如何進(jìn)行面向紡織MES系統的RFID嵌入式數據采集終端設計？

將射頻識別(RFID)技術(shù)與ARM嵌入式處理器相結合應用于企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程數據采集及企業(yè)生產(chǎn)管理信息的獲取，可以有效地解決目前生產(chǎn)領(lǐng)域遇到的上述問(wèn)題。本文設計給出了面向紡織服裝企業(yè)生產(chǎn)制造執行系統的網(wǎng)絡(luò )架構，并在此之上介紹一種基于A(yíng)RM Cortex-M處理器、通用無(wú)線(xiàn)射頻識別數據采集終端的設計和實(shí)現。

現今全球紡織服裝行業(yè)市場(chǎng)競爭日益激烈，信息化戰略已成為紡織服裝制造企業(yè)提升市場(chǎng)競爭能力的重要發(fā)展戰略之一。紡織服裝業(yè)作為我國制造業(yè)的重要組成，在我國“制造業(yè)信息化工程”的背景下，已被國家列為信息化技術(shù)改革的重點(diǎn)行業(yè)。隨著(zhù)中國加入WTO和經(jīng)濟全球化，我國在成為世界制造業(yè)中心的同時(shí)也面臨前所未有的機遇和挑戰。以信息化帶動(dòng)工業(yè)化，迅速提高企業(yè)的核心競爭力，是現今紡織服裝企業(yè)急需解決的重要問(wèn)題。

要實(shí)現企業(yè)信息化，尤其是生產(chǎn)過(guò)程和企業(yè)管理信息化，首先要解決的問(wèn)題就是來(lái)自生產(chǎn)過(guò)程和企業(yè)管理中的大量數據信息的獲取和傳輸。只有快捷、準確、方便地采集這些大量底層數據，才能實(shí)現對生產(chǎn)過(guò)程、物流管理、生產(chǎn)計劃、調度和質(zhì)量等的監測與控制。因此，生產(chǎn)信息的數據采集與集成將是企業(yè)信息化工程的關(guān)鍵所在，在企業(yè)信息化的不斷深入過(guò)程中，將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。在紡織企業(yè)傳統生產(chǎn)過(guò)程中，底層生產(chǎn)數據大多是依賴(lài)人工進(jìn)行記錄來(lái)獲取的，盡管操作方法繁冗，生產(chǎn)數據記錄滯后，無(wú)法實(shí)現實(shí)時(shí)監控和統計，數據可靠性差，效率較低，但目前仍有不少企業(yè)在采用這一傳統方法。在一些設備較為先進(jìn)的企業(yè)里，生產(chǎn)數據采集已由電子系統自動(dòng)獲取逐步代替了人工記錄，但數據采集終端設備大都采用單片機、串口通信、工控機的模式實(shí)現數據采集與控制。這些終端單元具有分散性、獨立性，通信距離短，不便于系統的集中管理等缺點(diǎn)。

將射頻識別(RFID)技術(shù)與ARM嵌入式處理器相結合應用于企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程數據采集及企業(yè)生產(chǎn)管理信息的獲取，可以有效地解決目前生產(chǎn)領(lǐng)域遇到的上述問(wèn)題。本文設計給出了面向紡織服裝企業(yè)生產(chǎn)制造執行系統的網(wǎng)絡(luò )架構，并在此之上介紹一種基于A(yíng)RM Cortex-M處理器、通用無(wú)線(xiàn)射頻識別數據采集終端的設計和實(shí)現。

1 RFID技術(shù)原理及系統組成

RFID是射頻識別技術(shù)的英文所寫(xiě)，又稱(chēng)電子標簽，是一項利用射頻信號通過(guò)空間交變電磁場(chǎng)耦合實(shí)現無(wú)接觸信息傳遞并通過(guò)所傳遞信息達到識別目的的技術(shù)。在射頻識別系統應用中，射頻標簽附著(zhù)在被識別的物體上，其一旦進(jìn)入射頻讀卡器的讀寫(xiě)范圍，內部數據信息就可按約定方式與射頻讀卡器進(jìn)行通信，從而完成自動(dòng)獲取物品標志信息的功能。

一個(gè)典型的射頻識別系統是由射頻標簽(也稱(chēng)射頻卡、電子標簽或應答器)、射頻讀寫(xiě)器(PCD)2個(gè)部分組成，如圖1所示。

圖1 典型無(wú)源RFID系統

射頻標簽是內含天線(xiàn)的存儲控制芯片，內存有能夠識別目標的信息。讀寫(xiě)器由控制單元、發(fā)送器和接收器3個(gè)部分構成，主要負責與射頻標簽之間能量的傳遞，數據的加密/解密，信號的編碼/解碼，以及與上位機的通信。

2 基于RFID的生產(chǎn)制造執行系統架構的設計

制造執行系統(Manufacturing ExecuTIon System，簡(jiǎn)稱(chēng)MES)是近年來(lái)興起的一項制造管理技術(shù)，屬于制造業(yè)信息化領(lǐng)域。它是將位于企業(yè)上層的ERP系統與底層設備自動(dòng)控制系統結合在一起的中間管理系統。一方面，MES可以對來(lái)自ERP的生產(chǎn)管理信息進(jìn)行細化、分解，通過(guò)更為精確，更為優(yōu)化的制造指令，將計劃層的操作意圖傳遞給底層設備自動(dòng)控制系統;另一方面，MES可以實(shí)現生產(chǎn)制造數據的自動(dòng)化采集及實(shí)時(shí)監控底層設備的運行狀態(tài)，從而加強計劃管理層與底層控制之間的溝通。

紡織企業(yè)使用MES通常需要設計原材料管理、在制品管理、操作工管理、生產(chǎn)設備管理等多個(gè)對象，而且管理量非常巨大，尤其是在制品的管理，僅此1項每天就涉及幾萬(wàn)件甚至十幾萬(wàn)件。采用RFID技術(shù)可以用非接觸式的方式跟蹤在制品的實(shí)時(shí)分布情況，產(chǎn)品的追溯以及標識身份認證均可通過(guò)RFID解決。由于MES 系統及其數據信息對于一個(gè)企業(yè)來(lái)講是舉足輕重的，所有生產(chǎn)現場(chǎng)相關(guān)數據都是通過(guò)MES的數據采集系統實(shí)現的，數據的實(shí)耐性和準確性是該部分的核心要求。因此，其框架結構的設計最根本的要求是實(shí)時(shí)性、穩定性、可靠性和復用性等，采用獨立的網(wǎng)絡(luò )架構是可靠的選擇。

在充分考慮紡織企業(yè)生產(chǎn)制造流程、年度生產(chǎn)計劃、物料需求計劃、產(chǎn)品銷(xiāo)售狀況等因素的基礎上，根據企業(yè)的生產(chǎn)特點(diǎn)及存在的問(wèn)題，將系統在物理層面上劃分為3個(gè)部分，即現場(chǎng)實(shí)時(shí)數據采集、現場(chǎng)數據管理和控制、企業(yè)生產(chǎn)管理及數據庫系統，其物理設計框架結構如圖2所示。

圖2 基于RFID的生產(chǎn)制造執行系統物理架構

整個(gè)MES系統中采用3層Client/Server網(wǎng)絡(luò )結構，數據庫集成在企業(yè)級專(zhuān)用服務(wù)器，并分為現場(chǎng)生產(chǎn)數據庫和生產(chǎn)管理數據庫?，F場(chǎng)生產(chǎn)數據庫提供整個(gè)系統的核心數據，這些數據由數據采集終端根據實(shí)際情況實(shí)時(shí)更新，生產(chǎn)管理數據庫中的數據統計與分析以生產(chǎn)現場(chǎng)數據庫為基礎。數據采集終端負責生產(chǎn)數據的實(shí)時(shí)采集和生產(chǎn)計劃任務(wù)示;實(shí)時(shí)數據通信程序負責與數據采集模塊進(jìn)行交互數據通信，完成對采集到的生產(chǎn)數據分析和生成數據采集終端的操作界面，并與生產(chǎn)管理控制部分進(jìn)行通信獲取生產(chǎn)計劃數據及控制信息。數據采集服務(wù)器直接與各種終端設備相連，用于控制RFID讀寫(xiě)設備按照預定的方式工作，保證不同的設備之間能很好地協(xié)調配合，還能按照一定的規則過(guò)濾數據，篩除冗余數據，將真正有效的數據傳送至后臺的信息系統。生產(chǎn)管理服務(wù)器則集中管理所有的數據采集服務(wù)器，處理各種RFID事件和信息交換，實(shí)時(shí)工作流管理，與各種現有應用系統進(jìn)行很好的集成，用戶(hù)可以圍繞這些數據進(jìn)行業(yè)務(wù)流程的創(chuàng )新和新的應用。

3 嵌入式數據采集終端的硬件設計

數據采集終端硬件采用模塊化設計，整體結構由嵌入式處理器、RFID射頻識別、RFID天線(xiàn)、通信接口、以太網(wǎng)絡(luò )接口、人機交互、JTAG系統調試、電源、復位等單元電路構成，其硬件系統整體結構如圖3所示。