超高频RFID在工业4.0中的应用

南通富士通微电子股份有限公司 夏 鑫 董 旺



超高频RFID在工业4.0中的应用

南通富士通微电子股份有限公司 夏 鑫 董 旺

【摘要】超高频RFID技术在人员管理方面正逐步显现优势，并具有广阔的前景，我们经过大量的实验和不断的努力，分析了在工业场所内利用UHF进行员工管理的实际应用情况及其影响，对不同标签在此领域的使用进行了比较，提出了以标签作为载体，数据库支持的定位模式，将员工信息记录在EPC存储器，通过在不同位置读到的EPC信息对员工进行定位，这里我们对定位系统的原理、功能和使用进行论述。

【关键词】RFID；标签；定位系统

引言

“工业4.0”描绘了制造业的未来愿景，提出继蒸汽机的应用、规模化生产和电子信息技术等三次工业革命后，人类将迎来以信息物理融合系统(CPS)为基础，以生产高度数字化、网络化、机器自组织为标志的第四次工业革命。我们利用射频识别技术是在工业4.0中的一次突破性尝试，不同于展会和图书管理系统的空旷的空间，工业场所内的情况要复杂的多，超高频RFID技术在此领域的应用所具有的优势和存在的不足是本文主要探讨和分析的内容。

1 UHF标签的选择

RFID系统的硬件部分主要有读写器和标签组成，每个读写器可配有4个天线。经过不断的实验发现，超高频标签对周围环境有一定的要求，水分和金属对标签的读写效果影响很大，对于我们需要的将标签佩戴在身上而言，这是一大障碍。通过努力，我们发现有一种近液体标签可以解决目前所面临的困难，为后续工作的开展打好基础。在模拟实际环境的情况下，通过试验得知标签的读距在4-5米左右，标签大小为100mm*25mm，符合工程的范围和使用要求。根据EPC Gen2规则，将EPC长度设为24位并与员工的工号一一对应，并利用数据库写入员工信息，如姓名、性别、部门等。如果有新的员工信息的变动，可以很方便的通过直接对标签内容修改达到更新员工信息的效果。

2 天线安装的方向和顺序

经过我们对示范工程场地的勘察，总共有两个通道，分别在一楼和三楼，一楼通道宽1.2米，三楼通道宽3.5米，两个通道都是车间的出入口。为了不影响三楼通道的整体外观，我们研究决定将天线安装在天花板上方，两个读写器各自配有4个12DBI的天线，朝向相对安装，即一组面向南，一组面向北，两组天线很好的提高了阅读的准确率和及时性。一楼由于空间较小，我们选用一个读写器加4个8DBI的天线，分为两组，两个方向，一组面向门外一组面向门里，所有的馈线都是3米长，即不影响读距也不影响美观。因为要考虑上层软件的写入，对于安装好的天线方式，我们有两种逻辑判断方式可供选择。

2.1 方向性

根据公司提出的要求和我们对读距的考虑，这里的方向性表明每组不同天线的阅读是代表明确的方向的，如果在天线正面朝向的那一端有读到标签信息我们就认为员工是从天线面向的方向往天线背面方向走来，大通道的两组天线刚好对应通道两个方向，能准确判定员工经过天线后还是否在车间内。但在天线安装好之后，经过多次实验，由于工厂环境原因，天线发射的波经过墙壁反射后，读距比实验的要远，所以会出现干扰的情况。如果两组天线有同时读到同一个标签，就不好再判断该员工是从哪一个方向走来，基于这种考虑，还要注意员工标签的佩戴方式，最好是保证只能一个方向读到，这样准确率更高。

2.2 顺序性

除了通过区别天线方向的方法来确定人员运动方向外，也可以不区分天线安装的方向性，只需将每组天线各自看成一个整体，即同两点确定一条直线的原理相类似，两组天线安装在一条直线上，当有员工先后经过两组读写器，通过读到的顺序可确定其运动方向。因为小通道里相对的两组天线距离较近，会出现先后读到的情况，这种方法在一楼的小通道里使用可解决这一难题。

3 系统架构与接口

3.1 系统软硬件环境

软件上我们使用Windows Server 2012R2操作系统，.NET环境，C#语言开发，SQL SERVER 2014数据库，整个系统包括以下组成部分：

(1)基于B/S架构，IIS搭建，WEB形式的信息管理系统，负责人员信息的维护、读卡器日志查询及日、月报表数据的查询与导出下载。

(2)WinForm环境的读卡器读取、分析程序。

WinForm环境的总控制台程序，负责各读卡器分析程序的启动与控制、每日、每月报表数据的自动计算。

3.2 系统架构设计原理

考虑到数据的并发及实时性需求，软件工作过程中，天线的读取数据全部在内存中进行计算、判断，仅在员工完成进入或离开的动作后才触发数据库的存储，最大限度的减少磁盘IO读取对程序性能的影响。

程序中大量使用多线程并发处理技术，尽可能提高处理速度，提升服务器的工作效率。当公司内部人员向知道相关员工此刻是否在车间内时，只需通过接口向系统发送想要了解的员工的工号，我们就会将此员工的近段信息反馈给他们，很好的将此系统与公司内部向连接，使得公司内部的部分活动的展开更加方便快捷。

4 使用说明

为了便于内部人员方便的了解员工或者自己的运动状态是否正确，我们在网页上可以看到所有人员的信息，并为需要的人员配备不同登录账号，根据职位需要选择不同的管理权限，只针对自己或下属的信息进行确认，当职位发生变动时，可及时的对权限进行修改，我们可将此项工作交给公司内部人员来处理。另外，每日会自动生成报表可供参考，到每月底时会生成月报表，总结这一个月内的员工定位信息。在管理界面上增加一项“异常管理”功能，可直接提取阅读状态中和逻辑有冲突的员工信息，而且可以通过观察之前的历史记录，对出现逻辑冲突的员工进出信息进行分析和总结，改进并完善，提高系统的准确率，再进一步进行人工判断是否异常。

5 可靠性

经过大量的信息采集，从员工佩戴标签的方式情况来看，我们对存在阅读错误或矛盾的情况作了准确分析，排除了天线安装位置会影响读取率和标签灵敏度两种因素，我们发现少数员工出现遮挡标签同时经过天线可读区域，标签的读取效果会大打折扣，读写器不能发现标签信息，数据库就不会传送员工数据，直到下一次读到员工信息时可能就会出现前后状态矛盾的情况。因此我们安排将标签佩戴在胸前，即使玩手机的时候也不会挡住标签，可靠性和准确性都得到了进一步提高，对后续工作的开展提供了很大的便利。

6 小结

超高频技术工作频率范围在860GHz-960GHz，具有读取方便快捷，使用寿命长安全性高，实时性强，标签成本低，标签数据可动态改动等优点，在很多领域内射频识别技术已经相当的成熟，得到了来自各行各业的认可，然而在工业智能化的大趋势下，类似的应用还处于起步阶段，为了让射频识别技术在工业4.0领域日益普及和完善，今后还要做出很多努力。

参考文献

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夏鑫（1965—），男，南京大学毕业，现任南通富士通微电子股份有限公司副总经理，研究方向为电子信息应用技术开发及集成电封装。

UHF RFID applications in industry 4.0

Xia Xin,Dong Wang
( NantongFujistu Microelectronics Co.,Ltd )

Abstract:UHF RFID technology in personnel management is gradually emerging advantages,and has broad prospects,we go through a lot of experiments and continuous efforts to analyze the use of UHF industrial sites within the actual application of the staff management and its impact on different labels used in this field were compared,it proposed to label as a carrier,database supported positioning mode,employee information recorded in the EPC memory by reading EPC information at different positions on the staff to locate,where we locate principle,function and use of the system are discussed.

Key Words:RFID;Label;Positioning Systems

作者简介：

基金项目：2013年江苏省重大科技支撑项目（编号：SBE201301631）。