（机械设计及理论专业论文）基于rfid技术的车间生产动态监控.pdf

d y n a m i cm o n i t o r i n gs y s t e m b a s e do nr f i d t e c h n o l o g yf o rw o r k s h o pp r o d u c t i o n y a n g a o - w e i u n d e rt h es u p e r v i s i o no f p r o f d o n gx u e r e n at h e s i ss u b m i t t e dt ot h eu n i v e r s i t yo fj i n a n i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g u n i v e r s i t yo fj i n a n j i n a n ，s h a n d o n g ，p r c h i n a m a y , 2 0 1 2 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究所取得 的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或 撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：扬心、佛日期：沙1 z 。多、。石 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借鉴；本人授权济南大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 口保密(年，解密后应遵守此规定) 敝作者签名：膨一竹刷稚 济南大学硕士学位论文 目录 第一章绪论1 1 1 论文选题的背景、意义及目的1 1 2r f i d 技术概括3 1 2 1r f i d 技术对比以往技术的优势3 1 2 2r f i d 技术在国内外的应用3 1 3 射频识别系统的结构4 1 3 1 电子标签内部结构5 1 3 2 读写器内部模块划分7 1 4r f i d 系统工作流程8 1 5 本章小结8 第二章车间动态监控系统设计9 2 1 系统方案设计9 2 1 1 系统总方案9 2 1 2 车间监控系统的流程1 1 2 2 企业需求分析13 2 3 系统功能模块的划分1 4 2 4 动态监控系统数据库设计1 6 2 4 1e r 概念模型建立1 6 2 4 2 数据表设计一18 2 5 本章小结1 8 第三章r f i d 系统的硬件设计1 9 3 1 读写器设计19 3 1 1 读写器发送模块电路设计一2 0 3 1 2 读写器接收模块电路设计一2 3 3 2 标签型号选择2 6 3 3 读写器组装与调试2 7 3 4 本章小结2 8 第四章动态监控系统的软件设计一2 9 基于i 心i d 技术的车i 司生产动态监控 4 。1 软件设计总方案2 9 4 2r f i d 串口通讯模块软件设计一3 0 4 3 操作后台数据库模块软件设计3 3 4 4 本章小结3 4 第五章 动态监控系统平台的建立一3 5 5 1 数据库的创建3 5 5 2 系统主窗口3 5 5 3 基础信息管理窗口3 7 5 4 生产计划管理窗口4 2 5 5 生产车间信息采集窗口4 7 5 5 1 联机界面一4 7 5 5 2 读卡界面4 7 5 5 3 写卡界面4 9 5 6 信息分析管理窗口5 0 5 6 1 进度分析管理一5 0 5 6 2 质量分析管理一5 2 5 7 上层管理窗口5 6 5 8 本章小结5 6 第六章结论与展望一5 7 6 1 结 企5 7 6 2 展望5 8 参考文献一5 9 致谢6 3 附录6 5 i i 济南大学硕士学位论文 摘要 企业制造过程中需要的信息量日益庞大，传统生产模式下的车间管理方法已经不能 满足准时生产的要求，于是本文提出了基于r f i d 技术的车间动态监控系统，利用该系 统可以实现对车间生产的动态监控。首先，利用读写器采集车间的制造信息并进行分析， 及时对生产过程中出现的质量问题和进度问题进行反馈，以便采取纠正措施，还可以对 不良品进行追踪，发现问题的根源，为企业节约制造成本。 本课题首先介绍了选题的背景、意义及目的，然后对r f i d 技术的工作原理做了简 单介绍，本文还简单介绍了射频识别技术的分类。作为理论基础，描述了射频识别系统 的结构图，并对读写器的工作流程做了介绍。 整个监控系统的方案设计是决定系统能否实现所需功能的关键部分，如果整个系统 的方案合理，则能实现所需的功能。本文首先对整个系统的开发方案做了详细的描述， 确定了系统软件设计和硬件设计的内容，然后通过对系统的需求分析，得出了系统所需 实现的功能，进而得出应用软件包括的各类管理界面和用户权限，以及与各个界面对应 的后台数据库的信息。 本文硬件部分选用各个芯片来组装读写器，并选用型号为a d 0 8 3 1 的无源电子标 签。首先，对r f i d 系统硬件部分进行开发，通过对系统进行需求分析，确定所需读写 器的技术参数，然后再对读写器的内部结构进行分析，确定了读写器内部芯片的型号， 选择符合要求的内部芯片，之后设计出内部芯片的应用电路图。 软件部分主要包括应用软件的开发。应用软件的开发是本文的创新点，也是难点和 重点，该部分包括两个模块，分别为r f i d 串口通讯软件模块和操作后台数据库软件模 块，对两个模块下的联机程序、读卡程序、写卡程序和操作数据库程序进行了详细的流 程设计，这些程序的设计是本文最大的难点。 本课题应用软件编写部分使用w i n d o w s 操作系统为丌发环境，前台采用v b 6 0 进 行应用程序开发，后台选择a c c e s s2 0 0 3 作为数据管理平台。根据应用软件的流程分析 结果和各类界面的内容，应用v b 编程工具进行软件平台的开发，可编写出实现系统需 求功能的软件界面。通过编写出的软件平台，可以对车间生产信息进行实时采集，并对 采集到的进度信息和质量信息进行分析，发现问题及时反馈，以便采取纠正措施，实现 对车间生产的动态监控。 论文最后对本课题进行总结，并结合课题的实际研究过程，把本文的不足之处作为 基于r f i d 技术的车间生产动态监控 下一步的重点研究工作，确定了未来的研究内容。 关键词：射频识别；m e s ；读写器；动态监控；质量分析 1 v 济南大学硕士学位论文 a b s t r a c t e n t e r p r i s e si nm a n u f a c t u r i n gp r o c e s sn e e dm o r ea n dm o r ei n f o r m a t i o n t h e r e b y , t h e t r a d i t i o n a lw o r k s h o pm a n a g e m e n tm e t h o d sc a nn o tm e e tt h et i m e l y p r o d u c t i o nr e q u i r e m e n t s i n s u c hac o n t e x t ，t h i sp a p e rp r e s e n t sad y n a m i cm o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nr f i dt e c h n o l o g y t h es y s t e mc a na c h i e v ed y n a m i cm o n i t o r i n go ft h ew o r k s h o pp r o d u c t i o n r e a d e rc a nc o l l e c t a n da n a l y z ew o r k s h o pm a n u f a c t u r i n gi n f o r m a t i o n ， a n dt i m e l yf e e d b a c kt h eq u a l i t yp r o b l e m s e n c o u n t e r e di nt h ep r o d u c t i o np r o c e s sa n dp r o c e s ss oa st ot a k ec o r r e c t i v em e a s u r e s a l s o d e f e c t i v ep r o d u c t sc a nb et r a c k e da n dt h er o o to ft h ep r o b l e mc a nb ef o u n d i nt h i sw a y , i tc a n s a v em u c hm a n u f a c t u r i n gc o s tf o re n t e r p r i s e s t h e p a p e rf i r s t l yi n t r o d u c e dt h eb a c k g r o u n d ，m e a n i n ga n dt h ep u r p o s eo f t h et o p i c ，t h e n g i v e sab r i e fi n t r o d u c t i o nt ot h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fr f i dt e c h n o l o g y t h i sp a p e r a l s ob r i e f l y d e s c r i b e st h ec l a s s i f i c a t i o no fr a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n a sat h e o r e t i c a lb a s i s ，i td e s c r i b e s t h es t r u c t u r ed i a g r a mo fr a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o ns y s t e m ，a n dg i v e sab r i e fw o r k f l o wo f t h er e a d e r t h ee n t i r em o n i t o r i n gs y s t e md e s i g ni sak e yp a r tt oa c h i e v et h ed e s i r e df u n c t i o n l ft h e e n t i r es y s t e mi sr e a s o n a b l e ，t h er e q u i r e df u n c t i o nc a nb ea c h i e v e d f i r s t l y , t h ep a p e rm a d ea d e t a i l e dd e s c r i p t i o no f t h ed e v e l o p m e n tp r o g r a mo f t h ee n t i r es y s t e m ，d e t e r m i n et h ec o n t e n t so f t h es y s t e ms o f t w a r ed e s i g na n dh a r d w a r ed e s i g n t h e nb ym e a n so ft h es y s t e mr e q u i r e m e n t s a n a l y s i s ，t h ef u n c t i o nr e q u i r e db ys y s t e m si sa c h i e v e d ，a n dt h e nt h ea p p l i c a t i o ns o f t w a r e ， i n c l u d i n gv a r i o u st y p e so fm a n a g e m e n ti n t e r f a c ea n d u s e rp e r m i s s i o n s ，a n db a c k e n dd a t a b a s e i n f o r m a t i o nc o r r e s p o n d i n gw i t he a c hi n t e r f a c ec a na l s ob ef i n i s h e d i nt h i sp a p e r ，r e a d e ri nt h eh a r d w a r ei sa s s e m b l e db ym a n yc h i p s ，w h i c ha r ep a s s i v e e l e c t r o n i ct a g so fm o d e la d 一08 31 f i r s t ，t h eh a r d w a r ep a r to ft h er f i ds y s t e ms h o u l db e d e v e l o p e d t h es y s t e mn e e d sr e q u i r e m e n ta n a l y s i s t od e t e r m i n et h er e q u i r e dt e c h n i c a l p a r a m e t e r so f r e a d e r s i no r d e rt oc h o o s ei n t e r n a lc h i pt h a tm e e tt h er e q u i r e m e n t s ，a n a l y z i n gt h e i n t e r n a ls t r u c t u r es h o u l db ed o n et od e t e r m i n et h em o d e lo f i n t e r n a lc h i po f r e a d e r s a f t e r w a r d s ， a p p l i c a t i o nc i r c u i td i a g r a mo ft h ei n t e r n a lc h i pc a nb ed e s i g n e d t h es o f t w a r ep a r ti n c l u d e st h ea p p l i c a t i o ns o f t w a r ed e v e l o p m e n ti nt h ec o m m u n i c a t i o n p r o c e s s d e v e l o p m e n to fa p p l i c a t i o ns o f t w a r ei st h ei n n o v a t i o no ft h i sp a p e ra n di sa l s o a v 基于r f i d 技术的车问生产动态监控 d i f f i c u l ta n dk e ym a t t e r t h i ss e c t i o ni sd i v i d e di n t ot w om o d u l e s ，w h i c ha r er f i ds e r i a l c o m m u n i c a t i o ns o f t w a r em o d u l e sa n do p e r a t i n gb a c k e n dd a t a b a s es o f t w a r e d e t a i l e dp r o c e s s d e s i g no fo n l i n ep r o g r a mi nt w om o d u l e s ，t h er e a d e rp r o g r a m ，w r i t e c a r dp r o g r a m sa n d o p e r a t i n gd a t a b a s ep r o g r a ma r e t h eb i g g e s td i f f i c u l t yo f t h i sp a p e r t h ea p p l i c a t i o ns o f t w a r ei sw r i t t e ni nw i n d o w so p e r a t i n gs y s t e md e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n t f r o n ti sd e v e l o p e di nv i s u a lb a s i c6 0a p p l i c a t i o n ，a n db a c k g r o u n ds e l e c tt h e a c c e s s2 0 0 3a sam a n a g e m e n td a t ap l a t f o r m b a s e do np r o c e s sa n a l y s i sr e s u l t sa n dv a r i o u s t y p e so f a p p l i c a t i o ns o f t w a r ei n t e r f a c e ，s o f t w a r ep l a t f o r mi sd e v e l o p e db y t h ea p p l i c a t i o no f v b p r o g r a m m i n gt o o l s ，a n ds o f t w a r ei n t e r f a c en e e d e db ys y s t e mc a nb ew r i t t e n t h e s o f t w a r e p l a t f o r mc a n r e a l t i m ec o l l e c ti n f o r m a t i o na b o u tw o r k s h o pp r o d u c t i o n ，a n da n a l y z et h e p r o g r e s si n f o r m a t i o na n dq u a l i t yi n f o r m a t i o nc o l l e c t e d ，t i m e l yf e e d b a c k ，i no r d e rt o t a k e c o r r e c t i v em e a s u r e st oa c h i e v et h ed y n a m i cm o n i t o r i n go ft h ew o r k s h o pp r o d u c t i o n f i n a l l y , t h ep a p e rs u m m a r i z e da b o u tt h i st o p i c ，m e a n w h i l e ，a c c o r d i n g t ot h ei n a d e q u a c i e s o ft h i sp a p e ra n dt h en e e df o ri m p r o v e m e n tc o m b i n e dw i t ht h et o p i c st h ea c t u a lr e s e a r c h p r o c e s s ，im a d e ab r i e fi n t r o d u c t i o no fr e s e a r c hs c h e d u l ea n dt h ef u t u r er e s e a r c hc o n t e n t k e yw o r d s ：r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ；m e s ；r e a d e r ；d y n a m i cm o n i t o r i n g ；q u a l i t y a n a l y s 济南大学硕士学位论文 第一章绪论弟一早珀了匕 1 1 论文选题的背景、意义及目的 近年来，人们对产品的需求量日益增加，对产品种类也提出了更高的要求。正是由 于市场的需求，各个企业都在不断的扩大自身的规模，企业之间的竞争变得更加激烈。 在这种情况下，企业若想赢得市场，就要不断的提高自身的生产率。企业想要生产出成 本低且质量好的产品，最有效的方法是把目标锁定在产品制造过程中，其一是优化制造 方法；其二是加快对制造过程中信息的收集和传播速度，通过即时反馈生产信息来改善 生产计划，提高管理效率。本课题主要针对第二种方法进行研究。 企业在产品制造过程中需要的信息量如此庞大，如果再采用以往的信息处理方法则 会造成信息的滞后。对数据管理采用的传统方法是手工记录数据，生产信息采集人员把 得到的生产信息、物料信息、设备信息等其它各种需要的数据信息通过手工录入的方式 记录下来，反馈给上层管理人员。采用这种方法的缺点是不能及时将信息反馈出去，不 仅耽误了决策层及时做出决策，而且也耽误了计划制定人员对车间计划及时做出调整。 采用以往的人工记录数据的方法可导致以下后果：一是企业不能按时完成生产计划；二 是如果工件质量在某一工序出现了问题又得不到及时反馈的话，将不能及时停止不良品 的生产，制造出很多不合格的产品，增加了企业的成本，降低了企业的生产率。 由于采用以上方法进行数据采集和管理会产生许多弊端，所以虽然企业有完善的 e r p 软件，但是没有车间生产加工数据的支持，所以上层人员的修改指令不能及时下达 生产车间，因此为制造企业建立一套完善的实时监控系统迫在眉睫。运用这套实时监 控系统可以对车间制造的物品进行实时跟踪，方便企业人员对采集到的数据进行分析和 管理。并且可以交换e r p 系统和监控系统之间的信息，使企业人员可以随时掌握车间 的各种生产信息。这是本课题提出车间生产动态监控系统的出发点。 本课题以某公司减速器生产车间的生产线为实施对象，以基于r f i d 技术的车间生 产动态监控系统为实施内容。采用分布数据库式网络接口进行网络间的数据交换【2 l ，应 用正在兴起并推广应用的r f i d 技术及信息管理系统进行项目的设计与开发工作。r f i d 技术、信息管理系统和网络接口三个模块相互集成，可以准确的控制整个制造过程【3 1 。 m e s 于1 9 9 0 年被提出来 4 ，是顺应企业信息化发展起来的，也是企业信息化不可 基于r f i d 技术的车i 司生产动态监控 缺少的一个重要部分【5 】。m e s 为一个信息管理系统，它的面向对象为车间管理层，处于 上层计划层和底层控制层之间 6 7 1 。m e s 贯穿于产品订单的下达到完成产品生产的整个 过程【8 】。首先把车间作业计划以调度单的形式下达到生产车间，实时的采集车间生产线 的进度信息，并及时反馈给计划层，以供计划层调整生产计划或者指导下一步计划的制 定【9 1 ，使得产品的制造过程达到最优化 加】。 m e s 系统把订单信息、库存信息、设备信息、采购信息、生产调度、在制品跟踪 采集、质量管理、数据报表等集于同一平台，使用同一个后台数据库。为生产部门、质 检部门、工艺部门提供了实时信息。通过m e s 系统可以查询订单数量，交货时间，生 产调度，车间的设备概况，工艺路线等信息。m e s 系统还对物料在生产车间的加工顺 序，每种物料经过哪些工序加工，在每个工序的准备时间和加工时间进行统计和管理。 企业人员可以通过此系统查询每个时间点的生产进度信息和质量检测信息，还可以对制 定的生产计划信息，工艺路线等信息录入到系统数据库中，也可以修改、删除信息。 企业实施该系统前，要在车间各个工序安装r f i d 读写器，并事先把数据信息写入 电子标签；当物料到达工序时，即可为物料配备一个带有编号的电子标签，利用读写器 读取标签内的数据，并将这些信息传送到管理系统的后台数据库中，当物料在此工位加 工完成之后，随电子标签一起传到下一个工序 1 l 】；企业人员通过对采集到的信息进行分 析处理，可随时掌握各个物料所在的加工工序，并与计划信息进行比较，如果与先前制 定好的作业计划不一致，可以调整作业计划【1 2 1 。 车间不采用该系统时，企业计划人员制定好计划后不能随时掌握计划的执行状况， 也不知道制定的计划是否合理，不能及时调整车间排产计划。生产主管人员也不方便掌 握一批计划的生产进度，比如不知道能不能在计划时间内完成生产任务，哪些工序是制 约生产的瓶颈工序，哪些工序的能力有剩余。这样一直恶性循环下去，将会不能准时交 货，并且加大企业的生产成本【1 3 】。 采用该系统将会解决以上问题，整个制造过程的信息将会非常流畅，企业人员通过 计算机即可方便的得到需要的信息。可以实现以下目标： ( 1 ) 实时反应加工计划的进度情况，及时调整生产任务，保证按时交货； ( 2 ) 采集质量数据并及时分析，可以及时发现质量问题，采用措施予以解决，降 低产品的不合格率； ( 3 ) 对物料进行追踪，当出现不合格品时，可实现不合格品的质量追溯； ( 4 ) 减少了现场巡查和统计人员，节省了人力。 济南大学硕士学位论文 1 2r f i d 技术概括 r f i d 是射频识别技术的缩写。工作原理为：读写器的天线向外部发出射频信号， 进入此辐射场区的电子标签接收到射频信号后反射回去读写器想要获取的数据信息。另 外，这一系列过程可以在非接触的情况下进行【9 1 。读写器通过r s 2 3 2 接口与应用软件建 立连接通道，通过此接口：读写器把读取到的数据传递到应用软件的数据库。按照标签 内有无能量来源，可分为有源和无源两类【1 4 】。按照频率可分为低频、中高频、超高频系 统 1 5 , 1 6 】。按照读写器和p c 机的连接情况可以分为连机型、联网型、独立型。其中连机 型和联网型均通过总线和计算机相连接；独立型没有和计算机相连接 1 5 】。 1 2 1r f i d 技术对比以往技术的优势 以往运用较多的一种自动识别技术是条形码，但是采用条形码会有很多弊端。因为 不能删除或者更改条形码中的数据信息，并且条形码的使用寿命是一次性的，不可以再 次被回收利用。而且条形码携带的信息量小，数据密度也小，读取性能差，识别速度比 较慢，通信速度也比较低，没有保密性，环境适应性不好，由于此技术的信息载体大多 为纸，所以防潮性能不好【1 7 。另外条形码中的信息不可以被自动读取，只能利用手持式 读写器扫描读取，并且读取距离比较近 1 81 9 。 磁卡作为一种自动识别技术也被得到大量应用，但是采用此技术也有很多缺点，比 如携带的信息量比较小，只能以接触的方式进行数据读取，不能远距离进行数据读取， 识别的速度比较低，使用寿命也是比较短，没有良好的数据保密性【1 7 】。 应用r f i d 技术，可以重复性的对标签中的信息删除和写入。由于r f i d 技术的通讯 方式为无线通讯并且采用了防冲突机制，所以读写器可自动的读取远距离标签中的数据 信息，摆脱了接触式信息采集或近距离信息采集的约束。读写器可以同时识别电磁场内 多个高速运动的电子标签。此外，r f i d 技术具有极好的保密性，并且寿命也比较长。不 怕灰尘、油渍等物质的污染，具有防潮、防水、耐高温的优点1 1 9 , 2 0 】。 1 2 2r f i d 技术在国内外的应用 r f i d 技术最先兴起于上个世纪四十年代，当时主要停留在实验室研究阶段。到了上 个世纪六十年代，人们开始重视起r f i d 的理论研究，也尝试应用此技术。上个世纪七十 年代到八十年代，r f i d 技术得到了日仃所未有的发展，丌始被人们应用于商业领域和其它 各种领域。到了上个世纪九十年代，由于各国的r f i d 技术应用标准各不相同，各国之间 没有一个统一的标准，所以各国开始研究为此技术制定统一的标准。到了本世纪初，由 于国际间的交流合作加深，人们越来越重视r f i d 的标准化，各种读写器和电子标签得到 了广泛应用和大规模制造，其成本也在逐渐降低【1 7 1 。 如今，r f i d 技术和它的应用在学术界被广泛的讨论，在不同的工业部门也大规模的 实施应用该技术【2 1 1 。从医院到自动化领域，从供应商到客服，射频识别技术贯穿于一条 完整的供应链，实现了对物品的追踪管理 2 2 , 2 3 】。 该技术被欧美国家广泛应用于公路自动收费站，用以完成对经过车辆的自动收费。 采用此技术有以下优点：可以节省大量的人力；而且经过的车辆不需要停车即可自动被 收取费用，防止了车辆拥挤现象的产生。许多先进自动化生产线也应用该技术，用于自 动的收集生产线上的信息，可以为企业节省大量的人力，而且对信息的收集比较全面和 及时，实现快速反馈，大大降低了生产成本，提高了企业的生产效率。在国外应用r f i d 技术的众多案例中，最著名的案例当属沃尔玛，由于大规模的应用该技术，沃尔玛商场 节省了很大一部分成本。另外可以将r f i d 技术用于车辆防盗，在车主和车辆之间建立 对应关系，这样可以自动的验证开车者是不是车主，可以快速的寻找到被盗的车辆。 由于r f i d 技术可以在恶劣的环境下正常工作，因此，此技术可以应用于更多的领 域 2 4 ，包括应用于货物跟踪，邮政系统，公司考勤管理，动物跟踪，物品的防伪检测， 电子票证等领域【2 5 1 。在商场结账处也应用该技术，通过读取商品的价格，名称信息来完 成付款【1 9 】。由于标签体积小，质量轻，所以使用起来相当的方便【26 1 。 由于国内对该技术的研究和应用都比较晚，所以r f i d 技术在我国还没有大规模的 普及应用。由于超高频系统需要的制造成本和技术要求都比较高，再加上超高频系统也 没有统一的技术标准，所以国内应用最多的还是1 3 5 6 m h z 频率的读写器 2 7 1 。而且国内 企业的物品制造现场对此技术的应用也处于萌芽阶段【2 8 1 。但是随着中国制造业的大力发 展，r f i d 技术在中国的应用量在迅速的上升【2 9 】。 1 3 射频识别系统的结构 一般情况下，电脑通信网络、读写器和电子标签这三个部分组成一套完整的射频识 别系统。图1 1 为系统的结构图。 4 济南大学硕士学位论文 电源l 专 台邑量 日寸车中台邑量、 时乍中 射 数据输入 频 天 数据输出 射 ， 时钟控 天频 锘u 4 芋- 读 数据输入、 模 线 八夕线模模 储 块 块 数据输入 块 器 写 二一一一一一一一一一 模 数据输出 块 一一一一一一一一一数据输出、 1 7 电脑通讯网络 1 3 1 电子标签内部结构 图1 1r f i d 系统结构图 电子标签可分为有源、无源以及半无源三种【3 0 1 。其主要包括存储器、控制模块、射 频模块、天线四个部分。电子标签利用其内置天线接收或者发送射频信号，不需要消耗 太多的能量，在电压比较低的情况下可以工作【2 4 1 。电子标签两个最重要组成部分为控制 模块和射频模块，图1 2 为这两个部分的功能结构图。 图1 2 电子标签的功能结构图 ( 1 ) 射频模块结构 射频模块主要由三部分组成，分别为接收、发送、公共电路三部分。 发送部分属于射频模块的一部分。混频器、调制电路、功率放大器、带通滤波器等 这几个部分组成了发送电路【2 7 】。图1 3 为其结构图。 发送部分主要用来处理从控制部分传入的数字信号，其功能图如图1 4 所示。发送 部分处理数字信号的工作流程大体可分为以下几步： 1 ) 数字信号从控制部分的编解码电路进入到射频模块后，要经过调制电路的调制； 2 ) 信号被调制后，由混频器把这些信号提高到高频段，这一步骤叫做频谱搬移； 基于r f i d 技术的车i 司生产动态监控 3 ) 由于信号的频率不同，除了需要的高频率信号外，还存在着不需要的低频率信 号，所以要通过滤波器进行滤波，低频率信号被除掉后，保留9 1 5 m h z 高频段信号； 4 ) 因为a s k 信号所具有的功率不大，不能被正常传输，所以需要用功率放大器把 a s k 信号的功率进行放大，之后再由天线把放大后的信号发送到读写器【2 7 】。 i 一一一一一一一一一一一一一j 图1 3 电子标签发送部分结构图 高频 负上变功输 载波 悟 l 载频及 室 出 调 a s k 调 带通放调 数字 制 制信号， 滤波 夕t 制 编码 +非线性令 器信 元件 信号 口 t 亍 a s 篷反向调制 t - 频谱搬移 i l 己1 功率放大 图1 4 电子标签发送部分功能图 接收部分也属于射频模块的部分，其组成部分包括起包络检波作用的包络产生电 路，用于滤除多余频带信号的滤波器和起判决电压作用的电压判决器。图1 5 为接收部 分的结构图。 图1 5 电子标签接收部分结构图 电子标签接收部分的作用是用来调解天线接收的调制信号，把该信号转化为数字基 带信号，并送往控制部分。接收部分的电路划分和每部分的组成元件已在图1 6 中表示 出来。其具体工作流程可分为以下几步： 1 ) 天线接收的高频信号经过包络产生电路的包络检波后，由频带信号下降为基带 济南大学硕士学位论文 信号，然后再把a s k 调制信号包络提取出来； 2 ) 把信号通过带通滤波器进行滤波，去掉所有的高频载波信号，之后应用电压比 较器把信号回归为原来的信号，即数字信号。 图1 6 电子标签接收部分功能图 ( 2 ) 控制模块结构 控制部分由起控制作用的c p u ，编解码电路和用来储存数据的e e p r o m 等部分组 成。图1 7 为控制部分的结构图。 过一一蠹每面i匝至互h 蓑 卜医匦群詈 1 3 2 读写器内部模块划分 一一j 图1 7 控制部分结构图 读写器可以读取标签中的信息并送入应用软件或者把应用软件中的数据写入电子 标签。具体来说，可对计算机发出的命令和数据进行加密、调制，然后通过天线把调制 好的信号发给电子标签；也可以把从电子标签获取的数据解密、解调之后传送到应用软 件中。一般读写器可由读写模块、射频模块和天线三个模块组成，此外还包括与p c 机相 连接的r s 2 3 2 接口或者其它接口，这些接口用于读写器和p c 机之间的通信【1 3 3 。 射频模块：此模块也被叫做高频接口，有以下几个方面的作用：一是向外发射高频 信号，电子标签从这些信号中获耿能量后可启动；二是产生射频载波并经天线发射出去； 三是对从电子标签处获得的载波信号进行调解，再把调解之后的信号送入读写模块 1 7 , 2 4 】。 基于r f i d 技术的车间生产动态监控 读写模块：此模块也被称作控制系统，可实现的功能主要有：对射频模块传入的信 号进行解码，并把解码后的信号通过r s 2 3 2 或其它接口传入上层应用软件；也可对从上 层应用软件传入的信号进行编码，之后再发送到射频模块【1 7 】。 1 4r f i d 系统工作流程 r f i d 的工作流程分为以下几个步骤： ( 1 ) 读写器中的发射天线不断的发射球形电载波信号。 ( 2 ) 进入该射频信号区域的电子标签接收到信号并对之进行调制，根据调制之后的 命令结果，将信息储存起来或者向外部发送信号。其中有源电子标签工作所需的能量靠 自身提供，无源电子标签靠感应电流获取自身工作所需的能量 3 1 , 3 2 】。 ( 3 ) 读写器通过接收天线接收电子标签发射的信号，经过调节器把信号传送到读写 器；这些信号经过读写器的解调和解码后，经串口传到后台应用系统 3 3 , 3 4 】。 ( 4 ) 信息进入应用系统后，通过逻辑运算程序对信息进行判断，得出标签是否合法， 之后根据判断结果向读写器发出不同的指令信息。 ( 5 ) 这些不同的监控点可以通过通讯网络连在一起，形成一个总的信息监控平台。 依据具体的应用来编写程序软件，实现不同的功能需求。 1 5 本章小结 本章首先对选题的背景、意义和目的做了简单介绍，然后介绍了r f i d 技术的概念， 对比以往技术的优势，发展进程以及在国内外的应用。另外，还对射频识别系统的结构 做了分析，绘制出了电子标签的结构框图和结构图，最后描述了射频识别系统的工作流 程，对射频识别系统的分类做了简单的描述。 济南大学硕士学位论文 第二章车间动态监控系统设计 车间动态监控系统的设计是本文进行所有工作的前提。只有提出系统的方案设计， 才能确定构建该系统所需要的硬件和软件；通过对企业的需求分析又可确定该系统需要 实现的功能，进而确定动态监控系统平台的各个模块的划分情况以及各个模块的内容。 2 1 系统方案设计 2 1 1 系统总方案 本课题采用r f i d 数据采集模块结合m e s 系统应用软件的管理方案。系统主要包 括数据采集模块、后台应用软件模块、标签写入模块。 首先，要确定各种设备在车间的安装连接方案。该系统应用在车间的总安装方案如 图2 1 所示。在车间的各个工位处安装一个读写器，各个读写器通过串口与计算机连接。 计算机内部安装有控制读写器采集标签中信息的控制软件，控制软件可以发出各种不同 的命令，包括读卡、写卡命令。读写器接到命令后根据命令的不同进行读卡或写卡操作。 硬件接口把读写器读取到的标签信息传送到后台应用软件的数据库中，后台软件中的数 据库通过分布式数据库网络接口交换数据，采集到的数据供e r p 系统应用j 计算机1 r s 2 3 2 串口 读写器1 由千烁煞一 由z 士；! 盔点一 电子标签 舌卜算机2 r s 2 3 2 串口 读写器2 e 臣三至j 盂签一。 二d b 三乙士；盔蔓上 电子标签 计算机3 r s 2 3 2 串口 读写器3 二二二二 ：二：一_ 由圣艋煞 “1 一暨焉鼻藕 图2 1 动态监控系统总方案 在生产加工前要向每个标签写入一个物料编码，首先把所需物料的数据信息存储在 后台数据库中，然后通过读写器的写标签功能写入标签。由于读写器只能识另j j - - 进制数 据，所以在向数据库录入信息之前要先进行物料的编码。对物品编号时，首先要制定一 基于i 心i d 技术的车l 司生产动态监控 个编号规则，再结合用户自定义的信息。用户自定义的信息包括产品代码，物料代码和 标签代码。例如某一个标签的编号为二进制数“1 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1 ”，其中前五位数据“1 0 1 0 0 ” 为产品代码，从6 位到8 位这三位数据“0 0 1 ”为物料代码，从9 位到1 2 位这四位数0 0 0 1 ” 代表了标签号，这个完整的编号就是某个物料的编号。 数据采集模块的主要功能是通过读写