史艷紅，劉漢林

(1.中國(guó)民航大學(xué) 電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，天津 300300；2.青島國(guó)際機(jī)場(chǎng)集團(tuán)有限公司，山東 青島 266108)

0 引言

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，生產(chǎn)自動(dòng)化程度飛速提高。很多生產(chǎn)過程的自動(dòng)化離不開物品信息的準(zhǔn)確獲取與傳輸，因此高效、準(zhǔn)確地獲取物品信息極其關(guān)鍵。以倉(cāng)儲(chǔ)物品信息檢測(cè)為例，常見的自動(dòng)物品信息存儲(chǔ)和檢測(cè)手段有基于條形碼技術(shù)和無線射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)兩種。條形碼是“可視技術(shù)”，條形碼掃描儀只能接收它視野范圍內(nèi)的條形碼，條形碼一旦被劃破、污染或者脫落，掃描儀就無法辨認(rèn)目標(biāo)，且條形碼信息不能更改。RFID技術(shù)是一種無線的、非接觸方式識(shí)別技術(shù)，具有讀取距離大、讀取信息方便迅速、識(shí)別靈敏、標(biāo)簽存入的數(shù)據(jù)可動(dòng)態(tài)更改、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大、防水、防磁、耐高溫、使用壽命長(zhǎng)、更安全、動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)通信等優(yōu)點(diǎn)，可以在不需要人為干預(yù)的情況下完成對(duì)相應(yīng)標(biāo)簽的讀取、識(shí)別工作，并能保證其信息的準(zhǔn)確性[1]。其標(biāo)簽內(nèi)部的電子芯片不會(huì)輕易受到外部環(huán)境的影響、不易損傷。隨著科技的進(jìn)步，RFID技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于電子防盜、食品安全、醫(yī)療、物流、倉(cāng)庫(kù)等各個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中，以提高工作效率，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化目標(biāo)[2-4]。

在工業(yè)控制機(jī)器方面，相對(duì)于其他控制器，PLC具有免硬件開發(fā)、結(jié)構(gòu)靈活、不易受外界環(huán)境影響、傳輸質(zhì)量高、速度快、系統(tǒng)穩(wěn)定、成本較低、可靠性高、開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)，在自動(dòng)化領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

本文綜合RFID技術(shù)和PLC技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，將PLC與RFID技術(shù)結(jié)合，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)倉(cāng)儲(chǔ)物品信息自動(dòng)檢測(cè)與監(jiān)控管理系統(tǒng)，可節(jié)省更多的人力物力，提高生產(chǎn)與管理的自動(dòng)化水平。這有利于民航航材和倉(cāng)儲(chǔ)物流領(lǐng)域的物品存儲(chǔ)與管理，有較高的應(yīng)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在倉(cāng)儲(chǔ)物品的信息檢測(cè)方面，應(yīng)該滿足以下幾個(gè)要求。

(1)物品信息檢測(cè)的準(zhǔn)確性：克服傳統(tǒng)物品信息檢測(cè)自動(dòng)化程度低、人為干擾因素大、準(zhǔn)確度低的缺點(diǎn)，開發(fā)自動(dòng)化、集成度和準(zhǔn)確性高的系統(tǒng)，降低人為干擾因素，滿足行業(yè)的工作需求。

(2)物品信息的檢測(cè)效率：適應(yīng)物品信息檢測(cè)數(shù)量劇增的發(fā)展趨勢(shì)，開發(fā)高效的物品信息檢測(cè)系統(tǒng)，提高工作效率以及生產(chǎn)管理的自動(dòng)化水平。

(3)物品信息檢測(cè)數(shù)據(jù)的多樣化：針對(duì)物品的多樣性、復(fù)雜性，開發(fā)能夠適應(yīng)多行業(yè)的物品信息檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確識(shí)別，完成數(shù)據(jù)的記錄采集與精細(xì)管理，使工作更加方便快捷。

(4)物料信息檢測(cè)環(huán)境的適應(yīng)性：克服傳統(tǒng)的物品信息檢測(cè)手段因易受到油污、灰塵、水或者某些化學(xué)藥品、天氣等影響，使其記錄的數(shù)據(jù)易受損的缺點(diǎn)，開發(fā)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、抗污染力強(qiáng)、穩(wěn)定、耐久的檢測(cè)系統(tǒng)。

針對(duì)上述要求，研究開發(fā)設(shè)計(jì)了基于RFID和PLC技術(shù)的物品信息檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)物品信息的高效、準(zhǔn)確、快速檢測(cè)與存儲(chǔ)管理，系統(tǒng)具有穩(wěn)定性高、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)的工作流程是：當(dāng)攜帶有電子標(biāo)簽的出/入倉(cāng)儲(chǔ)物品進(jìn)入讀寫器讀寫范圍時(shí)，讀寫器在PLC控制下獲取電子標(biāo)簽信息并通過通信網(wǎng)絡(luò)傳輸至PLC，PLC獲取數(shù)據(jù)并處理后，將電子標(biāo)簽中有關(guān)物品信息傳輸至上位PC，在PC界面進(jìn)行物品出/入庫(kù)狀態(tài)顯示和數(shù)據(jù)記錄管理。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 RFID系統(tǒng)設(shè)計(jì)

RFID最基本的系統(tǒng)是由電子標(biāo)簽(Tag)、讀寫器(Reader)、天線(Antenna)三部分組成的。當(dāng)電子標(biāo)簽移動(dòng)到讀寫器的天線磁場(chǎng)范圍當(dāng)中時(shí)，若接收到讀寫器發(fā)出的特有射頻信號(hào)，便可以借著由感應(yīng)電流所獲取的能量發(fā)送出存儲(chǔ)于芯片內(nèi)部的物料信息，讀寫器讀取信息后將其解碼，解碼信息可通過通信端口進(jìn)行傳輸。

本設(shè)計(jì)選用型號(hào)為G20R的超高頻RFID一體式讀寫器，其工作頻率為902～928 MHz，有廣式跳頻(FHSS)和定頻發(fā)射兩種工作方式，天線配置選擇8 dBi/12 dBi，最大輸出功率30 dBm。它支持的電子標(biāo)簽標(biāo)準(zhǔn)有ISO18000-6B和EPC CLASS1 G2，典型讀取距離為3～6 m/15 m，工作模式有主動(dòng)方式和交互應(yīng)答方式，采用+9 V或+12 V電源供電，支持RS232、RS485、韋根接口輸出。

本文選用的電子標(biāo)簽標(biāo)準(zhǔn)是EPC CLASS1 G2。因讀寫器在主動(dòng)模式下僅執(zhí)行讀標(biāo)簽操作，在交互應(yīng)答模式下可以對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行讀、寫操作，考慮到使用場(chǎng)合的廣泛性和應(yīng)用靈活性，設(shè)置讀寫器工作在交互應(yīng)答模式下，利用RS232接口通過串行通信方式實(shí)現(xiàn)與控制主機(jī)數(shù)據(jù)傳輸。在交互應(yīng)答模式下，設(shè)定PLC以1 s時(shí)間間隔向讀寫器定時(shí)發(fā)出讀取物品標(biāo)簽信息指令。

EPC C1 G2標(biāo)簽有四個(gè)存儲(chǔ)區(qū)，EPC區(qū)、TID區(qū)、User區(qū)和保留區(qū)(密碼區(qū))。本設(shè)計(jì)用到了該類型標(biāo)簽的EPC區(qū)和User區(qū)。利用RFID設(shè)置軟件將標(biāo)簽EPC卡號(hào)修改為標(biāo)簽占用編碼，如1234567812345678，替代購(gòu)買時(shí)默認(rèn)的EPC卡號(hào)，表征此標(biāo)簽已被專門使用，其取值范圍是4字十六進(jìn)制數(shù)據(jù)。User區(qū)域存儲(chǔ)容量為32個(gè)字，可讀可寫，用來存放用戶寫入的數(shù)據(jù)信息。利用User區(qū)域存儲(chǔ)自定義的物品信息。自定義的每個(gè)物品信息包含四部分內(nèi)容，每部分占用4位十六進(jìn)制即1個(gè)字的存儲(chǔ)空間，這樣每個(gè)物品占用4字存儲(chǔ)空間，留有28字空間未定義供后續(xù)擴(kuò)展用，可根據(jù)需要靈活細(xì)化編碼。自定義編碼信息如表1所示。

表1 倉(cāng)儲(chǔ)物品信息自定義編碼

如當(dāng)定義的信息是0002000300040001時(shí)，它的含義是存儲(chǔ)在倉(cāng)庫(kù)H2，行號(hào)為H3、列號(hào)為H4貨架位置的電腦(H1)。

3 PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)

PLC具有靈活性好、通用性強(qiáng)、體積小、功耗低、接口簡(jiǎn)單、維護(hù)方便特點(diǎn)，具有很高的可靠性和抗干擾能力，完全適合物品信息檢測(cè)所提出的四方面要求，是一種很好的實(shí)現(xiàn)方式和手段。

3.1 PLC主機(jī)選擇與模塊擴(kuò)展

本設(shè)計(jì)選用了型號(hào)為FPG-C24R2HTM的松下PLC。本PLC通過配備32位的RISC處理器來實(shí)現(xiàn)小型PLC的超高速運(yùn)算處理，使得基本指令和高級(jí)指令高速化，縮短了掃描時(shí)間。它擁有大容量的程序存儲(chǔ)器，充分滿足定位、通信、數(shù)字量、模擬量等控制；它支持串口通信，可通過擴(kuò)展通信模塊單元，方便與外部設(shè)備通信；通過編程口能與上位PC通信，實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面的交互需求和數(shù)據(jù)管理要求。

在實(shí)驗(yàn)室條件下，為實(shí)現(xiàn)PLC與RFID讀寫器通信，擴(kuò)展了一塊型號(hào)為AFPG801的通信插件，通過RS232C串行通信接口，實(shí)現(xiàn)電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)傳輸。PLC與RFID讀寫器的通信參數(shù)均設(shè)置為：波特率9 600 b/s,數(shù)據(jù)長(zhǎng)度8位，停止位1，無奇偶校驗(yàn)，無結(jié)束符，無STX。

3.2 PLC控制程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中，為了滿足廣泛適用性，將RFID讀寫器工作模式設(shè)置為應(yīng)答模式，PLC通過發(fā)送命令給讀寫器的方式，控制讀寫器完成讀寫電子標(biāo)簽信息操作。即PLC發(fā)送命令給讀寫器，讀寫器將命令執(zhí)行結(jié)果狀態(tài)和數(shù)據(jù)發(fā)送回給PLC，PLC再進(jìn)行分析處理[5-7]。讀寫器只有將一條命令執(zhí)行完畢后，才可執(zhí)行下一條命令。

3.2.1物料信息檢測(cè)主程序設(shè)計(jì)

如上所述，在電子標(biāo)簽User區(qū)已預(yù)先存入物品所在倉(cāng)庫(kù)號(hào)、行號(hào)、列號(hào)以及類別代碼。系統(tǒng)的工作流程是，在物品出/入庫(kù)時(shí)，利用PLC控制RFID讀寫器獲取電子標(biāo)簽內(nèi)預(yù)先存入的預(yù)置物品信息的User區(qū)數(shù)據(jù)，進(jìn)行提取、變換后存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)寄存器中。通過判定倉(cāng)庫(kù)號(hào)、行號(hào)、列號(hào)數(shù)值，在PC主機(jī)人機(jī)界面以點(diǎn)亮對(duì)應(yīng)存儲(chǔ)位指示燈的方式加以指示，同時(shí)對(duì)物品出/入庫(kù)數(shù)據(jù)庫(kù)記錄進(jìn)行更新。可見系統(tǒng)正確工作的關(guān)鍵在于正確獲取電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)信息，而它需要分為兩步進(jìn)行。首先，通過串行通信方式，PLC向讀寫器發(fā)送讀取標(biāo)簽EPC號(hào)的指令，PLC在獲取標(biāo)簽的正確EPC號(hào)后，以此EPC號(hào)標(biāo)簽為讀取目標(biāo)，向讀寫器發(fā)送讀取該電子標(biāo)簽USER區(qū)信息指令，讀寫器返回USER區(qū)信息數(shù)據(jù)，PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)判別處理。即PLC先確定讀取目標(biāo)，然后再確定讀取目標(biāo)的哪個(gè)區(qū)域數(shù)據(jù)。物品信息檢測(cè)主程序流圖如圖2所示。

圖2 物料信息檢測(cè)的主程序流圖

3.2.2CRC循環(huán)冗余校驗(yàn)碼生成程序設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)PLC與RFID讀寫器可靠數(shù)據(jù)通信，獲取物品準(zhǔn)確信息，關(guān)鍵在于以RFID讀寫器約定的通信協(xié)議和命令格式編程。在約定的RFID讀寫器提供的通信協(xié)議的命令格式中，命令段末尾均需附加欲傳輸數(shù)據(jù)的循環(huán)冗余校驗(yàn)碼(CRC16)。兩者通信是否成功、傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是否正確需要通過計(jì)算數(shù)據(jù)的CRC校驗(yàn)碼來進(jìn)行比對(duì)判定。這里讀寫器約定的CRC校驗(yàn)碼的生成多項(xiàng)式是H8408。CRC冗余校驗(yàn)碼算法PLC程序以子程序方式設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，在需要使用CRC校驗(yàn)碼時(shí)，通過子程序調(diào)用進(jìn)行計(jì)算。程序設(shè)計(jì)流程圖如圖3所示。

圖3 CRC16冗余校驗(yàn)碼算法流圖

4 組態(tài)監(jiān)控設(shè)計(jì)

上位PC監(jiān)控界面采用Force Control V7.1力控組態(tài)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)。Force Control V7.1是一個(gè)完全集成化的工控軟件，完全兼容微軟的一些操作系統(tǒng)，廣泛適用于化學(xué)工業(yè)、環(huán)境保護(hù)、建筑管理等行業(yè)。該軟件采用了可靠、靈便、多功能的監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)，可以和PLC或其他的工業(yè)生產(chǎn)過程進(jìn)行信息之間的交換與傳遞，從而實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)和控制的目的[8-9]。

4.1 I/O設(shè)備組態(tài)的建立

Force Control V7.1軟件可以與多種多樣類型的設(shè)備互相通信，對(duì)使用了不同通信協(xié)議的I/O設(shè)備來說，該軟件是能夠提供相應(yīng)的I/O驅(qū)動(dòng)的。而只有定義了I/O設(shè)備后，軟件才能夠通過數(shù)據(jù)庫(kù)組態(tài)當(dāng)中的變量與相應(yīng)的I/O設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)方面的傳遞和交換。

在本設(shè)計(jì)中，PLC通過編程口與PC的USB轉(zhuǎn)串口連接進(jìn)行通信，參數(shù)設(shè)置為：PLC設(shè)備地址1，RS232C串行通信方式、串口COM7、波特率9 600 b/s、數(shù)據(jù)位8位、奇校驗(yàn)、停止位1位。

4.2 數(shù)據(jù)庫(kù)組態(tài)變量定義

DBManager是建立數(shù)據(jù)庫(kù)組態(tài)的重要工具。通過此工具可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)連接組態(tài)、點(diǎn)參數(shù)組態(tài)等重要功能。為了完成對(duì)I/O設(shè)備的監(jiān)視與控制，建立與PLC的數(shù)據(jù)連接，在力控?cái)?shù)據(jù)庫(kù)組態(tài)時(shí)，選擇合適的區(qū)域和單元添加變量、創(chuàng)建數(shù)字I/O點(diǎn)和模擬I/O點(diǎn)，并將其與對(duì)應(yīng)的PLC寄存器單元內(nèi)容連接，實(shí)現(xiàn)主機(jī)和PLC的信息共享和數(shù)據(jù)傳遞。典型的數(shù)據(jù)庫(kù)組態(tài)的模擬I/O點(diǎn)如表2所示。

表2 模擬I/O點(diǎn)

4.3 出/入庫(kù)記錄數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

在倉(cāng)儲(chǔ)物品出/入庫(kù)時(shí)，需要對(duì)物品信息數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，以便于核對(duì)信息、查找錯(cuò)誤時(shí)有所依據(jù)。本數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)采用力控軟件中基于ADO組件的數(shù)據(jù)庫(kù)方法實(shí)現(xiàn)。首先需要通過開放式的數(shù)據(jù)庫(kù)互聯(lián)(ODBC)創(chuàng)建一個(gè)數(shù)據(jù)源。ODBC相對(duì)于一個(gè)中間層，它可以鏈接數(shù)據(jù)庫(kù)，方便管理。數(shù)據(jù)源建立后，在力控的工程項(xiàng)目中添加ActiveX數(shù)據(jù)對(duì)象(ADO)組件。它能夠訪問關(guān)系類型的數(shù)據(jù)庫(kù)或者非關(guān)系類型的數(shù)據(jù)庫(kù)。本文選用Acess數(shù)據(jù)庫(kù)，并在“數(shù)據(jù)表管理”的選項(xiàng)中綁定自定義的數(shù)據(jù)表。所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)庫(kù)記錄包含的內(nèi)容有：設(shè)備的序號(hào)、時(shí)間、倉(cāng)庫(kù)號(hào)、行、列、名稱代碼、出庫(kù)、入庫(kù)信息等。

4.4 組態(tài)監(jiān)控界面設(shè)計(jì)

人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)由登錄界面、物料入庫(kù)界面、物料出庫(kù)界面三個(gè)部分組成。

物品出入庫(kù)界面，用到了工具欄中的文本工具、按鈕工具、標(biāo)準(zhǔn)圖庫(kù)中的指示燈以及常用工具當(dāng)中的專家報(bào)表。當(dāng)物品標(biāo)簽進(jìn)入到讀寫器的讀取范圍內(nèi)，讀卡器會(huì)將讀取到的信息傳送到PLC當(dāng)中。經(jīng)過數(shù)據(jù)的處理之后，在PC監(jiān)控界面，相對(duì)應(yīng)物品信息如倉(cāng)庫(kù)號(hào)、貨架行列號(hào)、物品類別代碼會(huì)以文字方式顯示，物品位置指示則以變換行列式貨架的位置指示燈顏色表示。常態(tài)下，指示燈為紅色，當(dāng)讀取到物品的位置信息后，相應(yīng)位置的指示燈會(huì)由紅色變?yōu)榫G色，以此來顯示物品的來源存入位置。每次出入庫(kù)物品信息還將被自動(dòng)記錄到數(shù)據(jù)報(bào)表中。數(shù)據(jù)報(bào)表以Excel表格的形式存入到用戶所欲存儲(chǔ)的位置，供后續(xù)數(shù)據(jù)管理用。

5 結(jié)論

基于RFID、PLC和組態(tài)監(jiān)控技術(shù)的倉(cāng)儲(chǔ)物品信息檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了出/入庫(kù)倉(cāng)儲(chǔ)物品信息的準(zhǔn)確快速識(shí)別和物品信息的有效管理。利用RFID技術(shù)實(shí)現(xiàn)出入庫(kù)物品信息存儲(chǔ)，具有可反復(fù)使用、可靠性高、抗污染力強(qiáng)、穩(wěn)定耐久、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的特點(diǎn)。利用PLC和組態(tài)監(jiān)控技術(shù)實(shí)現(xiàn)倉(cāng)儲(chǔ)物品信息快速檢測(cè)、顯示、記錄和數(shù)據(jù)管理。試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)具有物品信息檢測(cè)準(zhǔn)確、效率高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)特點(diǎn)，且只要在此基礎(chǔ)上加以相應(yīng)變動(dòng)，就可以滿足多場(chǎng)合、多行業(yè)的物品信息多樣性、復(fù)雜性的檢測(cè)要求，具有很高的實(shí)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。