現(xiàn)代工廠中基于RFID技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)

　　引言 

　　隨著全球一體化、工業(yè)自動(dòng)化和信息化進(jìn)程的不斷深入，客戶對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量要求越來(lái)越高，對(duì)產(chǎn)品的生產(chǎn)周期要求是越來(lái)越短。而現(xiàn)有的條形碼技術(shù)由于其本身的特性和應(yīng)用的局限性已不能滿足現(xiàn)代工廠的需要。而RFID技術(shù)的出現(xiàn)和應(yīng)用發(fā)展．以及物聯(lián)網(wǎng)的組建則可實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)代工廠內(nèi)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的信息整合，同時(shí)可優(yōu)化內(nèi)部物流供應(yīng)和流通流程。提高工廠內(nèi)的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，進(jìn)而提高整個(gè)企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。一個(gè)良好的基于RFID應(yīng)用架構(gòu)的系統(tǒng)可以較好的幫助工廠達(dá)到這些目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)高效高質(zhì)量的產(chǎn)品出貨。 

　　1 物聯(lián)網(wǎng)及其組成 

　　1．1 物聯(lián)網(wǎng)的由來(lái) 

　　如互聯(lián)網(wǎng)可以把世界上不同角落的人緊密地聯(lián)系在一起一樣，采用RFID技術(shù)(一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù))的Intemet也可以把世界上所有物品聯(lián)系在一起。而且彼此之間可以互相“交流”，從而組成一個(gè)全球性實(shí)物相互聯(lián)系的“物聯(lián)網(wǎng)”。

　　1．2 物聯(lián)網(wǎng)的組成 

　　典型的物聯(lián)網(wǎng)由三大部分組成。即RFID系統(tǒng)、中間件Savant系統(tǒng)和Intemet系統(tǒng)。其中典型的RFID系統(tǒng)包括RFID電子標(biāo)簽(tag)、閱讀器(Reader)以及數(shù)據(jù)交換和管理系統(tǒng)軟件；中間件Savant系統(tǒng)由Savant服務(wù)器，ONS服務(wù)器，和PML(Physical Markup Language)服務(wù)器及相應(yīng)的數(shù)據(jù)軟件等組成；Intemet系統(tǒng)通常由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器等組成。 

　　1．3 RnD系統(tǒng)原理 

　　RFID fRadio Frequency Identification)是一種高級(jí)的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，利用它通過(guò)無(wú)線射頻方式進(jìn)行非接觸式的全雙工數(shù)據(jù)通信．以對(duì)實(shí)物目標(biāo)加以識(shí)別RFID標(biāo)簽(Tag)由芯片和天線(Antenna)組成，每個(gè)標(biāo)簽具有唯一的產(chǎn)品電子碼。 

　　該產(chǎn)品電子碼EPC (Electronic Product Code1是Auto—ID為每個(gè)物理目標(biāo)分配的唯一的可查詢的標(biāo)識(shí)碼，其內(nèi)含的一串?dāng)?shù)字可代表產(chǎn)品類別和制造商、生產(chǎn)日期和地點(diǎn)、有效日期、應(yīng)運(yùn)往何地等信息。同時(shí)，隨著產(chǎn)品在工廠內(nèi)的轉(zhuǎn)移或變化，這些數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)更新。通常，EPC碼可存入硅芯片做成的電子標(biāo)簽內(nèi)，并附在被標(biāo)識(shí)產(chǎn)品上，以被高層的信息處理軟件識(shí)別、傳遞和查詢。進(jìn)而在互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上形成專為供應(yīng)鏈企業(yè)服務(wù)的各種信息服務(wù)?，F(xiàn)已有3種格式的EPC嗎．但目前在性能和成本之間達(dá)到最佳的是96位的EPC碼。該EPC碼的格式如下：

　　系統(tǒng)中的RFID閱讀器(Reader)可控制射頻模塊向電子標(biāo)簽發(fā)射讀取信號(hào)，并接收標(biāo)簽的應(yīng)答信號(hào)，同時(shí)可對(duì)電子標(biāo)簽的對(duì)象標(biāo)識(shí)信息進(jìn)行解碼，從而將對(duì)象標(biāo)識(shí)信息連帶電子標(biāo)簽上的其它相關(guān)信息傳輸?shù)絊avant系統(tǒng)以供處理。通常其工作頻段和電子標(biāo)簽上頻率的一致的RFID系統(tǒng)在工作時(shí)，先由閱讀器通過(guò)天線發(fā)送一定頻率的射頻信號(hào)，當(dāng)RFID標(biāo)簽進(jìn)入閱讀器的工作場(chǎng)時(shí)，其天線產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而使RFID標(biāo)簽獲得能量被激活并向閱讀器發(fā)送自身的編碼等EPC信息；圖閱讀器在接收到來(lái)自電子標(biāo)簽的載波信息，并對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行解調(diào)和解碼后，會(huì)將其信息送至計(jì)算機(jī)中的中間件Savant系統(tǒng)軟件進(jìn)行處理，RFID數(shù)據(jù)交換和系統(tǒng)管理軟件主要包括介于閱讀器和工廠計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)之間的中間件(Midwares1 Savant系統(tǒng)。 

　　1．4 物聯(lián)網(wǎng)的中間件系統(tǒng)及其用途 

　　Savant是處在閱讀器和計(jì)算機(jī)Internet之間的一種中問件系統(tǒng)。該中間件可為企業(yè)應(yīng)用提供一系列計(jì)算和數(shù)據(jù)處理功能。該中間件在產(chǎn)品電子碼EPC規(guī)范中被稱為Savant．其主要任務(wù)是對(duì)閱讀器讀取的標(biāo)簽數(shù)據(jù)進(jìn)行捕獲、過(guò)濾、匯集、計(jì)算，數(shù)據(jù)校對(duì)、解調(diào)、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和任務(wù)管理，減少?gòu)拈喿x器傳往工廠應(yīng)用的數(shù)據(jù)量。同時(shí)，Savant還可提供與其他RFID支撐軟件系統(tǒng)進(jìn)行互操作的功能。此外，Savant還定義了閱讀器和應(yīng)用兩個(gè)接口。

　　ONS服務(wù)器是聯(lián)系前臺(tái)Savant軟件和后臺(tái)PML服務(wù)器f一種簡(jiǎn)單的Web服務(wù)器，可用PML語(yǔ)言描述與提供某對(duì)象的相關(guān)信息1的網(wǎng)絡(luò)樞紐。ONS設(shè)計(jì)與架構(gòu)都以Internet域名解析服務(wù)DNS為基礎(chǔ)。通常，對(duì)象名解析服務(wù)器處理的請(qǐng)求要多于Internet上的DNS的請(qǐng)求．因而工廠內(nèi)要在局域網(wǎng)中有一臺(tái)存取信息速度比較快的ONS緩沖存儲(chǔ)器。ONS的作用是把Savant 1人存儲(chǔ)該產(chǎn)品信息的企業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)。通常ONS架構(gòu)應(yīng)為分層分布式，并應(yīng)具有易緩存性、冗余性和可擴(kuò)展性。

　　2 現(xiàn)代工廠內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)的基本架構(gòu) 

　　圖1給出了現(xiàn)代工廠內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的基本構(gòu)架。由圖1可見，該應(yīng)用系統(tǒng)由三大部分組成，系統(tǒng)中的RFID閱讀器(Reader)可控制射頻模塊向電子標(biāo)簽發(fā)射讀取信號(hào)，并接收標(biāo)簽的應(yīng)答信號(hào)，同時(shí)可對(duì)電子標(biāo)簽的對(duì)象標(biāo)識(shí)信息進(jìn)行解碼，從而將對(duì)象標(biāo)識(shí)信息連帶電子標(biāo)簽上的其它相關(guān)信息傳輸?shù)絊avant系統(tǒng)以供處理。通常其工作頻段和電子標(biāo)簽上頻率的一致的RFID系統(tǒng)在工作時(shí)，先由閱讀器通過(guò)天線發(fā)送一定頻率的射頻信號(hào)，當(dāng)RFID標(biāo)簽進(jìn)入閱讀器的工作場(chǎng)時(shí)，其天線產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而使RFID標(biāo)簽獲得能量被激活并向閱讀器發(fā)送自身的編碼等EPC信息；圖閱讀器在接收到來(lái)自電子標(biāo)簽的載波信息，并對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行解調(diào)和解碼后，會(huì)將其信息送至計(jì)算機(jī)中的中間件Savant系統(tǒng)軟件進(jìn)行處理，RFID數(shù)據(jù)交換和系統(tǒng)管理軟件主要包括介于閱讀器和工廠計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)之間的中間件(Midwares1 Savant系統(tǒng)。

　　1．4 物聯(lián)網(wǎng)的中間件系統(tǒng)及其用途 

　　Savant是處在閱讀器和計(jì)算機(jī)Internet之間的一種中問件系統(tǒng)。該中間件可為企業(yè)應(yīng)用提供一系列計(jì)算和數(shù)據(jù)處理功能。該中間件在產(chǎn)品電子碼EPC規(guī)范中被稱為Savant．其主要任務(wù)是對(duì)閱讀器讀取的標(biāo)簽數(shù)據(jù)進(jìn)行捕獲、過(guò)濾、匯集、計(jì)算，數(shù)據(jù)校對(duì)、解調(diào)、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和任務(wù)管理，減少?gòu)拈喿x器傳往工廠應(yīng)用的數(shù)據(jù)量。同時(shí)，Savant還可提供與其他RFID支撐軟件系統(tǒng)進(jìn)行互操作的功能。此外，Savant還定義了閱讀器和應(yīng)用兩個(gè)接口。

　　ONS服務(wù)器是聯(lián)系前臺(tái)Savant軟件和后臺(tái)PML服務(wù)器f一種簡(jiǎn)單的Web服務(wù)器，可用PML語(yǔ)言描述與提供某對(duì)象的相關(guān)信息1的網(wǎng)絡(luò)樞紐。ONS設(shè)計(jì)與架構(gòu)都以Internet域名解析服務(wù)DNS為基礎(chǔ)。通常，對(duì)象名解析服務(wù)器處理的請(qǐng)求要多于Internet上的DNS的請(qǐng)求．因而工廠內(nèi)要在局域網(wǎng)中有一臺(tái)存取信息速度比較快的ONS緩沖存儲(chǔ)器。ONS的作用是把Savant 1人存儲(chǔ)該產(chǎn)品信息的企業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)。通常ONS架構(gòu)應(yīng)為分層分布式，并應(yīng)具有易緩存性、冗余性和可擴(kuò)展性。

　　2 現(xiàn)代工廠內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)的基本架構(gòu) 

　　圖1給出了現(xiàn)代工廠內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的基本構(gòu)架。由圖1可見，該應(yīng)用系統(tǒng)由三大部分組成即RFID硬件系統(tǒng)(包含Tags和Reader)、Savant中間件系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)Internet系統(tǒng)。其中Tag貼于每件產(chǎn)品上，所使用的Reader為手持式．可靈活應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際；Savant中間件系統(tǒng)含有EPC Infor— marion Service，PML以及ONS及其緩存系統(tǒng)．其后端應(yīng)用數(shù)據(jù)庫(kù)軟件系統(tǒng)還包含ERP系統(tǒng)等．這些都與計(jì)算機(jī)Internet相連，故可及時(shí)有效地跟蹤、查詢、修改或增減數(shù)據(jù)。

圖1 現(xiàn)代工廠內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)的基本構(gòu)架

　　3 物聯(lián)網(wǎng)原理分析 

　　在實(shí)物互聯(lián)網(wǎng)中，當(dāng)產(chǎn)品在某個(gè)工段生產(chǎn)完成并貼上存儲(chǔ)有EPC標(biāo)識(shí)的RFID標(biāo)簽(Tags)后，在產(chǎn)品的整個(gè)生命周期中，該EPC代碼將成為該產(chǎn)品的唯一標(biāo)識(shí)，以此EPC編碼為索引能實(shí)時(shí)的在RFID系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中查詢和更新產(chǎn)品相關(guān)信息．也能以此為依據(jù)．在車問內(nèi)各個(gè)流通環(huán)節(jié)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行定位和定時(shí)追蹤。 

　　車間內(nèi)每一道工序(即每條生產(chǎn)線前1都應(yīng)設(shè)有一個(gè)閱讀器．并配備相應(yīng)的Savant中間系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)Internet系統(tǒng)。這樣，在半成品的裝配，加工．轉(zhuǎn)運(yùn)．以及成品的裝配和再加工、轉(zhuǎn)運(yùn)和包裝過(guò)程中．當(dāng)產(chǎn)品流通到某個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的閱讀器前時(shí)．閱讀器在有效的讀取范圍內(nèi)就會(huì)監(jiān)測(cè)到標(biāo)簽的存在．因?yàn)殚喿x器可以不斷的讀取一連串的產(chǎn)品電子碼fEPC1。某一個(gè)局部物聯(lián)網(wǎng)環(huán)節(jié)的具體工作流程如下： 

　　(1)RFID閱讀器從含有一個(gè)EPC或一系列 EPC的標(biāo)簽上讀取產(chǎn)品電子碼： 

　　(2)RFID閱讀器將讀取的產(chǎn)品電子碼送到Sa— vant中間件系統(tǒng)中進(jìn)行處理： 

　　(3)當(dāng)讀取的數(shù)據(jù)量較大而Savant中問件系統(tǒng)處理不及時(shí)時(shí)，可應(yīng)用ONS Cache來(lái)儲(chǔ)存部分讀取信息；

　　(4)Savant系統(tǒng)以該EPC數(shù)據(jù)為信息源，在本地ONS／]I~務(wù)器獲取包含該產(chǎn)品信息的EPC信息服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)地址； 

　　(5)Savant根據(jù)該地址查詢EPC信息(EPCIS)服務(wù)器。以獲得產(chǎn)品的特定信息，然后進(jìn)行必要的處理后。同時(shí)觸發(fā)后端應(yīng)用系統(tǒng)以作更深層的處理或計(jì)算； 

　　(6)由本地EPC信息服務(wù)器和源EPC信息服務(wù)器對(duì)本次閱讀器的記錄進(jìn)行讀取并修改相應(yīng)的數(shù)據(jù)； 

　　(7)本地ONS不能查閱到EPC編碼所對(duì)應(yīng)的EPC信息服務(wù)器地址時(shí)。向遠(yuǎn)程ONS發(fā)送解析請(qǐng)求。 

　　(8)將EPC數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)Savant系統(tǒng)處理后，傳送到Intemet。 

　　4 工廠物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)，在工廠內(nèi)設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)： 

　　(1)從一個(gè)閱讀器發(fā)出的信號(hào)可能與另一個(gè)覆蓋范圍重疊的閱讀器發(fā)出的信號(hào)互相干擾，這種現(xiàn)象叫做閱讀器沖突。通過(guò)Auto—ID中心并利用一種叫做時(shí)分多址(TDMA)的機(jī)制可避免沖突。簡(jiǎn)而言之。就是閱讀器被指示在不同時(shí)段讀取信息。而不是在同一時(shí)刻都試圖讀取信息，這樣。就可保證它們不會(huì)互相干擾。但是，這意味著處于兩個(gè)閱讀器重疊區(qū)域的任何一個(gè)RFID標(biāo)簽都將被讀取兩次信息。為此設(shè)計(jì)時(shí)需開發(fā)一套刪除冗余信息的系統(tǒng)。 

　　(2)通常來(lái)講，高頻率的標(biāo)簽有更大的讀取距離．但是它需要對(duì)應(yīng)工作頻段的閱讀器能輸出更大的電磁波能量。鑒于各頻段特性。本設(shè)計(jì)選擇900 MHz左右的高頻段。 

　　(3)RFID標(biāo)簽在物流領(lǐng)域?qū)a(chǎn)生大量的EPC數(shù)據(jù)。閱讀器每秒讀取電子標(biāo)簽的遍歷也應(yīng)定義．各RFID系統(tǒng)或局部物聯(lián)網(wǎng)在車間內(nèi)聯(lián)成一個(gè)局域網(wǎng)時(shí)。還應(yīng)考慮數(shù)據(jù)流的暢通性問題。 

　　5 結(jié)束語(yǔ) 

　　本文主要結(jié)合RFID技術(shù)。并應(yīng)用現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)來(lái)對(duì)新興的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行了一種構(gòu)架設(shè)想。同時(shí)解釋了該系統(tǒng)中的相關(guān)部件并簡(jiǎn)要分析了其工作原理。進(jìn)而闡述了其優(yōu)劣性以及下一步要進(jìn)行的改進(jìn)工作。