jìn)行定位，這里我們對(duì)定位系統(tǒng)的原理、功能和使用進(jìn)行論述。

【關(guān)鍵詞】RFID；標(biāo)簽；定位系統(tǒng)

引言

“工業(yè)4.0”描繪了制造業(yè)的未來(lái)愿景，提出繼蒸汽機(jī)的應(yīng)用、規(guī)?；a(chǎn)和電子信息技術(shù)等三次工業(yè)革命后，人類(lèi)將迎來(lái)以信息物理融合系統(tǒng)(CPS)為基礎(chǔ)，以生產(chǎn)高度數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、機(jī)器自組織為標(biāo)志的第四次工業(yè)革命。我們利用射頻識(shí)別技術(shù)是在工業(yè)4.0中的一次突破性嘗試，不同于展會(huì)和圖書(shū)管理系統(tǒng)的空曠的空間，工業(yè)場(chǎng)所內(nèi)的情況要復(fù)雜的多，超高頻RFID技術(shù)在此領(lǐng)域的應(yīng)用所具有的優(yōu)勢(shì)和存在的不足是本文主要探討和分析的內(nèi)容。

1 UHF標(biāo)簽的選擇

RFID系統(tǒng)的硬件部分主要有讀寫(xiě)器和標(biāo)簽組成，每個(gè)讀寫(xiě)器可配有4個(gè)天線(xiàn)。經(jīng)過(guò)不斷的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，超高頻標(biāo)簽對(duì)周?chē)h(huán)境有一定的要求，水分和金屬對(duì)標(biāo)簽的讀寫(xiě)效果影響很大，對(duì)于我們需要的將標(biāo)簽佩戴在身上而言，這是一大障礙。通過(guò)努力，我們發(fā)現(xiàn)有一種近液體標(biāo)簽可以解決目前所面臨的困難，為后續(xù)工作的開(kāi)展打好基礎(chǔ)。在模擬實(shí)際環(huán)境的情況下，通過(guò)試驗(yàn)得知標(biāo)簽的讀距在4-5米左右，標(biāo)簽大小為100mm*25mm，符合工程的范圍和使用要求。根據(jù)EPC Gen2規(guī)則，將EPC長(zhǎng)度設(shè)為24位并與員工的工號(hào)一一對(duì)應(yīng)，并利用數(shù)據(jù)庫(kù)寫(xiě)入員工信息，如姓名、性別、部門(mén)等。如果有新的員工信息的變動(dòng)，可以很方便的通過(guò)直接對(duì)標(biāo)簽內(nèi)容修改達(dá)到更新員工信息的效果。

2 天線(xiàn)安裝的方向和順序

經(jīng)過(guò)我們對(duì)示范工程場(chǎng)地的勘察，總共有兩個(gè)通道，分別在一樓和三樓，一樓通道寬1.2米，三樓通道寬3.5米，兩個(gè)通道都是車(chē)間的出入口。為了不影響三樓通道的整體外觀，我們研究決定將天線(xiàn)安裝在天花板上方，兩個(gè)讀寫(xiě)器各自配有4個(gè)12DBI的天線(xiàn)，朝向相對(duì)安裝，即一組面向南，一組面向北，兩組天線(xiàn)很好的提高了閱讀的準(zhǔn)確率和及時(shí)性。一樓由于空間較小，我們選用一個(gè)讀寫(xiě)器加4個(gè)8DBI的天線(xiàn)，分為兩組，兩個(gè)方向，一組面向門(mén)外一組面向門(mén)里，所有的饋線(xiàn)都是3米長(zhǎng)，即不影響讀距也不影響美觀。因?yàn)橐紤]上層軟件的寫(xiě)入，對(duì)于安裝好的天線(xiàn)方式，我們有兩種邏輯判斷方式可供選擇。

2.1 方向性

根據(jù)公司提出的要求和我們對(duì)讀距的考慮，這里的方向性表明每組不同天線(xiàn)的閱讀是代表明確的方向的，如果在天線(xiàn)正面朝向的那一端有讀到標(biāo)簽信息我們就認(rèn)為員工是從天線(xiàn)面向的方向往天線(xiàn)背面方向走來(lái)，大通道的兩組天線(xiàn)剛好對(duì)應(yīng)通道兩個(gè)方向，能準(zhǔn)確判定員工經(jīng)過(guò)天線(xiàn)后還是否在車(chē)間內(nèi)。但在天線(xiàn)安裝好之后，經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，由于工廠(chǎng)環(huán)境原因，天線(xiàn)發(fā)射的波經(jīng)過(guò)墻壁反射后，讀距比實(shí)驗(yàn)的要遠(yuǎn)，所以會(huì)出現(xiàn)干擾的情況。如果兩組天線(xiàn)有同時(shí)讀到同一個(gè)標(biāo)簽，就不好再判斷該員工是從哪一個(gè)方向走來(lái)，基于這種考慮，還要注意員工標(biāo)簽的佩戴方式，最好是保證只能一個(gè)方向讀到，這樣準(zhǔn)確率更高。

2.2 順序性

除了通過(guò)區(qū)別天線(xiàn)方向的方法來(lái)確定人員運(yùn)動(dòng)方向外，也可以不區(qū)分天線(xiàn)安裝的方向性，只需將每組天線(xiàn)各自看成一個(gè)整體，即同兩點(diǎn)確定一條直線(xiàn)的原理相類(lèi)似，兩組天線(xiàn)安裝在一條直線(xiàn)上，當(dāng)有員工先后經(jīng)過(guò)兩組讀寫(xiě)器，通過(guò)讀到的順序可確定其運(yùn)動(dòng)方向。因?yàn)樾⊥ǖ览锵鄬?duì)的兩組天線(xiàn)距離較近，會(huì)出現(xiàn)先后讀到的情況，這種方法在一樓的小通道里使用可解決這一難題。

3 系統(tǒng)架構(gòu)與接口

3.1 系統(tǒng)軟硬件環(huán)境

軟件上我們使用Windows Server 2012R2操作系統(tǒng)，.NET環(huán)境，C#語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，SQL SERVER 2014數(shù)據(jù)庫(kù)，整個(gè)系統(tǒng)包括以下組成部分：

(1)基于B/S架構(gòu)，IIS搭建，WEB形式的信息管理系統(tǒng)，負(fù)責(zé)人員信息的維護(hù)、讀卡器日志查詢(xún)及日、月報(bào)表數(shù)據(jù)的查詢(xún)與導(dǎo)出下載。

(2)WinForm環(huán)境的讀卡器讀取、分析程序。

WinForm環(huán)境的總控制臺(tái)程序，負(fù)責(zé)各讀卡器分析程序的啟動(dòng)與控制、每日、每月報(bào)表數(shù)據(jù)的自動(dòng)計(jì)算。

3.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)原理

考慮到數(shù)據(jù)的并發(fā)及實(shí)時(shí)性需求，軟件工作過(guò)程中，天線(xiàn)的讀取數(shù)據(jù)全部在內(nèi)存中進(jìn)行計(jì)算、判斷，僅在員工完成進(jìn)入或離開(kāi)的動(dòng)作后才觸發(fā)數(shù)據(jù)庫(kù)的存儲(chǔ)，最大限度的減少磁盤(pán)IO讀取對(duì)程序性能的影響。

程序中大量使用多線(xiàn)程并發(fā)處理技術(shù)，盡可能提高處理速度，提升服務(wù)器的工作效率。當(dāng)公司內(nèi)部人員向知道相關(guān)員工此刻是否在車(chē)間內(nèi)時(shí)，只需通過(guò)接口向系統(tǒng)發(fā)送想要了解的員工的工號(hào)，我們就會(huì)將此員工的近段信息反饋給他們，很好的將此系統(tǒng)與公司內(nèi)部向連接，使得公司內(nèi)部的部分活動(dòng)的展開(kāi)更加方便快捷。

4 使用說(shuō)明

為了便于內(nèi)部人員方便的了解員工或者自己的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是否正確，我們?cè)诰W(wǎng)頁(yè)上可以看到所有人員的信息，并為需要的人員配備不同登錄賬號(hào)，根據(jù)職位需要選擇不同的管理權(quán)限，只針對(duì)自己或下屬的信息進(jìn)行確認(rèn)，當(dāng)職位發(fā)生變動(dòng)時(shí)，可及時(shí)的對(duì)權(quán)限進(jìn)行修改，我們可將此項(xiàng)工作交給公司內(nèi)部人員來(lái)處理。另外，每日會(huì)自動(dòng)生成報(bào)表可供參考，到每月底時(shí)會(huì)生成月報(bào)表，總結(jié)這一個(gè)月內(nèi)的員工定位信息。在管理界面上增加一項(xiàng)“異常管理”功能，可直接提取閱讀狀態(tài)中和邏輯有沖突的員工信息，而且可以通過(guò)觀察之前的歷史記錄，對(duì)出現(xiàn)邏輯沖突的員工進(jìn)出信息進(jìn)行分析和總結(jié)，改進(jìn)并完善，提高系統(tǒng)的準(zhǔn)確率，再進(jìn)一步進(jìn)行人工判斷是否異常。

5 可靠性

經(jīng)過(guò)大量的信息采集，從員工佩戴標(biāo)簽的方式情況來(lái)看，我們對(duì)存在閱讀錯(cuò)誤或矛盾的情況作了準(zhǔn)確分析，排除了天線(xiàn)安裝位置會(huì)影響讀取率和標(biāo)簽靈敏度兩種因素，我們發(fā)現(xiàn)少數(shù)員工出現(xiàn)遮擋標(biāo)簽同時(shí)經(jīng)過(guò)天線(xiàn)可讀區(qū)域，標(biāo)簽的讀取效果會(huì)大打折扣，讀寫(xiě)器不能發(fā)現(xiàn)標(biāo)簽信息，數(shù)據(jù)庫(kù)就不會(huì)傳送員工數(shù)據(jù)，直到下一次讀到員工信息時(shí)可能就會(huì)出現(xiàn)前后狀態(tài)矛盾的情況。因此我們安排將標(biāo)簽佩戴在胸前，即使玩手機(jī)的時(shí)候也不會(huì)擋住標(biāo)簽，可靠性和準(zhǔn)確性都得到了進(jìn)一步提高，對(duì)后續(xù)工作的開(kāi)展提供了很大的便利。

6 小結(jié)

超高頻技術(shù)工作頻率范圍在860GHz-960GHz，具有讀取方便快捷，使用壽命長(zhǎng)安全性高，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，標(biāo)簽成本低，標(biāo)簽數(shù)據(jù)可動(dòng)態(tài)改動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，在很多領(lǐng)域內(nèi)射頻識(shí)別技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)?shù)某墒?，得到了?lái)自各行各業(yè)的認(rèn)可，然而在工業(yè)智能化的大趨勢(shì)下，類(lèi)似的應(yīng)用還處于起步階段，為了讓射頻識(shí)別技術(shù)在工業(yè)4.0領(lǐng)域日益普及和完善，今后還要做出很多努力。

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夏鑫（1965—），男，南京大學(xué)畢業(yè)，現(xiàn)任南通富士通微電子股份有限公司副總經(jīng)理，研究方向?yàn)殡娮有畔?yīng)用技術(shù)開(kāi)發(fā)及集成電封裝。

UHF RFID applications in industry 4.0

Xia Xin,Dong Wang
( NantongFujistu Microelectronics Co.,Ltd )

Abstract:UHF RFID technology in personnel management is gradually emerging advantages,and has broad prospects,we go through a lot of experiments and continuous efforts to analyze the use of UHF industrial sites within the actual application of the staff management and its impact on different labels used in this field were compared,it proposed to label as a carrier,database supported positioning mode,employee information recorded in the EPC memory by reading EPC information at different positions on the staff to locate,where we locate principle,function and use of the system are discussed.

Key Words:RFID;Label;Positioning Systems

作者簡(jiǎn)介：

基金項(xiàng)目：2013年江蘇省重大科技支撐項(xiàng)目（編號(hào)：SBE201301631）。