基于RFID技術的服裝生產(chǎn)過程管理系統(tǒng)設計

，，

(陜西科技大學 電氣與信息工程學院，西安 710021)

引　言

近年來，隨著經(jīng)濟全球化與科技管理信息化的協(xié)同發(fā)展，使得服裝市場的競爭日趨激烈。現(xiàn)代服裝市場需求正逐步面向著高級化、個性化以及多樣化的方向發(fā)展。對于服裝行業(yè)，由于款式、顏色,種類變化快與尺寸參數(shù)繁多的產(chǎn)品特性，導致在服裝生產(chǎn)時產(chǎn)生大量的生產(chǎn)數(shù)據(jù)信息與報表，生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的實時數(shù)據(jù)信息需要及時地更新與反饋[1]。

現(xiàn)有的絕大多數(shù)服裝企業(yè)采用條形碼或人工方法獲取生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)，但易出現(xiàn)人為過時導致的生產(chǎn)錯誤規(guī)格，數(shù)據(jù)信息通道反饋不暢出現(xiàn)的窩工情況[2-3]。針對此種現(xiàn)狀，研究與開發(fā)了一種基于RFID技術的服裝生產(chǎn)過程管理系統(tǒng)。通過對服裝生產(chǎn)過程的分析，系統(tǒng)采用RFID技術與嵌入式技術，同時融合數(shù)據(jù)庫技術，實現(xiàn)生產(chǎn)信息數(shù)據(jù)數(shù)字化表征。盡可能地減少制衣材料成本，優(yōu)化服裝生產(chǎn)過程管理能力，提高服裝產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。

1　系統(tǒng)結構設計

1.1　服裝生產(chǎn)過程分析

完成系統(tǒng)結構的設計需要對具體的服裝生產(chǎn)過程進行分析。然而不同的生產(chǎn)企業(yè)具有不同的生產(chǎn)工藝流程步驟，通過在某一服裝企業(yè)實地調(diào)研，總結出該企業(yè)生產(chǎn)對于服裝的生產(chǎn)主要包括有：服裝設計、生產(chǎn)前準備、布料裁剪、布片縫制、鎖眼熨燙、品質(zhì)控制以及成品管理這7個環(huán)節(jié)。圖1展示了某企業(yè)服裝生產(chǎn)過程流程圖。

圖1　服裝生產(chǎn)過程流程圖

在此主要針對服裝流程中的布料裁剪、布片縫制、鎖眼熨燙以及品質(zhì)管制這4個主要環(huán)節(jié)進行說明。布料裁剪是指將生產(chǎn)所需的原材料剪切成片，按件打包后供布片縫制車間使用。布片縫制車間是服裝生產(chǎn)過程中最為復雜的一道工序，將接收到的裁剪包中的布片進行縫制形成服裝半成品。鎖眼熨燙車間則是將半成品制衣進行釘扣鎖眼和成衣熨燙。品質(zhì)管制環(huán)節(jié)是指將所有成衣進行質(zhì)量檢測后準備裝箱入庫。

圖2　系統(tǒng)結構圖

通過對該服裝企業(yè)服裝生產(chǎn)過程的分析，可以看出服裝加工過程中主要存在的問題有：

① 人工干預過多。制衣流程中每道工序都需要人工操作進行數(shù)據(jù)記錄，從物料準備到成衣完成的過程中會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，易發(fā)生錯誤統(tǒng)計。

② 管理層無法實時地對生產(chǎn)線的每道工序工作情況進行實時監(jiān)控，導致訂單跟蹤困難。制衣車間在制衣過程中產(chǎn)生的生產(chǎn)數(shù)據(jù)較為孤立，在一定時間段內(nèi)呈現(xiàn)為靜態(tài)保存，不能隨時的反饋于管理層。訂單數(shù)據(jù)若發(fā)生修改也不能及時的檢查更新，工位也不能及時了解計劃進度調(diào)整，導致整條生產(chǎn)線動態(tài)響應能力差，訂單跟蹤反射周期長。

1.2　系統(tǒng)總體結構設計

根據(jù)以上分析提出了基于RFID技術的服裝生產(chǎn)過程管理系統(tǒng)，系統(tǒng)以RFID技術為核心，同時結合嵌入式技術與數(shù)據(jù)庫技術來解決上述問題，使企業(yè)導向為科技信息化的管理模式，從而有效地應對激烈的市場競爭。系統(tǒng)結構主要由三部分組成，分別是數(shù)據(jù)采集端、人機交互端程序以及云服務器數(shù)據(jù)庫。其具體結構圖如圖2所示。

其中基礎數(shù)據(jù)采集端為安置在每個工位的RFID讀卡器，用于感應兩類RFID電子標簽，一類是綁定在每件服裝衣料上的電子標簽(電子標簽附帶在制衣物料上用以存儲制服裝顏色、尺寸和訂單號等基礎信息)與每個員工持有的員工卡(員工卡上記錄員工基礎信息每張卡片與員工唯一對應)。數(shù)據(jù)采集端通過感應電子標簽，實時捕獲生產(chǎn)進度情況，同時獲取服裝生產(chǎn)記錄，包括操作員工、操作工序、執(zhí)行時間等，所有采集到的數(shù)據(jù)最終在云服務器數(shù)據(jù)庫中執(zhí)行相應處理。

人機交互程序則與數(shù)據(jù)采集端和云服務器數(shù)據(jù)庫相連，用以生產(chǎn)信息錄入，生產(chǎn)過程信息查看修改等。而云服務器端數(shù)據(jù)庫則負責對下位機RFID讀寫器提供的基礎數(shù)據(jù)處理分析，用于系統(tǒng)信息管理、材料管理和計劃調(diào)度等功能[5]。各個系統(tǒng)中三部分相互間緊密關聯(lián)、分工協(xié)作，共同完成對于現(xiàn)有的傳統(tǒng)人工生產(chǎn)管理體系的數(shù)字化信息技術升級。

2　系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)的核心部分是數(shù)據(jù)采集端的RFID讀寫器，其主要安置在裁剪車間、縫制車間、熨燙車間各段位工位中，負責生產(chǎn)線數(shù)據(jù)采集、傳輸以及處理。具體布點設計圖如圖3所示。

硬件部分主要由嵌入式微處理器及其外圍電路、WIFI模塊、RFID讀寫模塊和HMI串口屏幕組成。主控單元采用內(nèi)核為ARM Cortex-M3的嵌入式控制器STM32作為控制核心，使用低功耗的MFRC-522作為RFID讀寫模塊，WIFI模塊使用ESP8266負責過程信息無線收發(fā)。HMI顯示模塊采用TJC8048T70_011觸摸液晶屏完成人機交互。其中外圍電路還包括：USB接口、復位電路以及電源模塊。硬件結構圖如圖4所示。

2.1　主控單元電路設計

主控單元采用STM32F103RCT6作為核心處理器，完成數(shù)據(jù)采集傳輸及處理。主控電路通過SPI總線與RFID讀寫模塊進行通信，完成信息采集與指令傳遞；通過兩路UART分別連接WIFI模塊與串口顯示屏，完成網(wǎng)絡通信與液晶顯示；主控電路設計手動復位與上電自動復位兩種復位方式，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性；USB接口采用較為普遍的 MicroUSB 接口，同時USB接口上的D+和D-也連接到STM32的 PA11和 PA12引腳，可用于USB項目的開發(fā)；電源芯片采用L1117_3.3大電流穩(wěn)壓模塊將外置的+5 V直流電壓轉化為+3.3 V直流電壓，前后級都采用10 μF 的鉭電容和0.1 μF 的電容濾波去耦,降低電源的紋波，保證在大負載下系統(tǒng)穩(wěn)定運行。其原理圖如圖5所示。

圖3　RFID讀寫器具體布點設計圖

圖4　硬件結構圖

2.2　RFID讀寫模塊設計

RFID讀寫模塊采用NXP公司推出的MFRC-522作為讀寫芯片，在使用SPI總線完成通信時，MFRC522工作于從模式，使用SPI總線接口完成與主機通信[6-9]。在SPI通信中，MFRC522模塊用作從機，SPISCK由主機產(chǎn)生。數(shù)據(jù)通過MOSI線從主機傳輸?shù)綇臋C；數(shù)據(jù)通過MISO線從MFRC522發(fā)回到主機。除了通用的4條SPI信號線(時鐘線SCK、輸入數(shù)據(jù)線MOSI、輸出數(shù)據(jù)線MOSO和選通線NSS以外，RC522要求額外的2個引腳I2C和 EA分別固定接低電平和高電平。這2個引腳不參與SPI總線傳輸，只起設定RC522數(shù)字界面采用SPI接口的作用。其原理圖如圖6所示。

圖5　主控單元電路設計原理圖

圖6　讀寫模塊設計電路圖

2.3　WIFI無線通信模塊設計

因有線傳輸受距離、場地等限制，故而需要采用無線通信方式將RFID獲取的成衣信息實時發(fā)送至上位機數(shù)據(jù)庫，而WIFI傳輸因其傳輸距離遠、節(jié)點可任意擴充的特點被采用。本系統(tǒng)采用ESP8266模塊進行信息傳送,其原理圖如圖7所示。選用BSS(Block Started by Symbol segment)構架，即將RFID讀寫模塊作為客戶端，負責信息的發(fā)送；將上位機作為服務器進行數(shù)據(jù)接收并存入MySQL數(shù)據(jù)庫。在ESP8266模塊中，將多個讀寫模塊連接多個station節(jié)點作為信息的采集點接收成衣信息，并發(fā)送給一個softAP，它相當于一個中繼站將來自各個station的信息匯總并傳輸給上位機處理，以實現(xiàn)WIFI的無線通信和信息的實時傳輸。

圖7　WIFI模塊設計電路圖

2.4　HMI人機交互界面設計

圖8　HMI接線原理圖

觸摸液晶屏采用TJC8048T70_011，是一種7.0寸的智能串口屏，HMI串口屏與其他類型的MCU總線屏一樣對用戶的硬件沒有特殊要求，接線原理圖如圖8所示，可在上位機軟件中依據(jù)實際需求封裝好HMI的底層工程文件并使用串口或SD卡下載至屏幕設備中，由于設備內(nèi)部已構建好底層驅(qū)動，所以使用MCU直接通過指令調(diào)取設備內(nèi)的控件完成畫面切換。同時串口屏集成GPU字庫，支持多種組態(tài)控件，其中包括基本的按鍵控件、指針控件及二維碼控件等；支持高級的串口主動數(shù)據(jù)解析功能可以實現(xiàn)自定義指令協(xié)議與屏幕通信。

3　系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集端采集到的數(shù)據(jù)是通過RFID讀卡器感應到電子標簽后完成的。RFID讀寫器中的嵌入式處理器控制RFID射頻芯片MFRC522與RFID卡片進行數(shù)據(jù)通信，通信過程由識別、認證和數(shù)據(jù)讀寫這三個階段構成[10]。根據(jù)系統(tǒng)需求，存儲信息的RFID電子標簽分為兩種：一種為服裝攜帶卡用以記錄制衣物料上用以存儲制服裝顏色、尺寸和訂單號等基礎信息，RFID讀寫器可以通過感應標簽后記錄衣物生產(chǎn)記錄，如操作人員、操作工序和操作時間等；另一種為員工電子標簽內(nèi)存儲員工卡號及個人信息，并記錄工時和績效。員工在上下班時以及切換工位時需要在RFID讀寫器上進行感應，以便于計算績效。當串口數(shù)據(jù)接收完畢后，通過無線通信模塊發(fā)送至上位機數(shù)據(jù)庫中。讀卡端的軟件設計流程圖如圖9所示。

圖9　讀卡端軟件設計流程圖

4　數(shù)據(jù)庫設計

4.1　數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)架構

圖11　數(shù)據(jù)庫表連接關系圖

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫使用開源的MySQL構建關系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。使用數(shù)據(jù)庫時，采用客戶端/服務器(C/S模型)如圖10所示，安裝了該程序的計算機稱為客戶端，訪問由RDBMS(Relational Database Management System)管理的數(shù)據(jù)庫，RDBMS客戶端根據(jù)自己的需求通過SQL語句發(fā)送給RDBMS服務器。RDBMS根據(jù)訪問語句的內(nèi)容返回所需要的數(shù)據(jù)，或者對存儲在數(shù)據(jù)庫中的原有數(shù)據(jù)進行更新。C/S 模式是基于企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡的應用系統(tǒng)，不依賴于外部環(huán)境。具有分離和協(xié)同的工作特性、易于擴充、響應速度快、操作界面設計個性化、簡潔方便等優(yōu)點。

圖10　數(shù)據(jù)庫客戶端/服務器(C/S類型)

4.2　數(shù)據(jù)信息模型建立

生產(chǎn)過程信息管理模型使得每件服裝個體與RFID標簽能唯一匹配。該系統(tǒng)中的實體主要有RFID標簽表、工藝路線、生產(chǎn)加工記錄、訂單信息表和產(chǎn)品信息，如表1所列。其中以RFID標簽表的實體屬性為例，RFID標簽表的實體屬性包括有：RFIDID(電子標簽擁有的ID號唯一且固定)、標簽編碼、標簽發(fā)放記錄、備注以及用以關聯(lián)至下一張表的外鍵orderID。將與所有生產(chǎn)信息模型中的實體關聯(lián)起來，便可以實現(xiàn)RFIDID號與服裝個體的唯一標識，進而可以詳細查看該服裝的生產(chǎn)參數(shù)、加工過程信息等。各表之間關系如圖11所示。

表1　系統(tǒng)的數(shù)據(jù)表情況

5　系統(tǒng)開發(fā)實例

數(shù)據(jù)采集端通過感應系統(tǒng)中的兩類RFID電子標簽可以實時獲取在制服裝的生產(chǎn)信息，并統(tǒng)計工人的工作績效，HMI串口屏顯示界面如圖12所示。RFID讀寫器的串口數(shù)據(jù)等待應答信號到達時，以WIFI網(wǎng)絡為傳送介質(zhì)依據(jù)TCP/IP協(xié)議發(fā)送至云服務器數(shù)據(jù)庫端。人機交互

圖12　HMI串口屏顯示界面

程序采用MyEclipse編譯環(huán)境進行開發(fā)，運用JAVA語言和SQL語言完成對云服務器數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)信息讀取與更新，在經(jīng)過云服務器數(shù)據(jù)庫對接收到的數(shù)據(jù)進行處理后，管理層和員工可登錄人機交互程序查看生產(chǎn)明細，如圖13所示。

結　語

針對在服裝生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的產(chǎn)品與其生產(chǎn)者信息跟蹤管理反饋不及時的問題，設計并實現(xiàn)了一種基于RFID技術的服裝生產(chǎn)過程管理系統(tǒng)。系統(tǒng)通過部署在工位上的RFID讀寫器完成基礎數(shù)據(jù)采集的采集與發(fā)送。

圖13　人機交互程序顯示界面

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張開生(教授)、石瑞華(碩士)，主要從事嵌入式系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)技術的應用及開發(fā)研究;薛楊(碩士)，主要從事軟件開發(fā)、數(shù)據(jù)庫應用研究。