RFID中间件技术在汽车装配线中的应用研究

李鸿，周建平，许燕，周利娜

(新疆大学机械工程学院，新疆乌鲁木齐 830047)

现有汽车总装配线上大多采用人工或半智能化装配，由于零部件种类及数量繁多，难免经常会发生错装漏装多装、管理人员不能及时了解装配信息以及数据采集过程中容易发生人为错误等问题，导致装配线效率低下。

在汽车装配线上引进RFID(Radio Frequency I-dentification)，即射频识别技术，该技术可支持快速读写、非可视识别、移动识别、多目标识别、定位及长期跟踪管理，能有效提高汽车装配线的效率［1］。

1 RFID技术系统构成

1.1 RFID技术

一套完整的RFID系统，是由阅读器(Reader)、电子标签(TAG)、RFID中间件及应用软件系统4个部分所组成，其工作原理是:阅读器(Reader)发射一特定频率的无线电波能量给电子标签，用以驱动电子标签电路将内部的数据送出，此时阅读器便依序接收解读数据［2］，接收到的数据由RFID中间件处理之后，传送给应用企业程序进行应用。系统工作原理图如图1所示。

图1 RFID系统原理图

1.2 RFID中间件

RFID中间件(RFID Middleware)是RFID技术应用的关键环节，它对下屏蔽不同RFID［3］设备的硬件差异，对上层应用提供有用信息与统一接口，能处理从一个或多个读写器获得的RFID事件数据流，可实现对数据的缓存、格式转化、过滤、计数、整合等操作后，最终将有价值的数据上报给应用系统，供管理者浏览、选择、修改、查询。

2 汽车装配线的结构设计

2.1 装配系统构架

汽车装配系统由EPC标签、RFID读写器、读写器天线、电子看板、RFID中间件［4］等部件组成。整个系统构架图如图2所示。

图2 汽车装配线系统构架图

2.2 系统流程设计

在整个零部件装配过程中，读写器与工位控制器相连，工位控制器通过串口方式与车间控制计算机相连，车间控制计算机又通过企业局域网与数据库服务器相连。在等待装配的汽车配件上贴上EPC电子标签，装配工位上装有读写器，当待安装件进入该工位时，读写器读取电子标签信息，并判断装配是否合格，之后送入下一工位继续安装。具体装配流程图如图3所示。

图3 装配流程图

2.3 汽车装配线的功能模块设计

在装配过程中，RFID读写器自动采集安装信息，实现装配信息的共享及智能化管理。系统管理功能如图4所示。

图4 装配线系统功能原理图

装配系统中主要实现如下几大功能:

(1)零部件跟踪管理。贴有电子标签的零部件进入装配工位时，读写器试读标签信息，通过数据库查询相应的产品信息，记录当前装配信息，并向标签中写入当前车辆装配状况，实现对零部件的跟踪管理。

(2)人员信息管理。每个工人佩戴一个电子标签，进行唯一身份识别;工人进入工位时，读写器自动采集信息，一旦发生装配问题，以此信息作为信息源查找责任人。

(3)工位装配信息管理。当产品进入某个工位时，读取产品信息并与此工位进行关联，系统自动记录开始装配时间，相应地在电子看板上显示装配状态［5］。

(4)系统管理。实现装配信息的实时更新与查询，装配异常时产生异常报告等。

实现这些功能的关键是完成RFID中间件读写器管理、数据处理及消息传送。

3 汽车装配中RFID中间件设计

该系统中的RFID中间件由读写器管理模块、数据过滤模块及消息管理模块3个部分组成。汽车装配系统RFID中间件的功能模块图如图5所示。

图5 汽车装配线中RFID中间件功能图

3.1 读写器管理

在整个汽车装配线上有多台读写器，并且是不同厂家的，这就要求对多台以及不同厂家的读写器驱动程序进行抽象与封装，通过统一封装提供统一的操作接口和通信协议，并能快速、便捷地纳入到RFID中间件系统的管理范畴，进而达到对物理读写器的管理和配置。读写器管理模块主要实现基础数据的采集、连接多台读写器及读写器管理配置，结构图如图6所示。

图6 读写器管理模块结构图

系统中选用的RFID读写设备支持RS232接口标准，基于RS232接口的硬件适配器是采用Java串口通信包comm．jar(Java Communications API)编写的［6］，读写器实现读写的伪代码如下://识读标签操作HashMap＜String，String＞singleTagMap=epc．identifySingleTag(0)……if(singleTagMap!=null){System．out．println("识读标签成功!标签ID数据:"+single TagMap．get("tagID")．toString()+"天线号地址:"+singleTagMap．get("antennaNo")．toString());}……//写标签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("写标签写入成功!");}……

3.2 RFID中间件数据过滤

汽车装配过程中，在装配线上就有多台读写器，RFID读写器处于循环工作状态，并且读取速度很快，读写器可以标识读取范围内的所有标签，这就导致短时间内会产生海量的标签数据，其中大部分都是重复和冗余数据［7］，因此采用RFID中间件中的数据过滤模块对原始数据进行处理。汽车制造业RFID中间件的数据过滤模块的流程图如图7所示。

图7 汽车制造业中数据过滤流程图

在数据处理过程中，数据过滤器对数据的过滤起着重要的作用，主要有如下过滤器:

(1)平滑过滤器。只发送发生变化的数据，即过滤掉重复的数据。

(2)时间过滤器。根据时间段来过滤数据，可以选择只过滤出5 s内读取到的数据。

(3)事件过滤器。根据用户设定的特定事件进行过滤，过滤出对用户有价值的数据。

其中，过滤器的程序设计实现方法如图8所示。

图8 数据过滤器程序设计实现方法步骤图

3.3 消息传送

数据可以通过多种通信方式(如:TCP、HTTP、JMS等)在系统和应用间流入流出。该系统中间件的设计环境是在分布式RFID网络中，将采用JMS技术(Java MessageServer)，这种技术是一种异步消息传输方式，它利用存储转发的原理，使得事件发布方和订阅方互相传递消息时无需等待，方便实现了跨语言、跨平台的信息共享。

RFID中间件将原始的EPC标签代码数据抽象成信息后，就要考虑如何将信息发布给应用程序［8］。该系统中采用JMS(Java Message Service)规范的发布/订阅模式，JMS是访问企业消息系统的标准API，定义了Java中访问消息中间件的接口。JMS程序设计步骤如图9所示。

图9 JMS程序设计步骤图

具体发送接收的实现过程选用JMS定义的ObjectMessage的消息体。发送消息语句:objectMS=session．createObjectMessage();消息接收过程中在消息接收对象中注册消息监听对象，以实现事件消息的判断、接收和处理。伪代码如下:QueueReceiver receiver=session．createReceiver(queue);receiver．setMessageListener(this);connection．start();……

最后调用onMessage()方法接收事件消息并对其内容进行相应的处理。

4 系统实现

对于此系统来说，需要连接多种应用系统，而JAVA是目前应用最为广泛的编程语言，另外JAVA的平台无关性，可以让应用运行在多种平台上，也扩大了应用范围，因此在此系统中选择JAVA技术作为系统开发的技术平台，数据库选用SQL Server2005;将前面设计的RFID中间件［9］系统应用与汽车装配线上，最终实现了对汽车装配线的初步管理。管理系统如图10所示。

图10 汽车装配管理系统图

5 结束语

将RFID中间件技术应用于汽车装配线中，能实现装配信息的传递与及时反馈、现场数据的实时采集与监控可视化，保证装配准确化及产品信息可追溯，最终提高企业的效率、降低生产成本，因此，RFID中间件技术将会广泛应用在汽车装配中。但是，RFID中间件是一个重要而又复杂的系统，目前的应用过程中还仍存在很多问题，正在逐步地改进和完善［10］。

［1］屈波．RFID在汽车装配中应用研究及其进展［J］．制造业自动化，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］舒远仲，朱玄华，田蕾，等．基于构件的RFID中间件管理模块的研究与开发［J］．计算机与现代化，2013(3):82－85．

［5］赵伟武．RFID中间件技术的应用和发展［M］．北京:华胜天成科技股份有限公司，2005．

［6］李宝利．基于Java的RFID中间件的设计与实现［D］．武汉:华中科技大学，2007:4－11．

［7］杨周辉，吴永明．基于RFID技术的汽车混流装配生产监控系统的设计与实现［J］．机械设计与制造，2011(10):246－248．

［8］吴强．基于JMS的消息中间件的研究［D］．武汉:武汉理工大学，2007:56－67．

［9］李宝山，赵显臣．RFID中间件系统关键模块的设计与实现［J］．信息技术，2008(8):170－173．

［10］路康，张启峰．基于JMS的RFID中间件设计与实现［J］．河南大学学报，2008，38(5):537－540．