怎樣面向紡織MES系統(tǒng)的RFID嵌入式數(shù)據(jù)采集終端設(shè)計(jì)的研究

隨著信息化、智能化、,管理、農(nóng)業(yè),.嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心,以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ),并且軟硬件可裁剪,適用于應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗等有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。無論怎樣,在目前的嵌入系統(tǒng)中,微處理器作為其核心器件多采用8位或16位微處理器,由于這些微處理器的運(yùn)行速度、尋址能力和功耗等問題,已經(jīng)很難滿足相對(duì)較為復(fù)雜的嵌入式應(yīng)用場合。

將射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)與ARM嵌入式處理器相結(jié)合應(yīng)用于企業(yè)生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)采集及企業(yè)生產(chǎn)管理信息的獲取，可以有效地解決目前生產(chǎn)領(lǐng)域遇到的上述問題。本文設(shè)計(jì)給出了面向紡織服裝企業(yè)生產(chǎn)制造執(zhí)行系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，并在此之上介紹一種基于ARM Cortex-M處理器、通用無線射頻識(shí)別數(shù)據(jù)采集終端的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

現(xiàn)今全球紡織服裝行業(yè)市場競爭日益激烈，信息化戰(zhàn)略已成為紡織服裝制造企業(yè)提升市場競爭能力的重要發(fā)展戰(zhàn)略之一。紡織服裝業(yè)作為我國制造業(yè)的重要組成，在我國“制造業(yè)信息化工程”的背景下，已被國家列為信息化技術(shù)改革的重點(diǎn)行業(yè)。隨著中國加入WTO和經(jīng)濟(jì)全球化，我國在成為世界制造業(yè)中心的同時(shí)也面臨前所未有的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。以信息化帶動(dòng)工業(yè)化，迅速提高企業(yè)的核心競爭力，是現(xiàn)今紡織服裝企業(yè)急需解決的重要問題。

要實(shí)現(xiàn)企業(yè)信息化，尤其是生產(chǎn)過程和企業(yè)管理信息化，首先要解決的問題就是來自生產(chǎn)過程和企業(yè)管理中的大量數(shù)據(jù)信息的獲取和傳輸。只有快捷、準(zhǔn)確、方便地采集這些大量底層數(shù)據(jù)，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程、物流管理、生產(chǎn)計(jì)劃、調(diào)度和質(zhì)量等的監(jiān)測(cè)與控制。因此，生產(chǎn)信息的數(shù)據(jù)采集與集成將是企業(yè)信息化工程的關(guān)鍵所在，在企業(yè)信息化的不斷深入過程中，將發(fā)揮越來越重要的作用。在紡織企業(yè)傳統(tǒng)生產(chǎn)過程中，底層生產(chǎn)數(shù)據(jù)大多是依賴人工進(jìn)行記錄來獲取的，盡管操作方法繁冗，生產(chǎn)數(shù)據(jù)記錄滯后，無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控和統(tǒng)計(jì)，數(shù)據(jù)可靠性差，效率較低，但目前仍有不少企業(yè)在采用這一傳統(tǒng)方法。在一些設(shè)備較為先進(jìn)的企業(yè)里，生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集已由電子系統(tǒng)自動(dòng)獲取逐步代替了人工記錄，但數(shù)據(jù)采集終端設(shè)備大都采用單片機(jī)、串口通信、工控機(jī)的模式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與控制。這些終端單元具有分散性、獨(dú)立性，通信距離短，不便于系統(tǒng)的集中管理等缺點(diǎn)。

將射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)與ARM嵌入式處理器相結(jié)合應(yīng)用于企業(yè)生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)采集及企業(yè)生產(chǎn)管理信息的獲取，可以有效地解決目前生產(chǎn)領(lǐng)域遇到的上述問題。本文設(shè)計(jì)給出了面向紡織服裝企業(yè)生產(chǎn)制造執(zhí)行系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，并在此之上介紹一種基于ARM Cortex-M處理器、通用無線射頻識(shí)別數(shù)據(jù)采集終端的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

1 RFID技術(shù)原理及系統(tǒng)組成

RFID是射頻識(shí)別技術(shù)的英文所寫，又稱電子標(biāo)簽，是一項(xiàng)利用射頻信號(hào)通過空間交變電磁場耦合實(shí)現(xiàn)無接觸信息傳遞并通過所傳遞信息達(dá)到識(shí)別目的的技術(shù)。在射頻識(shí)別系統(tǒng)應(yīng)用中，射頻標(biāo)簽附著在被識(shí)別的物體上，其一旦進(jìn)入射頻讀卡器的讀寫范圍，內(nèi)部數(shù)據(jù)信息就可按約定方式與射頻讀卡器進(jìn)行通信，從而完成自動(dòng)獲取物品標(biāo)志信息的功能。

一個(gè)典型的射頻識(shí)別系統(tǒng)是由射頻標(biāo)簽(也稱射頻卡、電子標(biāo)簽或應(yīng)答器)、射頻讀寫器(PCD)2個(gè)部分組成，如圖1所示。

圖1 典型無源RFID系統(tǒng)

射頻標(biāo)簽是內(nèi)含天線的存儲(chǔ)控制芯片，內(nèi)存有能夠識(shí)別目標(biāo)的信息。讀寫器由控制單元、發(fā)送器和接收器3個(gè)部分構(gòu)成，主要負(fù)責(zé)與射頻標(biāo)簽之間能量的傳遞，數(shù)據(jù)的加密/解密，信號(hào)的編碼/解碼，以及與上位機(jī)的通信。

2 基于RFID的生產(chǎn)制造執(zhí)行系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)

制造執(zhí)行系統(tǒng)(Manufacturing ExecuTIon System，簡稱MES)是近年來興起的一項(xiàng)制造管理技術(shù)，屬于制造業(yè)信息化領(lǐng)域。它是將位于企業(yè)上層的ERP系統(tǒng)與底層設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)合在一起的中間管理系統(tǒng)。一方面，MES可以對(duì)來自ERP的生產(chǎn)管理信息進(jìn)行細(xì)化、分解，通過更為精確，更為優(yōu)化的制造指令，將計(jì)劃層的操作意圖傳遞給底層設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng);另一方面，MES可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)制造數(shù)據(jù)的自動(dòng)化采集及實(shí)時(shí)監(jiān)控底層設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，從而加強(qiáng)計(jì)劃管理層與底層控制之間的溝通。

紡織企業(yè)使用MES通常需要設(shè)計(jì)原材料管理、在制品管理、操作工管理、生產(chǎn)設(shè)備管理等多個(gè)對(duì)象，而且管理量非常巨大，尤其是在制品的管理，僅此1項(xiàng)每天就涉及幾萬件甚至十幾萬件。采用RFID技術(shù)可以用非接觸式的方式跟蹤在制品的實(shí)時(shí)分布情況，產(chǎn)品的追溯以及標(biāo)識(shí)身份認(rèn)證均可通過RFID解決。由于MES 系統(tǒng)及其數(shù)據(jù)信息對(duì)于一個(gè)企業(yè)來講是舉足輕重的，所有生產(chǎn)現(xiàn)場相關(guān)數(shù)據(jù)都是通過MES的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的，數(shù)據(jù)的實(shí)耐性和準(zhǔn)確性是該部分的核心要求。因此，其框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)最根本的要求是實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性、可靠性和復(fù)用性等，采用獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是可靠的選擇。

在充分考慮紡織企業(yè)生產(chǎn)制造流程、年度生產(chǎn)計(jì)劃、物料需求計(jì)劃、產(chǎn)品銷售狀況等因素的基礎(chǔ)上，根據(jù)企業(yè)的生產(chǎn)特點(diǎn)及存在的問題，將系統(tǒng)在物理層面上劃分為3個(gè)部分，即現(xiàn)場實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、現(xiàn)場數(shù)據(jù)管理和控制、企業(yè)生產(chǎn)管理及數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，其物理設(shè)計(jì)框架結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 基于RFID的生產(chǎn)制造執(zhí)行系統(tǒng)物理架構(gòu)

整個(gè)MES系統(tǒng)中采用3層Client/Server網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)庫集成在企業(yè)級(jí)專用服務(wù)器，并分為現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫和生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)庫?，F(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫提供整個(gè)系統(tǒng)的核心數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)采集終端根據(jù)實(shí)際情況實(shí)時(shí)更新，生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析以生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)采集終端負(fù)責(zé)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和生產(chǎn)計(jì)劃任務(wù)示;實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信程序負(fù)責(zé)與數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行交互數(shù)據(jù)通信，完成對(duì)采集到的生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析和生成數(shù)據(jù)采集終端的操作界面，并與生產(chǎn)管理控制部分進(jìn)行通信獲取生產(chǎn)計(jì)劃數(shù)據(jù)及控制信息。數(shù)據(jù)采集服務(wù)器直接與各種終端設(shè)備相連，用于控制RFID讀寫設(shè)備按照預(yù)定的方式工作，保證不同的設(shè)備之間能很好地協(xié)調(diào)配合，還能按照一定的規(guī)則過濾數(shù)據(jù)，篩除冗余數(shù)據(jù)，將真正有效的數(shù)據(jù)傳送至后臺(tái)的信息系統(tǒng)。生產(chǎn)管理服務(wù)器則集中管理所有的數(shù)據(jù)采集服務(wù)器，處理各種RFID事件和信息交換，實(shí)時(shí)工作流管理，與各種現(xiàn)有應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行很好的集成，用戶可以圍繞這些數(shù)據(jù)進(jìn)行業(yè)務(wù)流程的創(chuàng)新和新的應(yīng)用。

3 嵌入式數(shù)據(jù)采集終端的硬件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集終端硬件采用模塊化設(shè)計(jì)，整體結(jié)構(gòu)由嵌入式處理器、RFID射頻識(shí)別、RFID天線、通信接口、以太網(wǎng)絡(luò)接口、人機(jī)交互、JTAG系統(tǒng)調(diào)試、電源、復(fù)位等單元電路構(gòu)成，其硬件系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。