凌 翔，張 昱

（1.廣東省自動化研究所，廣州 510070；2.廣東省現(xiàn)代控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510070；3.廣東省現(xiàn)代控制與光機(jī)電技術(shù)公共實(shí)驗(yàn)室，廣州 510070）

0 引言

當(dāng)前，塑料制品已廣泛應(yīng)用到社會生產(chǎn)和生活的各個(gè)方面，而注塑機(jī)是批量生產(chǎn)各種塑料制品的主要設(shè)備。一個(gè)上規(guī)模的塑料制品生產(chǎn)企業(yè)需要幾十到數(shù)百臺注塑機(jī)不等，其中租賃作為一種常見的設(shè)備運(yùn)營方式，以轉(zhuǎn)讓注塑機(jī)的使用權(quán)為主要特征，在市場中占有一定的份額。企業(yè)用于租賃的資產(chǎn)一般數(shù)量多，流動性大，分布面也比較廣，如何在一定的范圍內(nèi)對屬于本企業(yè)的租賃注塑機(jī)提供及時(shí)有效的服務(wù)，這是企業(yè)面對的難題。

同時(shí)，一旦注塑機(jī)借出，其在生產(chǎn)現(xiàn)場呈分散式布置。分布廣泛性的特性使得企業(yè)很難對各臺機(jī)器的使用狀況進(jìn)行跟蹤和監(jiān)控，而往往資產(chǎn)流向又恰好是企業(yè)最為關(guān)心的內(nèi)容。注塑機(jī)設(shè)備隨著借出和歸還操作不斷在使用者和企業(yè)之間來回流動，企業(yè)要求租賃者歸還的資產(chǎn)不能有假冒偽劣替代資產(chǎn)等情況的出現(xiàn)。這就需要一種手段來對資產(chǎn)的合法性進(jìn)行標(biāo)識，并且這種標(biāo)識必須是不可復(fù)制和篡改的。

因此，為了滿足對注塑機(jī)異地跟蹤定位需求，企業(yè)亟需建立一個(gè)跟蹤服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，利用一種有效的資產(chǎn)認(rèn)證方式來監(jiān)管注塑機(jī)的流動狀況，防止偽劣替代資產(chǎn)的流入造成企業(yè)資產(chǎn)的損失。本文考慮基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，依托光載無線通信，以有源電子標(biāo)簽作為注塑機(jī)的身份標(biāo)識實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)現(xiàn)場注塑機(jī)的定位跟蹤。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

在現(xiàn)行的資產(chǎn)定位跟蹤管理方案中，主要是采用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、條形碼等技術(shù)相結(jié)合對物品進(jìn)行跟蹤定位[1]。雖然這種方案能較好地實(shí)現(xiàn)物品定位和標(biāo)識的功能，但在防止低劣替代資產(chǎn)流入及脫機(jī)信息存儲等方面仍不能滿足實(shí)際要求。

射頻識別（Radio Frequency Identification, RFID）技術(shù)的普及為定位跟蹤人員運(yùn)動軌跡和物體活動軌跡提供了一種解決方案[2～4]，其通過對實(shí)體對象（包括零售商品、物流單元、集裝箱、貨運(yùn)包裝、生產(chǎn)零部件等）的唯一有效識別，依據(jù)讀寫器與安裝在物體上的標(biāo)簽之間射頻通信的信號強(qiáng)度來測量物品的空間位置。目前無線射頻識別產(chǎn)業(yè)主要集中在技術(shù)應(yīng)用較為成熟的歐美市場。飛利浦、西門子、ST等半導(dǎo)體廠商基本壟斷RFID芯片市場；IBM、HP、Sybase等國際巨頭搶占了中間件和系統(tǒng)集成的有利位置；Alien、Intermec等公司則提供RFID標(biāo)簽、天線、讀寫器等產(chǎn)品和設(shè)備[5～6]。相較于歐美等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)，我國在RFID產(chǎn)業(yè)上的發(fā)展還較為落后，未形成成熟的RFID產(chǎn)業(yè)鏈。不過相對于中間件和后臺軟件的薄弱，系統(tǒng)集成環(huán)節(jié)還是發(fā)展較為迅速的。

針對自然界的野生動物定位跟蹤識別是當(dāng)前射頻識別定位跟蹤技術(shù)的一個(gè)成熟案例[7]。在動物身上安裝電子標(biāo)簽并錄入該動物的唯一身份ID信息，一旦動物進(jìn)入RFID讀寫器的識別范圍，其數(shù)據(jù)信息將會被自動識別出來。同時(shí)，閱讀器將數(shù)據(jù)傳輸給遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)服務(wù)器，上層的信息管理系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)對動物的跟蹤。

2 系統(tǒng)總體方案

本系統(tǒng)采取研究開發(fā)與行業(yè)應(yīng)用相結(jié)合的方式，把先進(jìn)的技術(shù)與行業(yè)、企業(yè)的實(shí)際需求緊密結(jié)合。以先進(jìn)性和實(shí)用性為出發(fā)點(diǎn)，來切實(shí)解決企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)作管理中的實(shí)際問題。本系統(tǒng)針對注塑機(jī)廠家及出租方對于生產(chǎn)現(xiàn)場的注塑機(jī)設(shè)備實(shí)時(shí)定位跟蹤的需求，以有源電子定位標(biāo)簽作為資產(chǎn)的唯一身份標(biāo)識，將其安裝在需要跟蹤的注塑機(jī)機(jī)體上。同時(shí)，在生產(chǎn)現(xiàn)場和監(jiān)控點(diǎn)部署用于目標(biāo)識別和數(shù)據(jù)采集的RFID閱讀器設(shè)備，來自動采集設(shè)備資產(chǎn)攜帶的標(biāo)簽信息。依托光載無線通信技術(shù)，通過光纖傳輸將采集的數(shù)據(jù)傳給出租企業(yè)方的后臺數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，從而使得出租企業(yè)方在任何可以上網(wǎng)的地方能隨時(shí)定位跟蹤注塑機(jī)的位置，有效防止資產(chǎn)的流失。

2.1 系統(tǒng)功能體系

整個(gè)系統(tǒng)的功能體系共分為三層，其組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能體系層次圖

1）數(shù)據(jù)采集層

數(shù)據(jù)采集層主要負(fù)責(zé)采集安裝于生產(chǎn)現(xiàn)場注塑機(jī)設(shè)備上的電子標(biāo)簽信息，并將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)由數(shù)據(jù)傳輸層傳輸給遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫服務(wù)器進(jìn)行存儲。其中，數(shù)據(jù)信息分為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)動態(tài)數(shù)據(jù)?；A(chǔ)數(shù)據(jù)是每臺注塑機(jī)設(shè)備的身份標(biāo)識，如設(shè)備型號、性能參數(shù)、生產(chǎn)廠商等；實(shí)時(shí)動態(tài)數(shù)據(jù)即指標(biāo)簽發(fā)出的空間位置信息。

2）數(shù)據(jù)傳輸層

數(shù)據(jù)傳輸層是用來實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的傳輸與存儲?？紤]到出租方企業(yè)處于異地，生產(chǎn)現(xiàn)場的環(huán)境惡劣，故通過光載無線交換機(jī)來組建物聯(lián)網(wǎng)信息傳輸平臺。采集的數(shù)據(jù)經(jīng)由光載無線交換機(jī)天線和光纖，傳輸給遠(yuǎn)程的后臺數(shù)據(jù)庫服務(wù)器系統(tǒng)。

3）管理服務(wù)層

管理服務(wù)層是生產(chǎn)現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)的最終使用者，其以豐富的形式呈現(xiàn)信息并提供人機(jī)友好交互操作界面。對于操作過程比較復(fù)雜的客戶端采用胖客戶端應(yīng)用；而對于主要以瀏覽查詢?yōu)橹鞯膽?yīng)用要求豐富的信息表現(xiàn)形式，可以采用基于IE瀏覽器的瘦客戶端方式實(shí)現(xiàn)。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)部署

根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場實(shí)際空間情況及注塑機(jī)設(shè)備數(shù)量，將RFID閱讀器部署在合適的位置，保證其覆蓋整個(gè)監(jiān)控空間。同時(shí)，將定位標(biāo)簽安裝在注塑機(jī)設(shè)備的合適位置，并把當(dāng)前設(shè)備的唯一身份標(biāo)識信息錄入到電子標(biāo)簽內(nèi)存儲。整個(gè)系統(tǒng)的架構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 注塑機(jī)定位跟蹤系統(tǒng)架構(gòu)圖

當(dāng)閱讀器捕獲到其信號覆蓋范圍內(nèi)的有源定位電子標(biāo)簽周期性發(fā)出的信號時(shí)，便通過無線Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)由光載無線交換機(jī)將相關(guān)數(shù)據(jù)傳給異地的設(shè)備廠家或者出租方的后臺數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。

遠(yuǎn)程客戶端或移動終端通過讀取后臺數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的數(shù)據(jù)，對實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、判斷，從而根據(jù)信號的強(qiáng)弱或信號到達(dá)時(shí)差來準(zhǔn)確定位到跟蹤的對象。一旦定位物體位置不處于監(jiān)控范圍，系統(tǒng)將根據(jù)事先制定好的規(guī)則進(jìn)行評估發(fā)出預(yù)警、報(bào)警，從而實(shí)現(xiàn)對注塑機(jī)的實(shí)時(shí)定位監(jiān)控及有效管理。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 RFID系統(tǒng)

RFID定位系統(tǒng)是用于獲取裝有RFID標(biāo)簽的注塑機(jī)信息，其主要包括三個(gè)部分，其示意圖如圖3所示。

圖3 RFID定位系統(tǒng)示意圖

閱讀器：通過2.4G頻段接收其所管轄定位器傳來的標(biāo)簽信息，并將標(biāo)簽ID和標(biāo)簽所在位置信息通過無線網(wǎng)絡(luò)傳給后臺服務(wù)器。

定位器：定位器主要完成標(biāo)簽定位功能。它將定位范圍內(nèi)的所有標(biāo)簽ID傳給閱讀器，實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽的區(qū)域 定位。

有源RFID標(biāo)簽：在每個(gè)注塑機(jī)設(shè)備上裝有RFID標(biāo)簽，當(dāng)帶有標(biāo)簽的注塑機(jī)進(jìn)入定位器的定位區(qū)域后就將標(biāo)簽ID通過2.4G頻段傳給定位器，定位器同時(shí)將所捕獲到的所有標(biāo)簽ID傳給閱讀器。

3.2 光載無線通信

基于當(dāng)前主流的Wi-Fi無線接入技術(shù)，融合光載無線網(wǎng)絡(luò)及其不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下的傳輸技術(shù)、Wi-Fi無線接入技術(shù)、射頻交換與重構(gòu)技術(shù)、無線傳感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)Wi-Fi射頻信號和2G/3G/4G無線信號的大范圍分布，同時(shí)實(shí)現(xiàn)多個(gè)接入點(diǎn)的射頻交換、分配和功率控制，從而建立起基于光載無線傳輸與交換技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)信息平臺。通過此物聯(lián)網(wǎng)信息平臺，將設(shè)備廠家或出租方所關(guān)心的現(xiàn)場動態(tài)信息數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)無線傳輸給異地的數(shù)據(jù)庫后臺服務(wù)器，從而實(shí)現(xiàn)對注塑機(jī)群的跟蹤定位監(jiān)控，為企業(yè)生產(chǎn)和設(shè)備的科學(xué)管理、調(diào)度、使用和維護(hù)提供充足的依據(jù)。光載無線網(wǎng)絡(luò)及其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 光載無線交換機(jī)拓?fù)鋱D

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)上述的方案設(shè)計(jì)，我們選取一個(gè)空曠的倉庫來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在倉庫中設(shè)置14個(gè)12米長，4米寬的長方形堆放點(diǎn)，作為設(shè)備的指定堆放位置。為了能覆蓋整個(gè)倉庫和對每一個(gè)堆放點(diǎn)進(jìn)行定位，此次實(shí)驗(yàn)共采用2個(gè)閱讀器和16個(gè)定位器。其中每個(gè)定位器的定位范圍為4米。在倉庫的門口內(nèi)外各放置一個(gè)定位器用來判斷實(shí)驗(yàn)設(shè)備的入庫和出庫，其他定位器放置在每個(gè)堆放點(diǎn)的中間位置，從而實(shí)現(xiàn)對進(jìn)入堆放點(diǎn)設(shè)備的位置定位識別。

實(shí)驗(yàn)時(shí)在每個(gè)入庫資產(chǎn)上都裝有有源RFID標(biāo)簽，當(dāng)其進(jìn)入堆放點(diǎn)放置時(shí)，RFID標(biāo)簽會以1秒為間隔通過2.4頻段發(fā)送標(biāo)簽ID，堆放點(diǎn)的定位器就會接收其范圍內(nèi)的標(biāo)簽發(fā)來的身份標(biāo)識信息，經(jīng)由物聯(lián)網(wǎng)信息平臺的傳輸，設(shè)備的位置信息即可顯示在異地出租方企業(yè)的計(jì)算機(jī)界面上。

圖5 現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

5 結(jié)論

本文針對注塑機(jī)廠家或出租方對生產(chǎn)現(xiàn)場注塑機(jī)進(jìn)行定位跟蹤的實(shí)際需求，融合工業(yè)自動化技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和信息化技術(shù)，結(jié)合注塑制造行業(yè)具體的業(yè)務(wù)運(yùn)營模式，提出一個(gè)可用于租賃等商業(yè)模式中對分散的注塑機(jī)設(shè)備進(jìn)行定位跟蹤和服務(wù)的解決方案，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示該系統(tǒng)能準(zhǔn)確定位異地的設(shè)備資產(chǎn)，從而有效防止資產(chǎn)的流失。該系統(tǒng)的成功實(shí)施會推動我國在基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行定位跟蹤方面相關(guān)技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用，為企業(yè)生產(chǎn)和設(shè)備的科學(xué)管理、調(diào)度、使用和維護(hù)提供依據(jù)，從而進(jìn)一步提高企業(yè)的管理水平。

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