楊飛龍，張嘉琪，王 敏，張志魁

（天津理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與安全工程學(xué)院，天津 300384）

在我國工業(yè)快速發(fā)展的浪潮下，危險化學(xué)品的使用量與存儲量急劇增加，加之危險化學(xué)品自身所具有的易爆、易燃、毒害、腐蝕、放射等性質(zhì)［1］，導(dǎo)致其在生產(chǎn)、經(jīng)營、存儲、運輸、使用、廢棄處置的過程中安全事故頻發(fā)［2］。

隨著科技的發(fā)展，利用信息化先進技術(shù)提升危險化學(xué)品全生命周期監(jiān)管的手段和工具已成為促進危險化學(xué)品行業(yè)健康發(fā)展的大趨勢。作為啟動21世紀的十大重要技術(shù)之一［3］，無線射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）技術(shù)［4］已經(jīng)逐漸地被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化、物流管理和交通運輸控制等領(lǐng)域。RFID技術(shù)的優(yōu)點是：①能識別單一產(chǎn)品；②在被覆蓋的情況下能夠進行穿透性通信；③能同時識別多個標簽且實現(xiàn)同步通信［5］。目前，在危險化學(xué)品行業(yè)中主要將RFID技術(shù)應(yīng)用于化學(xué)品的運輸環(huán)節(jié)，結(jié)合GIS技術(shù)和GPS導(dǎo)航系統(tǒng)對化學(xué)品的地理位置信息進行實時跟蹤，例如上海市的百萬危險品鋼瓶RFID項目［6］，將每個鋼瓶附上唯一的電子標簽，通過手持終端對信息進行讀取。但在化學(xué)品的倉儲管理中，RFID技術(shù)主要還只是應(yīng)用在化學(xué)品的出入庫登記環(huán)節(jié)，而在日常的化學(xué)品倉儲管理中無法對化學(xué)品進行實時監(jiān)控，需要倉庫管理員定時對化學(xué)品庫進行人工巡檢，因此管理員不能直接獲得實時的化學(xué)品倉儲狀態(tài)，使得倉庫中化學(xué)品被盜及混存問題的發(fā)現(xiàn)存在一定的滯后性。同時，在管理員進入倉庫并進行巡檢工作時，與化學(xué)危險品接觸幾率大大升高，增加了安全隱患。

針對此類問題，以提高危險化學(xué)品倉庫管理智能化為目的，本文提出了一種以RFID 技術(shù)為核心并結(jié)合步進電機精確定位技術(shù)和LabVIEW 軟件開發(fā)平臺的化學(xué)品智能倉儲管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實時獲取化學(xué)品倉庫中每個化學(xué)品的存儲狀態(tài)，大大減少了人工勞動，降低了運營成本，提高了管理效率。這種融合多種先進技術(shù)的危險化學(xué)品智能倉儲管理系統(tǒng)的研發(fā)與試驗，具有重要的實踐意義。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于RFID 技術(shù)的危險化學(xué)品智能倉儲管理系統(tǒng)將RFID 技術(shù)、無線傳感網(wǎng)絡(luò)（ZigBee）技術(shù)［7］、步進電機精確定位技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)和無線充電技術(shù)等有機結(jié)合，主要由RFID 讀寫模塊、步進電機控制器與驅(qū)動器、同步帶滑臺和上位機構(gòu)成。

該系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。硬件部分將步進電機技術(shù)應(yīng)用在同步帶滑臺［8］上，組成精確定位裝置，該裝置固定在化學(xué)品貨架底部，并與RFID 讀寫模塊相結(jié)合，運行過程中裝置精確定位化學(xué)品的擺放位置，并通過RFID讀寫模塊獲取化學(xué)品的存儲狀態(tài)信息。軟件部分通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)與硬件部分聯(lián)系，操控精確定位裝置和RFID 讀寫模塊，系統(tǒng)軟件具有數(shù)據(jù)管理功能，管理員可查詢倉庫中化學(xué)品的信息、參數(shù)和各類指標。該系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 步進電機定位模塊

步進電機定位模塊由裝備有步進電機和皮帶滑道的同步帶滑臺、步進電機控制器和步進電機驅(qū)動器組成。該模塊通過ZigBee搭建的自組網(wǎng)進行指令傳輸，將上位機發(fā)出的電機啟停等控制命令發(fā)出，步進電機控制器收到信號后向步進電機驅(qū)動器輸出信號。步進電機驅(qū)動器起到驅(qū)動步進電機和細分電機步數(shù)的作用，使步進電機運行更加平穩(wěn)。步進電機與皮帶滑軌連接，皮帶上固定一個滑塊，使安置在滑塊上的RFID 讀寫模塊精確定位到正對化學(xué)品包裝底部鑲嵌有RFID 電子標簽的位置。步進電機定位模塊工作原理如圖2所示。

2.1.1 電機控制模塊

本設(shè)計使用的是應(yīng)用于PC 上位機的5軸步進電機控制器，它將上位機發(fā)送的電信號轉(zhuǎn)化為脈沖信號，輸送給步進電機驅(qū)動器。步進電機驅(qū)動器的驅(qū)動方式為高低壓驅(qū)動［9］，平均電流控制，兩相正弦電流驅(qū)動，靜止時電流減半。在控制過程中，當(dāng)步進電機驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，步進電機就將按照預(yù)先設(shè)定好的方向轉(zhuǎn)動相應(yīng)的角度。其中，位移量由脈沖的個數(shù)決定，位移速度由脈沖的頻率決定。與此同時，通過脈沖頻率也可控制步進電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而實現(xiàn)速度的可調(diào)控制。

2.1.2 精確定位裝置

步進電機作為系統(tǒng)執(zhí)行元件，能夠?qū)⑤斎氲碾娒}沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€位移或者角位移信號［10］。本設(shè)計采用兩相混合式步進電機，將此步進電機與安裝有滑塊的皮帶滑軌相結(jié)合，組成同步帶滑臺，即步進電機的絲桿連接滑軌的皮帶輪，電機運行時絲桿帶動皮帶運動，使皮帶上的滑塊在直線方向上做定點位移運動。步進電機定位裝置如圖3所示。

2.2 化學(xué)品信息采集模塊

化學(xué)品信息采集模塊通過ZigBee將上位機發(fā)出的讀取、修改或?qū)懭朊顐鬏斀oRFID 讀寫模塊，使其對電子標簽進行讀取、修改或?qū)懭氲炔僮?，并以同樣的傳輸方式將獲取的電子標簽信息傳入到上位機。

2.2.1 RFID 讀寫模塊

化學(xué)品信息獲取由RFID 讀寫模塊進行，在讀寫模塊天線獲得載波信號之后，電子標簽通過天線調(diào)諧器將信號發(fā)送至讀寫模塊，從而獲得標簽中記錄的化學(xué)品基本信息，如化學(xué)品名稱、擺放位置、進庫時間、是否在庫等。RFID 讀寫模塊對此信號進行解調(diào)和解碼后發(fā)送至上位機系統(tǒng)［11］。

2.2.2 RFID 電子標簽

本設(shè)計使用的RFID 電子標簽是應(yīng)用FM1108型非接觸式電子標簽，采用FM1108型芯片，標簽存取容量為8Kbits，工作頻率為與讀寫模塊相同的13.56MHz，以ISO14443TYPE A 協(xié)議為標準。該型號電子標簽分為16個扇區(qū)，每扇區(qū)兩組密碼并包含4個塊，每個塊具有16個字節(jié)的存儲容量；每個扇區(qū)的第4個塊為密碼塊，不能用來存儲數(shù)據(jù)（如塊3，7，11，……）；扇區(qū)0中的塊0記錄了該標簽的序列號及生產(chǎn)廠商的標志信息等，這些信息在出廠時已被固化，不能更改，因此該塊不能再復(fù)用為應(yīng)用數(shù)據(jù)塊。

將電子標簽鑲嵌于化學(xué)品包裝底部，并將化學(xué)品基本信息存入標簽，如化學(xué)品編號、名稱等。待化學(xué)品入庫驗收后，倉庫管理員將管理信息寫入標簽，如擺放位置、進庫日期等。綜合考慮存儲信息與FM1108型電子標簽的存儲結(jié)構(gòu)，設(shè)計了化學(xué)品倉儲信息存儲結(jié)構(gòu)，見表1。其中，存儲信息中的前9項由供應(yīng)商在化學(xué)品出廠前存入電子標簽指定位置，存儲信息中的“擺放位置”和“進庫時間”由倉庫管理員在化學(xué)品入庫后寫入標簽，“出庫時間”和“領(lǐng)取員工編號”在化學(xué)品出庫時由管理員寫入電子標簽。為防止密碼塊被錯誤篡改導(dǎo)致該扇區(qū)不可用，或出現(xiàn)特種危險化學(xué)品需要對其添加備注等情況，預(yù)留4個扇區(qū)（扇區(qū)12～15）作為備選塊。

表1 化學(xué)品倉儲信息存儲結(jié)構(gòu)Table 1 Information structure of hazardous chemicals in storage

2.2.3 無線充電方案設(shè)計

由于系統(tǒng)在運行過程中RFID 讀寫模塊需要不斷地進行直線方向的位移運動，因此為了保證系統(tǒng)在運行中的靈活性，采用無線充電方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的有線電源方式為讀寫模塊供電。本設(shè)計的無線充電裝置采用“磁耦合共振”技術(shù)［12］，儲能部分采用超級電容。將超級電容與RFID 讀寫模塊連接，無線充電發(fā)射模塊固定在同步帶滑塊運動的初始端，當(dāng)系統(tǒng)處于非工作狀態(tài)時RFID 讀寫模塊在同步帶滑臺初始端，使連接超級電容的線圈進入到發(fā)射模塊的感應(yīng)區(qū)域，此時發(fā)射模塊對超級電容充電；當(dāng)系統(tǒng)處于工作狀態(tài)時已充電的超級電容為RFID 讀寫模塊供電，使其正常工作。其中，發(fā)射模塊輸入電壓為5 V 時，最大輸出功率為5 W；電容選擇5.5V4F的超級電容，為了保證RFID 讀寫模塊長時間不間斷工作，本系統(tǒng)將4個超級電容并聯(lián)組成超級電容組。無線充電裝置的工作流程如圖4所示。

2.3 ZigBee網(wǎng)絡(luò)的組建

考慮到化學(xué)品倉庫存儲量大且藥品擺放位置密集的特點，為了簡化系統(tǒng)在安裝和維護過程中的難度，該系統(tǒng)采用無線通信技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。與現(xiàn)有的各類無線通信技術(shù)相比較，ZigBee無線通信技術(shù)有較高的信息處理速度［13］，而且成本低、功耗小，適合于構(gòu)建無線傳感網(wǎng)絡(luò)，因此選擇ZigBee組建系統(tǒng)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)。基于此，本文設(shè)計了基于802.15.4無線標準網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，以2.4GHz ISM 頻段的無線收發(fā)模塊SZ02-RS232-2K為通信模塊的無線傳感器節(jié)點。該節(jié)點采用平面式通信體系結(jié)構(gòu)，通過“多級跳”的數(shù)據(jù)傳輸方式將監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸至終端，經(jīng)測試數(shù)據(jù)有效傳輸距離為600m。ZigBee數(shù)據(jù)傳輸原理見圖5。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)采用美國國家儀器有限公司（National Instruments）的LabVIEW2012 軟件平臺進行開發(fā)，該平臺是在測量測試及控制領(lǐng)域使用非常廣泛的一種編程工具軟件［14-16］。該系統(tǒng)軟件采用數(shù)據(jù)流編程的方式，使得化學(xué)品信息的采集、數(shù)據(jù)處理、信號輸出和控制變得快速準確。其主要流程為：啟動程序后，系統(tǒng)首先初始化各個參數(shù)，包括各類模塊、有關(guān)變量、I／O 輸入輸出端口等；在確認權(quán)限的情況下，通過上位機進行操作，將數(shù)據(jù)回饋上位機化學(xué)品安全管理系統(tǒng)軟件進行處理，并對可疑的信息采取報警措施，如系統(tǒng)檢測到化學(xué)品丟失、藥品混存的情況等。該系統(tǒng)軟件具有控制系統(tǒng)硬件、管理數(shù)據(jù)庫、設(shè)定參數(shù)閾值等功能，可實現(xiàn)對化學(xué)品倉庫的實時監(jiān)控。系統(tǒng)軟件程序主要流程見圖6。

3.1 軟件控制功能

在系統(tǒng)控制界面中，通過設(shè)定區(qū)設(shè)置相應(yīng)的巡檢方式，包括常規(guī)巡檢、位置搜索、化學(xué)品名稱搜索。在常規(guī)巡檢模式下，管理員可以設(shè)定每次巡檢之間的間隔時間，系統(tǒng)每隔此間隔時間對庫房中的所有化學(xué)品巡檢一次，管理員可在操作區(qū)控制精確定位裝置的運行，系統(tǒng)自動將巡檢時間和此時化學(xué)品的存儲狀態(tài)發(fā)送至數(shù)據(jù)庫。在位置搜索和名稱搜索兩項精確定位模式下，查詢項列表欄將顯示相應(yīng)化學(xué)品的名稱和擺放位置，供管理員選擇。完成巡檢方式設(shè)定后可在操作區(qū)對步進電機定位模塊和RFID 讀寫模塊進行操作控制。每一次巡檢進程結(jié)束后“巡檢信息查詢”一欄顯示檢查化學(xué)品的詳細存儲狀態(tài)。圖7為化學(xué)品名稱搜索模式下，查詢所有甲醇的存儲情況。

3.2 信息管理功能

“藥品管理查詢”一欄為化學(xué)品數(shù)據(jù)庫中的查詢項，列表欄可顯示所有記錄在案的化學(xué)品的詳細存儲狀態(tài)。通過選擇查詢項目（包括化學(xué)品名稱、藥品標簽編號、擺放位置）可縮小查詢范圍，在此基礎(chǔ)上可設(shè)定查找在庫藥品或已出庫藥品，使查找范圍更加精確。

圖8（a）顯示為在化學(xué)品名稱查詢模式下，查詢?nèi)勘╇娴拇鎯顟B(tài)，從中可以獲得所有丙烯腈的擺放位置、進庫時間、出庫時間、負責(zé)管理該化學(xué)品的管理員編號以及在化學(xué)品出庫時領(lǐng)取該化學(xué)品的員工編號等信息。在圖8（b）“藥品檔案查詢”一欄中通過查詢項目的設(shè)置，可顯示所查詢化學(xué)品的各類參數(shù)指標和說明信息，以及該化學(xué)品安全技術(shù)說明書中的所有內(nèi)容，可為危險化學(xué)品的安全管理提供依據(jù)。

3.3 參數(shù)設(shè)定功能

圖9為步進電機運行參數(shù)設(shè)定區(qū)域，不僅可以對步進電機進行相應(yīng)的細分精度、步距角、齒輪比的閾值參數(shù)設(shè)定，還可以對電機在運動過程中的狀態(tài)參數(shù)，如運行距離、啟動方向、運行速度等參數(shù)進行預(yù)先設(shè)定，并以存檔文件的形式組成在不同情況下的運行方案，操作過程中管理員可方便地根據(jù)情況直接調(diào)用相應(yīng)的運行方案，此項功能簡化了操作流程，提高了系統(tǒng)的工作效率。

4 系統(tǒng)測試

4.1 步進電機操控測試

步進電機操控測試實驗的目的主要是為了確定步進電機運行時的參數(shù)，從而使步進電機在運行過程中能同時兼顧準確性、穩(wěn)定性、靈敏性和快速性。為了達到此目的，需要對步進電機驅(qū)動器參數(shù)進行設(shè)置。在小電流下系統(tǒng)需慢速運行，若加大運行速度或細分精度系統(tǒng)會出現(xiàn)不能精確定位或操控不夠靈敏等問題；在大電流下系統(tǒng)運行穩(wěn)定，但在系統(tǒng)低速運動時無疑增加了不必要的耗能。表2為系統(tǒng)達到測試要求時步進電機驅(qū)動器的參數(shù)配比。

表2 步進電機驅(qū)動器參數(shù)配比Table 2 Ratios of drive parameters in stepper motor

測試結(jié)果表明：在保證系統(tǒng)準確性和穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，將動態(tài)電流平均值設(shè)定為2.0A，細分倍數(shù)設(shè)置為16 時，步進電機能以最快的平均速度500 mm／s穩(wěn)定運行；并且在達到同樣效果的前提下，步進電機以此設(shè)定參數(shù)穩(wěn)定運行時耗電量最小，達到了測試要求，可以應(yīng)用于系統(tǒng)的實際運行環(huán)境中。

4.2 RFID 模塊信息讀寫測試

RFID 模塊讀寫電子標簽的工作流程如圖10所示。RFID 讀寫模塊以命令一一響應(yīng)的方式工作，在系統(tǒng)中模塊處于從屬地位，即不主動發(fā)出命令，由主機首先發(fā)出命令，然后等待模塊響應(yīng)。

圖11為RFID 讀寫模塊測試程序界面，設(shè)定卡塊地址、讀取或?qū)懭肟▔K個數(shù)、開始讀或?qū)懶畔⑺饕闹?，程序運行過程中經(jīng)過的每個階段，包括：“請求”、“防碰撞”、“選擇”、“秘鑰驗證”、“讀塊信息”、“寫塊信息”、“關(guān)閉塊”，成功通過時各個階段相對應(yīng)的布爾控件將被點亮，否則保持熄滅狀態(tài)。

圖12為RFID 讀寫塊信息程序框圖。需要寫入的信息通過“寫入字符”控件以數(shù)據(jù)流的形式進入到寫塊程序中，通過“卡塊地址”控件選擇要存入的塊地址，最后數(shù)據(jù)流進入讀塊程序，將寫入的信息通過顯示控件顯示出來。測試結(jié)果表明：RFID 讀寫模塊在距離電子標簽60mm 以內(nèi)的范圍數(shù)據(jù)傳輸最穩(wěn)定，讀寫成功率最高，可以實現(xiàn)正常的信息采集工作，能夠應(yīng)用到化學(xué)品倉庫的實時監(jiān)控中。

5 結(jié)論

本文提出的危險化學(xué)品智能倉儲管理系統(tǒng)以無線射頻識別技術(shù)和步進電機技術(shù)為核心，構(gòu)建了智能倉儲管理系統(tǒng)硬件平臺，完成了步進電機傳動組件的設(shè)計，在LabVIEW 開發(fā)環(huán)境下實現(xiàn)了RFID讀寫模塊和步進電機傳動模塊的軟件分析與設(shè)計，將軟件工程的理念應(yīng)用到系統(tǒng)軟件的設(shè)計和實踐中。該系統(tǒng)主要有以下特點：①用RFID 電子標簽代替?zhèn)}儲管理中傳統(tǒng)的條形碼，解決了條形碼易磨損和存儲信息量小的問題；②通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)了命令的發(fā)送和數(shù)據(jù)的傳輸，在降低系統(tǒng)能耗的同時也簡化了裝配的難度；③設(shè)計了一種基于超級電容的無線充電方案，提高了系統(tǒng)在運行過程中的靈活性；④應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)LabVIEW 編程語言實現(xiàn)了系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計與硬件部分的測試，在工程應(yīng)用中有效地預(yù)防了化學(xué)品倉庫中藥品被盜和混存現(xiàn)象的發(fā)生；⑤通過RFID 技術(shù)與步進電機技術(shù)的結(jié)合，巧妙地將RFID 技術(shù)應(yīng)用于危險化學(xué)品倉庫日常的實時監(jiān)控中，不僅有效地以裝置的智能巡檢代替了管理員的人工排查，減少了倉庫管理員與危險化學(xué)品直接接觸所引起的安全隱患，而且使RFID 技術(shù)的應(yīng)用范圍得到了推廣和延伸。參考文獻：

［1］佴士勇，宋文華，白茹.淺析危險化學(xué)品分類［J］.安全與環(huán)境工程，2006，13（4）：35-38.

［2］趙來軍，吳萍，劉寅斌.我國危險化學(xué)品安全監(jiān)管網(wǎng)絡(luò)整合研究［J］.中國安全科學(xué)學(xué)報，2009，19（2）：47-52.

［3］孫偉，董耀華.基于RFID 技術(shù)的劇毒?；肺锪鞣?wù)平臺研究［J］.中國安全科學(xué)學(xué)報，2011，21（2）：147-151.

［4］Domdouzis K，Kumar B，Anumba C.Radio-frequency identification（RFID）applications：A brief introduction［J］.Advanced Engineering Informatics，2007，21（4）：350-355.

［5］皮明峰，鄧飛其.面向制造業(yè)的RFID 復(fù)雜事件處理［J］.計算機應(yīng)用，2010，30（10）：2768-2807.

［6］周峰，胡澴，沈月靜，等.RFID 技術(shù)在危險品物流管理中的應(yīng)用［J］.物流科技，2007（11）：21-23.

［7］Suzuki N，Mitani T，Shinohara N.Study and development of a microware power receiving system for Zigbee device［C］／／Microwave Conference Proceedings（APMC），2010 Asia-Pacific.Piscataway：IEEE Press，2010：45-48.

［8］葛正浩，張凱凱，梁金生，等.基于虛擬樣機技術(shù)同步帶傳動的動態(tài)性能研究［J］.機械傳動，2011，35（3）：64-66.

［9］丁雄偉，楊定安，宋曉光.步進電機的控制原理及單片機控制實現(xiàn)［J］.煤礦機械，2005（6）：127-129.

［10］劉玉秋，何毅，梅雪，等.步進電機的控制系統(tǒng)原理以及應(yīng)用［J］.煤礦機械，2013，34（6）：199-200.

［11］Yang S，Zhao L，Han J.An intelligent management system based on RFID technology［C］／／Proceedings of the 2011 IEEE International Conference on Cyber Technology in Automation，Control，and Intelligent Systems.Piscataway：IEEE Press，2011：269-272.

［12］竇延軍.一種磁耦合諧振式無線充電系統(tǒng)的設(shè)計［D］.成都：電子科技大學(xué)，2013.

［13］Liu J，Dai Y.Design of city fire alarm system based on wireless senor network［J］.Journal of Natural Science of Human Normal University，2011，34（1）：43-46.

［14］陳穎，李實，王楓，等.基于LabVIEW 的EAST 高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)［J］.計算機應(yīng)用，2012，32（S2）：199-202.

［15］陳樹學(xué)，劉萱.LabVIEW 寶典［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2011.

［16］Jeffrey T，Jim K.LabVIEW 大學(xué)實用教程［M］.喬瑞萍，等譯.3版.北京：電子工業(yè)出版社，2008.