張聰， 錢松榮

(復旦大學 信息科學與工程學院，上海 200433)

0 引言

混凝土管樁是施工現(xiàn)場實施安裝前常用的裝配式預制構(gòu)件，其產(chǎn)品在施工前預先完成，具有安全、耐用、環(huán)保、可維護等優(yōu)點。但在實際過程中，由于建筑行業(yè)施工環(huán)境復雜，對混凝土管樁的生產(chǎn)缺乏有效管理，導致管樁質(zhì)量得不到有效保證(如鋼筋強度不合格，養(yǎng)護時間不足等)，給施工帶來安全隱患；此外由于管理落后等問題，大部分企業(yè)生產(chǎn)自動化程度不高，仍是勞動密集型的生產(chǎn)管理結(jié)構(gòu)，造成人力物力的極大浪費，不利于企業(yè)在市場化環(huán)境下的成長。

隨著信息技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，人們開始探尋通過RFID(Radio Frequency Identification，射頻識別)技術(shù)解決上述問題[1]。RFID技術(shù)是自動識別技術(shù)的一種，利用無線射頻方式進行數(shù)據(jù)通信，對目標加以識別并獲取相關數(shù)據(jù)；RFID技術(shù)可以在無需人工干預的情況下完成信息輸入和處理，同時具有非接觸識別、抗污染性和耐久性的優(yōu)點，目前已廣泛應用于倉儲管理、畜牧管理以及交通運輸控制等諸多領域[2]。本文便是在這一基礎上，設計了基于RFID的混凝土管樁生產(chǎn)管理系統(tǒng)：通過在混凝土管樁內(nèi)埋設無源RFID標簽，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)及相關數(shù)據(jù)采集、處理技術(shù)，對混凝土管樁的生產(chǎn)、安裝、運輸?shù)冗^程進行有效管理，完成混凝土管樁全生命周期的信息采集和溯源[3]。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

考慮到實際的生產(chǎn)環(huán)境，本系統(tǒng)主要由RFID電子標簽、信息采集層和應用服務層3部分組成[4]，系統(tǒng)整體架構(gòu)，如圖1所示。

RFID電子標簽由IC芯片和無線通信天線組成，其內(nèi)部存儲著被識別物品的相關信息。在這里我們把RFID電子標簽植入混凝土管樁中，作為管樁的ID身份標識用于信息采集。由于管樁內(nèi)部為鋼結(jié)構(gòu)且外壁混凝土層有一定厚度，我們采用了125 kHz低頻電子標簽作為工作標簽，以滿足抗金屬干擾、穿透性的要求；同時標簽外部包裹一層陶瓷外殼，可以有效防止生產(chǎn)過程中高溫、震動等復雜外在環(huán)境的干擾。

信息采集層主要實現(xiàn)調(diào)制/解調(diào)、編解碼，邏輯控制，時序控制，通信控制的功能，是整個系統(tǒng)的硬件組成部分。信息采集層一方面為電子標簽供能，提供時鐘同步，采集管樁的身份信息；另一方面與后臺應用服務系統(tǒng)通信，完成信息的上傳和查詢。

應用服務層是系統(tǒng)的核心部分，由系統(tǒng)功能模塊和SQL Server數(shù)據(jù)庫組成。該層涵蓋管樁生產(chǎn)的整個生命周期，包括人員管理、物資管理、生產(chǎn)信息管理、質(zhì)量檢驗和產(chǎn)成品出運等，可實現(xiàn)管樁信息的實時錄入和查詢；此外，通過對信息采集層數(shù)據(jù)的集中統(tǒng)計和處理，系統(tǒng)可以獲取實際的物資消耗、生產(chǎn)進度、出運狀況等動態(tài)數(shù)據(jù)，便于企業(yè)實現(xiàn)智能化分析決策。

2 系統(tǒng)信息采集層設計

信息采集層用于獲取RFID電子標簽的身份信息，并與后臺應用服務層進行數(shù)據(jù)通信，包括RFID讀卡器的硬件設計和嵌入式軟件編程兩部分。

2.1 RFID讀卡器硬件設計

由于現(xiàn)場生產(chǎn)環(huán)境復雜，系統(tǒng)采用的RFID讀卡器必須滿足大功率、遠距離的通信要求，同時為方便工人操作，讀卡器必須是手持式的。在上述條件下，本系統(tǒng)讀卡器硬件架構(gòu)主要由射頻接口，邏輯控制單元以及通信模塊組成，如圖2所示。

圖2 RFID讀卡器硬件結(jié)構(gòu)圖

2.1.1 射頻接口

射頻接口模塊用于完成讀卡器前端與標簽的通信，通過時鐘發(fā)生器產(chǎn)生固定頻率的激活場為電子標簽提供能量，讀取返回的信息，完成必要的解調(diào)檢波工作。為滿足實際生產(chǎn)過程中對讀寫距離的要求，系統(tǒng)采用分離元件搭建了D類功率放大電路，該功率放大電路工作于開關狀態(tài)，相比于傳統(tǒng)的A、B類功放電路，具有極高的效率，電池能量轉(zhuǎn)換率理論上可達90%。在實際測試中通過外加9 V鋰電池供電，讀卡器有效識別距離在30 cm以上，可以完全滿足現(xiàn)場生產(chǎn)的要求。

2.1.2 邏輯控制單元

邏輯控制單元采用AVR單片機Atmega64作為主控芯片MCU，實現(xiàn)生成/捕獲中斷、控制上位機通信、讀取射頻接口返回的電子標簽信息，發(fā)送指令等功能。ATmega64是高性能、低功耗的8位AVR微處理器，采用先進的RISC結(jié)構(gòu)，符合便攜式讀卡器對功能、性能的要求。在信息采集時，射頻接口模塊將前端天線信號經(jīng)解調(diào)、濾波、整流等處理后送入ATmega64的T3/IC3端口，通過定時/計數(shù)器的捕獲功能完成標簽信息的解碼。

2.1.3 通信模塊

通信接口模塊用于完成與上位機的通信，將讀取到的電子標簽信息傳送到后臺應用信息服務層中。系統(tǒng)采用RS232接口完成設備間通信，MAX232作為串口芯片實現(xiàn)必要電平轉(zhuǎn)換。

2.2 RFID讀卡器軟件設計

RFID讀卡器軟件采用嵌入式C語言編程，使用AVR Studio和Win AVR作為編譯調(diào)試軟件。讀卡器軟件與硬件平臺相結(jié)合，用于實現(xiàn)必要的中斷控制，邏輯控制，通信控制，定時計數(shù)器捕獲，編解碼、數(shù)據(jù)校驗等功能。讀卡器軟件工作基本流程，如圖3所示。

3 系統(tǒng)應用服務層設計

應用服務層是生產(chǎn)管理系統(tǒng)的核心部分，該層將讀卡器采集到的RFID電子標簽信息與混凝土管樁的實際生產(chǎn)參數(shù)綁定，通過功能模塊錄入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，完成數(shù)據(jù)匯總、處理、分析和查詢功能[5]。出于穩(wěn)定性和安全性的考慮，應用服務層采用了C/S架構(gòu)，使用Visual Studio 2010與SQL Server 2008 R2開發(fā)，C#和SQL語言進行編寫。應用服務層自企業(yè)的人員管理、物資管理開始，到混凝土管樁的流水線生產(chǎn)、質(zhì)量檢驗、產(chǎn)成品出運為止，涵蓋了產(chǎn)品的整個生命周期，能實時監(jiān)控每道工序的生產(chǎn)情況，完成責任歸屬和信息溯源。系統(tǒng)應用服務層功能模塊架構(gòu)，如圖4所示。

考慮到企業(yè)的實際需要，應用服務層整體共分為人事管理、物資管理、生產(chǎn)管理、產(chǎn)成品管理、質(zhì)量檢驗、綜合查詢、信息公告、基礎管理設置和系統(tǒng)管理9大模塊。

人事管理和物資管理模塊屬于系統(tǒng)的初期階段，這一階段主要是對人員信息的配置和工程物資的準備。通過系統(tǒng)可將相關信息提前錄入，方便后期產(chǎn)品與人員和物資信息進行一一綁定，當出現(xiàn)質(zhì)量問題時，可以通過查詢系統(tǒng)數(shù)據(jù)有效追溯到施工責任人和物資供應商。此外，通過對生產(chǎn)進度的監(jiān)控，系統(tǒng)可以預估物資使用情況，方便管理人員完成物資的動態(tài)調(diào)度。

生產(chǎn)管理、產(chǎn)成品管理和質(zhì)量檢驗模塊是系統(tǒng)的中后期階段，在這一階段產(chǎn)品開始正式進入車間流水線生產(chǎn)。為方便施工人員操作，系統(tǒng)采用了Surface Pro作為智能便攜終端與手持式讀卡器相連，用于車間現(xiàn)場完成RFID電子標簽信息的采集和生產(chǎn)數(shù)據(jù)的錄入，并針對Surface Pro做了界面和功能上的優(yōu)化和適配。在生產(chǎn)的第一階段——鋼筋籠制作工序中，我們將專用混凝土RFID電子標簽綁扎到鋼筋籠上作為身份標識，通過讀卡器掃描錄入，完成與混凝土管樁的綁定和信息的初始化，實際操作如圖5所示。

在其后的每道工序中，施工人員都通過系統(tǒng)實時記錄生產(chǎn)信息和人員信息，這樣當產(chǎn)品完成生產(chǎn)、檢驗、出運時，所有工序生產(chǎn)數(shù)據(jù)都已存儲到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，完成了在產(chǎn)品全生命周期的信息溯源。在各生產(chǎn)功能模塊中，系統(tǒng)可以通過C#的Reporting Service功能根據(jù)生產(chǎn)數(shù)據(jù)完成報表打印功能，有效擺脫了過去人工錄入填寫的不便；同時管理人員能通過時間、報表ID等字段對各生產(chǎn)報表完成集中查詢，方便信息的檢索和歸檔；當數(shù)據(jù)庫存儲的生產(chǎn)信息積累到一定量級時，更能通過對生產(chǎn)參數(shù)、工作進度等數(shù)據(jù)進行深度挖掘和分析，為企業(yè)生產(chǎn)智能化決策提供有力幫助。

圖4 系統(tǒng)應用服務層架構(gòu)圖

圖5 現(xiàn)場車間RFID標簽信息采集

綜合查詢和信息公告模塊是系統(tǒng)的輔助部分，施工人員可以通過綜合查詢完成對數(shù)據(jù)的實時查詢，包括單根管樁的基本生產(chǎn)信息(如鋼筋籠綁扎時間、普養(yǎng)溫度、離心轉(zhuǎn)速、張拉強度等)以及統(tǒng)計信息(如管樁日生產(chǎn)量、日出運量，產(chǎn)品檢驗合格率等)等。信息公告模塊用于發(fā)布公告消息等指導工人完成生產(chǎn)調(diào)度、班次交接等工作。

基礎管理設置模塊用于生產(chǎn)的集中管理，其中生產(chǎn)權(quán)限管理功能可以對施工班次、員工工種進行規(guī)范，做到一崗一人權(quán)責分明。實際生產(chǎn)狀況、生產(chǎn)指令管理功能可以方便管理人員下達任務安排，對每日生產(chǎn)進度狀況進行實時監(jiān)控；工期預警管理功能可以根據(jù)現(xiàn)階段生產(chǎn)量完成情況，對下一階段生產(chǎn)量進行預測，當生產(chǎn)米數(shù)和根數(shù)等不符合進度要求時將在系統(tǒng)內(nèi)發(fā)出預警信息。

系統(tǒng)管理模塊包含數(shù)據(jù)庫備份/恢復、系統(tǒng)幫助等功能，用于對生產(chǎn)管理系統(tǒng)本身進行技術(shù)支持和維護。

4 總結(jié)

本文在RFID、物聯(lián)網(wǎng)等相關技術(shù)的基礎上，設計并開發(fā)了一套基于RFID的混凝土管樁生產(chǎn)管理系統(tǒng)，用于企業(yè)生產(chǎn)信息的智能采集和產(chǎn)品的自動化管理。針對實際的生產(chǎn)需求，系統(tǒng)選取了符合環(huán)境要求的RFID電子標簽，設計了便攜式RFID讀卡器手持機模型以及涵蓋管樁全生產(chǎn)周期的軟件應用服務系統(tǒng)。經(jīng)試運行發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)能有效完成生產(chǎn)信息的采集、錄入、查詢和分析，有助于企業(yè)提高生產(chǎn)效率，優(yōu)化內(nèi)部人力物力資源，完成對生產(chǎn)過程的實時化、集中化管理。系統(tǒng)數(shù)據(jù)完成積累后也可用作進一步的深度挖掘，幫助企業(yè)進行戰(zhàn)略分析和決策。總的來看，該系統(tǒng)有助于企業(yè)生產(chǎn)力和管理水平的提高，符合中國制造2025和工業(yè)4.0的要求，具有良好的推廣前景和應用價值。