基于RFID和WiFi的車間工具管理手持機(jī)開發(fā)

楊光友，謝 旺

（1.湖北工業(yè)大學(xué) 農(nóng)業(yè)機(jī)械工程研究設(shè)計(jì)院，湖北 武漢 430068；2.湖北省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程研究設(shè)計(jì)院，湖北 武漢 430068）

0 引 言

合理高效的車間工具管理系統(tǒng)能有效地管理各種工具的使用和出入庫，提高工具的利用率。目前，由于大型車間生產(chǎn)所需的工具種類眾多以及工作環(huán)境的復(fù)雜性，導(dǎo)致工具的出入庫和盤點(diǎn)等工作變得更加耗時(shí)費(fèi)力，傳統(tǒng)的人工管理模式已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代車間的需求[1?2]。RFID（Radio Frequency Identification）是 一 種 非接觸的識別技術(shù)，利用無線電信號識別目標(biāo)對象并獲取其中的數(shù)據(jù)信息[3]。與其他識別技術(shù)相比，RFID技術(shù)具有識別距離遠(yuǎn)、抗污損能力強(qiáng)、適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[4]，使工具可以快速的自動識別，為解決工具管理的諸多問題提供了可能[5]。目前，RFID識別技術(shù)已經(jīng)初步在航空維修[6]、石油鉆井[7]、鐵路建設(shè)[8]和電力系統(tǒng)[9?10]的工具管理中得到應(yīng)用。本文以車間工具管理為背景，提出一種采用RFID和WiFi技術(shù)，基于Android的手持機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并介紹了手持機(jī)的硬件設(shè)計(jì)、軟件功能模塊以及相應(yīng)程序的設(shè)計(jì)。

1 基于RFID和WiFi的車間工具管理系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要由智能工具柜、RFID手持機(jī)、工具標(biāo)簽和無線路由器組成。其總體框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

1.1 智能工具柜終端的功能

智能工具柜作為整個系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)所有標(biāo)簽工具的存取管理和狀態(tài)的更新。智能工具柜采用多通道的閱讀器，同時(shí)獲取每層抽屜中RFID天線掃描到的標(biāo)簽數(shù)據(jù)。通過與數(shù)據(jù)庫中的標(biāo)簽數(shù)據(jù)對比來確定工具柜中所有標(biāo)簽的存取狀態(tài)并更新。

1.2 RFID手持機(jī)移動端的功能

RFID手持機(jī)與智能工具柜處于同一局域網(wǎng)下，采用JDBC技術(shù)直接訪問智能工具柜終端的MySQL數(shù)據(jù)庫，獲取柜中缺失工具的標(biāo)簽數(shù)據(jù)（EPC），并導(dǎo)入到手持機(jī)移動端的標(biāo)簽數(shù)據(jù)庫。RFID手持機(jī)掃描獲取范圍內(nèi)的所有標(biāo)簽數(shù)據(jù)，并與手持機(jī)本地標(biāo)簽數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，將匹配成功的標(biāo)簽數(shù)據(jù)顯示到界面上，同時(shí)還會根據(jù)返回的信號強(qiáng)度值（RSSI）估算標(biāo)簽的位置區(qū)域，實(shí)現(xiàn)快速查找。

1.3 RFID手持機(jī)管理車間工具的優(yōu)點(diǎn)

車間工具管理系統(tǒng)中，采用RFID手持機(jī)的優(yōu)點(diǎn)主要有以下方面：

1）RFID手持機(jī)方便攜帶，操作人員能隨時(shí)隨地獲取工具柜中缺失的標(biāo)簽信息進(jìn)行就近查找。

2）通過盤點(diǎn)掃描功能，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離一次性識別范圍內(nèi)的全部標(biāo)簽，提高工作效率。

3）RFID標(biāo)簽選用抗金屬材料，具有較強(qiáng)的抗污損性，能夠保證其在復(fù)雜工作環(huán)境中讀取的準(zhǔn)確率。

2 RFID手持機(jī)的硬件系統(tǒng)

RFID手持機(jī)主要由CPU處理器、RFID模塊、WiFi模塊、藍(lán)牙模塊、觸控屏模塊等組成。手持機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 手持機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

考慮到需要保證RFID手持機(jī)工作過程中軟件運(yùn)行的穩(wěn)定性，綜合比較各處理器的性能和功耗，選用ARMv8?A架構(gòu)的Cortex?A53四核處理器，滿足Android 6.0系統(tǒng)的運(yùn)行需求。選用的Wi Fi模塊支持IEEE 802.11 a/b/g/n協(xié)議和2.4G/5G雙頻，能保證網(wǎng)絡(luò)連接和數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。同時(shí)手持機(jī)帶有USB 2.0 Type?C，以支持OTG，以用于軟件的調(diào)試。

RFID模塊的核心引擎采用基于Impinj公司的Indy R2000芯片，該芯片內(nèi)置了ISO/IEC 18000?6C的完整協(xié)議處理系統(tǒng)，工作頻率為840~960 MHz，適用于全球所有的超高頻RFID工作。其中，該芯片專有的自干擾對消（SJC）技術(shù)可以讓芯片在復(fù)雜的工作環(huán)境中保持穩(wěn)定，適合車間的工作環(huán)境[11]。最后，該芯片的讀卡距離（線極化）>21 m，讀卡距離（圓極化，室內(nèi)）>25 m，能很好滿足查找的距離。

3 RFID手持機(jī)軟件開發(fā)

RFID手持機(jī)基于Android平臺進(jìn)行軟件開發(fā)。Android作為一個完全開源的系統(tǒng)，提供了豐富的開發(fā)資源。該平臺支持GUI開發(fā)，能夠提供用戶良好的交互體驗(yàn)。同時(shí)支持SQLite數(shù)據(jù)庫，可用作結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)存儲。RFID手持機(jī)軟件的功能模塊圖如圖3所示。

圖3 RFID手持機(jī)軟件功能模塊圖

3.1 功能模塊

用戶管理：主要負(fù)責(zé)管理用戶登錄軟件的賬號信息。賬號信息從智能工具柜數(shù)據(jù)庫導(dǎo)入，用戶根據(jù)在智能柜終端注冊的賬號和密碼進(jìn)行登錄。

掃描功能：掃描獲取范圍內(nèi)的標(biāo)簽數(shù)據(jù)并顯示到界面上，還可以通過過濾模式查找指定的標(biāo)簽。讀標(biāo)簽是讀取指定標(biāo)簽內(nèi)部的儲存信息。

標(biāo)簽管理：主要負(fù)責(zé)管理從智能柜遠(yuǎn)程端獲取的未入庫的標(biāo)簽數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)更新標(biāo)簽的查找狀態(tài)。

系統(tǒng)設(shè)置：設(shè)置手持機(jī)的工作頻率、輸出功率等工作參數(shù)，并通過用戶登錄設(shè)置軟件的操作權(quán)限。

數(shù)據(jù)獲?。贺?fù)責(zé)從智能工具柜終端數(shù)據(jù)庫導(dǎo)出標(biāo)簽數(shù)據(jù)和用戶數(shù)據(jù)到RFID手持機(jī)的本地?cái)?shù)據(jù)庫。

3.2 手持機(jī)軟件開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)

3.2.1 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫訪問

JDBC（Java Database Connectivity）是Java語言中用來訪問數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用程序接口，提供了查詢數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的方法[12]。Android是基于Java語言開發(fā)的，可以通過添加第三方依賴庫調(diào)用JDBC驅(qū)動。本文選用操作系統(tǒng)MySQL數(shù)據(jù)庫測試。

導(dǎo)入依賴庫成功后，需要調(diào)用Class.for Name（com.mysql.jdbc.Driver）語句來初始化驅(qū)動類。調(diào)用DriverManager類的getConnection（）與智能柜MySql數(shù)據(jù)庫建立連接。最后將獲取的數(shù)據(jù)集保存到本地?cái)?shù)據(jù)庫。該功能的具體流程如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)獲取流程圖

3.2.2 掃描功能

掃描功能是RFID手持機(jī)軟件中的核心功能。開發(fā)掃描功能時(shí)，直接導(dǎo)入手持機(jī)的官方SDK里面提供的動態(tài)依賴庫libDeviceAPI.so，并結(jié)合官方說明文檔進(jìn)行二次開發(fā)。

1）初始化閱讀器

需要調(diào)用RFIDWithUHF類實(shí)現(xiàn)與RFID閱讀器的連接，調(diào)用該類中的init_R2000（）進(jìn)行R2000模塊的初始 化。然后 調(diào)用UHFInit（）和UHFOpenAndConnect（）實(shí)現(xiàn)R2000芯片的連接和打開。

2）單步掃描功能

調(diào)用RFIDWithUHF類中僅用于R2000模塊的inventorySingleTagWithR2000（）進(jìn)行單步識別并只返回一次標(biāo)簽數(shù)據(jù)。返回的數(shù)據(jù)中，索引0為TID信息，索引1為UII，索引2為RSSI，然后將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并顯示到界面。

3）盤點(diǎn)掃描功能

首先需要啟動識別Tag循環(huán)功能，調(diào)用RFIDWithUHF類的startInventoryTag（），這里僅開啟識別循環(huán)功能，之后將識別到的數(shù)據(jù)上傳到緩存區(qū)，然后調(diào)用readTagFromBuffer（），從緩存區(qū)依次讀出標(biāo)簽數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理。返回的數(shù)據(jù)和單步掃描一樣，只是可以一次性讀取多個標(biāo)簽的數(shù)據(jù)。

3.2.3 過濾模式：查找指定標(biāo)簽

手持機(jī)通過JDBC訪問智能工具柜的數(shù)據(jù)庫，導(dǎo)出工具柜中缺失狀態(tài)的工具標(biāo)簽到本地?cái)?shù)據(jù)庫。采用過濾模式進(jìn)行單步識別或盤點(diǎn)識別時(shí)，會過濾查找本地?cái)?shù)據(jù)中的標(biāo)簽并顯示到界面，實(shí)現(xiàn)智能工具柜缺失工具的指定查找。本地?cái)?shù)據(jù)庫采用開源的Android數(shù)據(jù)庫框架LitePal進(jìn)行管理操作[13]。過濾模式流程圖如圖5所示，通過掃描獲取的標(biāo)簽數(shù)據(jù)（EPC）與本地標(biāo)簽數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，確定標(biāo)簽的查找狀態(tài)（“1”表示已找到，“0”表示待查找），然后顯示到界面。

圖5 過濾模式流程圖

3.2.4 RSSI信號強(qiáng)度估算距離

接收的信號強(qiáng)度指示（Received Signal Strength Indication，RSSI）主要用于計(jì)算發(fā)射者和接收者之間的距離。根據(jù)發(fā)射點(diǎn)的功率到接收點(diǎn)的功率建立信號強(qiáng)度與距離的衰減模型，但是，由于實(shí)際過程受到環(huán)境等因素的影響，只能進(jìn)行距離估算。

R2000模塊掃描識別標(biāo)簽時(shí)會返回實(shí)時(shí)的RSSI值，但是，由于RSSI值會受到環(huán)境的影響而變得不穩(wěn)定，需要采集多組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算。

1）數(shù)據(jù)采集（室內(nèi)）

每10 cm做一個測量點(diǎn)，每個測量點(diǎn)采集10次RSSI值，設(shè)立20個測量點(diǎn)為一組數(shù)據(jù)。本文設(shè)計(jì)有7種不同規(guī)格大小的標(biāo)簽，需要采集7組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2）建立衰減模型

對每組的每個測量點(diǎn)的RSSI值進(jìn)行均值處理，減少環(huán)境因素的影響。運(yùn)用Matlab軟件進(jìn)行多項(xiàng)式擬合（Polynomial），距離為y軸，RSSI值為x軸，分析得到衰減模型。模型擬合曲線圖如圖6所示。

圖6 模型擬合曲線圖

掃描標(biāo)簽返回的RSSI會實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)化為距離顯示到界面上，以便操作人員對工具的位置進(jìn)行估計(jì)判斷。

3.3 軟件功能界面程序設(shè)計(jì)

RIFD手持機(jī)的軟件基于Android平臺進(jìn)行開發(fā)，利用Android平臺強(qiáng)大的UI開發(fā)功能，為軟件各功能模塊設(shè)計(jì)顯示界面和實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)交互。

1）主功能界面顯示掃描、讀數(shù)據(jù)、標(biāo)簽管理和用戶管理等軟件功能模塊。如圖7所示，該界面以Fragment（碎片）進(jìn)行軟件界面開發(fā)，每個功能界面在單獨(dú)的Fragment中完成設(shè)計(jì)。采用ActionBar進(jìn)行各碎片的Tab（標(biāo)題）設(shè)計(jì)。然后調(diào)用ViewPagerAdapter類中的get PageTitle（）方法將Fragment頁面和Tab進(jìn)行匹配，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)擊標(biāo)題跳轉(zhuǎn)到指定頁面功能。

圖7 主功能界面示意圖

掃描功能界面里面設(shè)置4個按鈕對識別數(shù)據(jù)、過濾模式、清空數(shù)據(jù)和遠(yuǎn)程導(dǎo)入4個功能進(jìn)行監(jiān)聽。ListVIEW作為視圖框架，將標(biāo)簽數(shù)據(jù)、RSSI和距離值在List布局中顯示。

2）數(shù)據(jù)導(dǎo)入界面如圖8所示，該界面應(yīng)用PopupWindow彈窗，在彈窗布局中設(shè)置多個編輯框來獲取遠(yuǎn)程端的IP地址、數(shù)據(jù)庫名以及管理員賬戶和密碼，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程訪問數(shù)據(jù)庫功能。

圖8 訪問遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫示意圖

3）數(shù)據(jù)庫管理界面如圖9所示，該界面添加顯示、添加和刪除3個按鈕對本地?cái)?shù)據(jù)庫的顯示和增刪進(jìn)行操作監(jiān)聽，設(shè)置2個編輯框用于顯示或編輯數(shù)據(jù)。用List VIEW對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。

圖9 用戶數(shù)據(jù)庫示意圖

4）用戶登錄界面如圖10所示，該界面設(shè)置導(dǎo)入信息和登錄2個按鈕，分別負(fù)責(zé)用戶賬號信息的導(dǎo)入和登錄管理。2個編輯框用于用戶輸入賬號和密碼信息。

圖10 登錄界面示意圖

4 結(jié) 語

本文實(shí)現(xiàn)了RFID手持機(jī)與智能工具柜終端數(shù)據(jù)庫的直接交互，不需要經(jīng)過服務(wù)器就可以直接獲取標(biāo)簽數(shù)據(jù)，并通過該數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對智能工具柜中缺失工具的指定查找，再利用RSSI信號強(qiáng)度數(shù)據(jù)對工具的位置進(jìn)行范圍估計(jì)，縮小查找范圍。經(jīng)測試，該軟件運(yùn)行穩(wěn)定，識別標(biāo)簽效果理想，實(shí)現(xiàn)了對車間工具的快速查找，提高了工具的使用效率，能夠?qū)囬g工具進(jìn)行有效管理。