RFID中間件技術(shù)在汽車裝配線中的應(yīng)用研究

李鴻，周建平，許燕，周利娜

(新疆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，新疆烏魯木齊 830047)

現(xiàn)有汽車總裝配線上大多采用人工或半智能化裝配，由于零部件種類及數(shù)量繁多，難免經(jīng)常會(huì)發(fā)生錯(cuò)裝漏裝多裝、管理人員不能及時(shí)了解裝配信息以及數(shù)據(jù)采集過(guò)程中容易發(fā)生人為錯(cuò)誤等問(wèn)題，導(dǎo)致裝配線效率低下。

在汽車裝配線上引進(jìn)RFID(Radio Frequency I-dentification)，即射頻識(shí)別技術(shù)，該技術(shù)可支持快速讀寫、非可視識(shí)別、移動(dòng)識(shí)別、多目標(biāo)識(shí)別、定位及長(zhǎng)期跟蹤管理，能有效提高汽車裝配線的效率［1］。

1 RFID技術(shù)系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 RFID技術(shù)

一套完整的RFID系統(tǒng)，是由閱讀器(Reader)、電子標(biāo)簽(TAG)、RFID中間件及應(yīng)用軟件系統(tǒng)4個(gè)部分所組成，其工作原理是:閱讀器(Reader)發(fā)射一特定頻率的無(wú)線電波能量給電子標(biāo)簽，用以驅(qū)動(dòng)電子標(biāo)簽電路將內(nèi)部的數(shù)據(jù)送出，此時(shí)閱讀器便依序接收解讀數(shù)據(jù)［2］，接收到的數(shù)據(jù)由RFID中間件處理之后，傳送給應(yīng)用企業(yè)程序進(jìn)行應(yīng)用。系統(tǒng)工作原理圖如圖1所示。

圖1 RFID系統(tǒng)原理圖

1.2 RFID中間件

RFID中間件(RFID Middleware)是RFID技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它對(duì)下屏蔽不同RFID［3］設(shè)備的硬件差異，對(duì)上層應(yīng)用提供有用信息與統(tǒng)一接口，能處理從一個(gè)或多個(gè)讀寫器獲得的RFID事件數(shù)據(jù)流，可實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的緩存、格式轉(zhuǎn)化、過(guò)濾、計(jì)數(shù)、整合等操作后，最終將有價(jià)值的數(shù)據(jù)上報(bào)給應(yīng)用系統(tǒng)，供管理者瀏覽、選擇、修改、查詢。

2 汽車裝配線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 裝配系統(tǒng)構(gòu)架

汽車裝配系統(tǒng)由EPC標(biāo)簽、RFID讀寫器、讀寫器天線、電子看板、RFID中間件［4］等部件組成。整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)架圖如圖2所示。

圖2 汽車裝配線系統(tǒng)構(gòu)架圖

2.2 系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)

在整個(gè)零部件裝配過(guò)程中，讀寫器與工位控制器相連，工位控制器通過(guò)串口方式與車間控制計(jì)算機(jī)相連，車間控制計(jì)算機(jī)又通過(guò)企業(yè)局域網(wǎng)與數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器相連。在等待裝配的汽車配件上貼上EPC電子標(biāo)簽，裝配工位上裝有讀寫器，當(dāng)待安裝件進(jìn)入該工位時(shí)，讀寫器讀取電子標(biāo)簽信息，并判斷裝配是否合格，之后送入下一工位繼續(xù)安裝。具體裝配流程圖如圖3所示。

圖3 裝配流程圖

2.3 汽車裝配線的功能模塊設(shè)計(jì)

在裝配過(guò)程中，RFID讀寫器自動(dòng)采集安裝信息，實(shí)現(xiàn)裝配信息的共享及智能化管理。系統(tǒng)管理功能如圖4所示。

圖4 裝配線系統(tǒng)功能原理圖

裝配系統(tǒng)中主要實(shí)現(xiàn)如下幾大功能:

(1)零部件跟蹤管理。貼有電子標(biāo)簽的零部件進(jìn)入裝配工位時(shí)，讀寫器試讀標(biāo)簽信息，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)查詢相應(yīng)的產(chǎn)品信息，記錄當(dāng)前裝配信息，并向標(biāo)簽中寫入當(dāng)前車輛裝配狀況，實(shí)現(xiàn)對(duì)零部件的跟蹤管理。

(2)人員信息管理。每個(gè)工人佩戴一個(gè)電子標(biāo)簽，進(jìn)行唯一身份識(shí)別;工人進(jìn)入工位時(shí)，讀寫器自動(dòng)采集信息，一旦發(fā)生裝配問(wèn)題，以此信息作為信息源查找責(zé)任人。

(3)工位裝配信息管理。當(dāng)產(chǎn)品進(jìn)入某個(gè)工位時(shí)，讀取產(chǎn)品信息并與此工位進(jìn)行關(guān)聯(lián)，系統(tǒng)自動(dòng)記錄開(kāi)始裝配時(shí)間，相應(yīng)地在電子看板上顯示裝配狀態(tài)［5］。

(4)系統(tǒng)管理。實(shí)現(xiàn)裝配信息的實(shí)時(shí)更新與查詢，裝配異常時(shí)產(chǎn)生異常報(bào)告等。

實(shí)現(xiàn)這些功能的關(guān)鍵是完成RFID中間件讀寫器管理、數(shù)據(jù)處理及消息傳送。

3 汽車裝配中RFID中間件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)中的RFID中間件由讀寫器管理模塊、數(shù)據(jù)過(guò)濾模塊及消息管理模塊3個(gè)部分組成。汽車裝配系統(tǒng)RFID中間件的功能模塊圖如圖5所示。

圖5 汽車裝配線中RFID中間件功能圖

3.1 讀寫器管理

在整個(gè)汽車裝配線上有多臺(tái)讀寫器，并且是不同廠家的，這就要求對(duì)多臺(tái)以及不同廠家的讀寫器驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行抽象與封裝，通過(guò)統(tǒng)一封裝提供統(tǒng)一的操作接口和通信協(xié)議，并能快速、便捷地納入到RFID中間件系統(tǒng)的管理范疇，進(jìn)而達(dá)到對(duì)物理讀寫器的管理和配置。讀寫器管理模塊主要實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集、連接多臺(tái)讀寫器及讀寫器管理配置，結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

圖6 讀寫器管理模塊結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)中選用的RFID讀寫設(shè)備支持RS232接口標(biāo)準(zhǔn)，基于RS232接口的硬件適配器是采用Java串口通信包c(diǎn)omm．jar(Java Communications API)編寫的［6］，讀寫器實(shí)現(xiàn)讀寫的偽代碼如下://識(shí)讀標(biāo)簽操作HashMap＜String，String＞singleTagMap=epc．identifySingleTag(0)……if(singleTagMap!=null){System．out．println("識(shí)讀標(biāo)簽成功!標(biāo)簽ID數(shù)據(jù):"+single TagMap．get("tagID")．toString()+"天線號(hào)地址:"+singleTagMap．get("antennaNo")．toString());}……//寫標(biāo)簽ID操作public static int writeWords(EpcSDKDll epc，String words)throws NativeException，IllegalAccessException{int result=0……result=epc．fastWriteTagID(bytesNum，words，0);if(result==1){System．out．println("寫標(biāo)簽寫入成功!");}……

3.2 RFID中間件數(shù)據(jù)過(guò)濾

汽車裝配過(guò)程中，在裝配線上就有多臺(tái)讀寫器，RFID讀寫器處于循環(huán)工作狀態(tài)，并且讀取速度很快，讀寫器可以標(biāo)識(shí)讀取范圍內(nèi)的所有標(biāo)簽，這就導(dǎo)致短時(shí)間內(nèi)會(huì)產(chǎn)生海量的標(biāo)簽數(shù)據(jù)，其中大部分都是重復(fù)和冗余數(shù)據(jù)［7］，因此采用RFID中間件中的數(shù)據(jù)過(guò)濾模塊對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。汽車制造業(yè)RFID中間件的數(shù)據(jù)過(guò)濾模塊的流程圖如圖7所示。

圖7 汽車制造業(yè)中數(shù)據(jù)過(guò)濾流程圖

在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，數(shù)據(jù)過(guò)濾器對(duì)數(shù)據(jù)的過(guò)濾起著重要的作用，主要有如下過(guò)濾器:

(1)平滑過(guò)濾器。只發(fā)送發(fā)生變化的數(shù)據(jù)，即過(guò)濾掉重復(fù)的數(shù)據(jù)。

(2)時(shí)間過(guò)濾器。根據(jù)時(shí)間段來(lái)過(guò)濾數(shù)據(jù)，可以選擇只過(guò)濾出5 s內(nèi)讀取到的數(shù)據(jù)。

(3)事件過(guò)濾器。根據(jù)用戶設(shè)定的特定事件進(jìn)行過(guò)濾，過(guò)濾出對(duì)用戶有價(jià)值的數(shù)據(jù)。

其中，過(guò)濾器的程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)過(guò)濾器程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法步驟圖

3.3 消息傳送

數(shù)據(jù)可以通過(guò)多種通信方式(如:TCP、HTTP、JMS等)在系統(tǒng)和應(yīng)用間流入流出。該系統(tǒng)中間件的設(shè)計(jì)環(huán)境是在分布式RFID網(wǎng)絡(luò)中，將采用JMS技術(shù)(Java MessageServer)，這種技術(shù)是一種異步消息傳輸方式，它利用存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)的原理，使得事件發(fā)布方和訂閱方互相傳遞消息時(shí)無(wú)需等待，方便實(shí)現(xiàn)了跨語(yǔ)言、跨平臺(tái)的信息共享。

RFID中間件將原始的EPC標(biāo)簽代碼數(shù)據(jù)抽象成信息后，就要考慮如何將信息發(fā)布給應(yīng)用程序［8］。該系統(tǒng)中采用JMS(Java Message Service)規(guī)范的發(fā)布/訂閱模式，JMS是訪問(wèn)企業(yè)消息系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)API，定義了Java中訪問(wèn)消息中間件的接口。JMS程序設(shè)計(jì)步驟如圖9所示。

圖9 JMS程序設(shè)計(jì)步驟圖

具體發(fā)送接收的實(shí)現(xiàn)過(guò)程選用JMS定義的ObjectMessage的消息體。發(fā)送消息語(yǔ)句:objectMS=session．createObjectMessage();消息接收過(guò)程中在消息接收對(duì)象中注冊(cè)消息監(jiān)聽(tīng)對(duì)象，以實(shí)現(xiàn)事件消息的判斷、接收和處理。偽代碼如下:QueueReceiver receiver=session．createReceiver(queue);receiver．setMessageListener(this);connection．start();……

最后調(diào)用onMessage()方法接收事件消息并對(duì)其內(nèi)容進(jìn)行相應(yīng)的處理。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

對(duì)于此系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，需要連接多種應(yīng)用系統(tǒng)，而JAVA是目前應(yīng)用最為廣泛的編程語(yǔ)言，另外JAVA的平臺(tái)無(wú)關(guān)性，可以讓應(yīng)用運(yùn)行在多種平臺(tái)上，也擴(kuò)大了應(yīng)用范圍，因此在此系統(tǒng)中選擇JAVA技術(shù)作為系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的技術(shù)平臺(tái)，數(shù)據(jù)庫(kù)選用SQL Server2005;將前面設(shè)計(jì)的RFID中間件［9］系統(tǒng)應(yīng)用與汽車裝配線上，最終實(shí)現(xiàn)了對(duì)汽車裝配線的初步管理。管理系統(tǒng)如圖10所示。

圖10 汽車裝配管理系統(tǒng)圖

5 結(jié)束語(yǔ)

將RFID中間件技術(shù)應(yīng)用于汽車裝配線中，能實(shí)現(xiàn)裝配信息的傳遞與及時(shí)反饋、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與監(jiān)控可視化，保證裝配準(zhǔn)確化及產(chǎn)品信息可追溯，最終提高企業(yè)的效率、降低生產(chǎn)成本，因此，RFID中間件技術(shù)將會(huì)廣泛應(yīng)用在汽車裝配中。但是，RFID中間件是一個(gè)重要而又復(fù)雜的系統(tǒng)，目前的應(yīng)用過(guò)程中還仍存在很多問(wèn)題，正在逐步地改進(jìn)和完善［10］。

［1］屈波．RFID在汽車裝配中應(yīng)用研究及其進(jìn)展［J］．制造業(yè)自動(dòng)化，2011，33(10):21－23．

［2］ZHU Xiaowei，MUKHOPADHYAY Samar K，KURATA Hisashi．A Review of RFID Technology and Its Managerial Applications［J］．Journal of Engineering and Technology Management，2012，29(1):152－267．

［3］ABAD Ismael，CERRADA Carlos．Managing RFID Sensors Networks with a General Purpose RFID Middleware［J］．Sensors，2012(12):7720－7732．

［4］舒遠(yuǎn)仲，朱玄華，田蕾，等．基于構(gòu)件的RFID中間件管理模塊的研究與開(kāi)發(fā)［J］．計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化，2013(3):82－85．

［5］趙偉武．RFID中間件技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展［M］．北京:華勝天成科技股份有限公司，2005．

［6］李寶利．基于Java的RFID中間件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］．武漢:華中科技大學(xué)，2007:4－11．

［7］楊周輝，吳永明．基于RFID技術(shù)的汽車混流裝配生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］．機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2011(10):246－248．

［8］吳強(qiáng)．基于JMS的消息中間件的研究［D］．武漢:武漢理工大學(xué)，2007:56－67．

［9］李寶山，趙顯臣．RFID中間件系統(tǒng)關(guān)鍵模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］．信息技術(shù)，2008(8):170－173．

［10］路康，張啟峰．基于JMS的RFID中間件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］．河南大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，38(5):537－540．