基于物联网的面向生产现场注塑机的跟踪定位系统

凌 翔，张 昱

（1.广东省自动化研究所，广州 510070；2.广东省现代控制技术重点实验室，广州 510070；3.广东省现代控制与光机电技术公共实验室，广州 510070）

0 引言

当前，塑料制品已广泛应用到社会生产和生活的各个方面，而注塑机是批量生产各种塑料制品的主要设备。一个上规模的塑料制品生产企业需要几十到数百台注塑机不等，其中租赁作为一种常见的设备运营方式，以转让注塑机的使用权为主要特征，在市场中占有一定的份额。企业用于租赁的资产一般数量多，流动性大，分布面也比较广，如何在一定的范围内对属于本企业的租赁注塑机提供及时有效的服务，这是企业面对的难题。

同时，一旦注塑机借出，其在生产现场呈分散式布置。分布广泛性的特性使得企业很难对各台机器的使用状况进行跟踪和监控，而往往资产流向又恰好是企业最为关心的内容。注塑机设备随着借出和归还操作不断在使用者和企业之间来回流动，企业要求租赁者归还的资产不能有假冒伪劣替代资产等情况的出现。这就需要一种手段来对资产的合法性进行标识，并且这种标识必须是不可复制和篡改的。

因此，为了满足对注塑机异地跟踪定位需求，企业亟需建立一个跟踪服务网络，利用一种有效的资产认证方式来监管注塑机的流动状况，防止伪劣替代资产的流入造成企业资产的损失。本文考虑基于物联网技术，依托光载无线通信，以有源电子标签作为注塑机的身份标识实现对生产现场注塑机的定位跟踪。

1 国内外研究现状

在现行的资产定位跟踪管理方案中，主要是采用全球卫星定位系统、无线传感器网络、条形码等技术相结合对物品进行跟踪定位[1]。虽然这种方案能较好地实现物品定位和标识的功能，但在防止低劣替代资产流入及脱机信息存储等方面仍不能满足实际要求。

射频识别（Radio Frequency Identification, RFID）技术的普及为定位跟踪人员运动轨迹和物体活动轨迹提供了一种解决方案[2～4]，其通过对实体对象（包括零售商品、物流单元、集装箱、货运包装、生产零部件等）的唯一有效识别，依据读写器与安装在物体上的标签之间射频通信的信号强度来测量物品的空间位置。目前无线射频识别产业主要集中在技术应用较为成熟的欧美市场。飞利浦、西门子、ST等半导体厂商基本垄断RFID芯片市场；IBM、HP、Sybase等国际巨头抢占了中间件和系统集成的有利位置；Alien、Intermec等公司则提供RFID标签、天线、读写器等产品和设备[5～6]。相较于欧美等发达国家和地区，我国在RFID产业上的发展还较为落后，未形成成熟的RFID产业链。不过相对于中间件和后台软件的薄弱，系统集成环节还是发展较为迅速的。

针对自然界的野生动物定位跟踪识别是当前射频识别定位跟踪技术的一个成熟案例[7]。在动物身上安装电子标签并录入该动物的唯一身份ID信息，一旦动物进入RFID读写器的识别范围，其数据信息将会被自动识别出来。同时，阅读器将数据传输给远程数据服务器，上层的信息管理系统即可实现对动物的跟踪。

2 系统总体方案

本系统采取研究开发与行业应用相结合的方式，把先进的技术与行业、企业的实际需求紧密结合。以先进性和实用性为出发点，来切实解决企业生产运作管理中的实际问题。本系统针对注塑机厂家及出租方对于生产现场的注塑机设备实时定位跟踪的需求，以有源电子定位标签作为资产的唯一身份标识，将其安装在需要跟踪的注塑机机体上。同时，在生产现场和监控点部署用于目标识别和数据采集的RFID阅读器设备，来自动采集设备资产携带的标签信息。依托光载无线通信技术，通过光纤传输将采集的数据传给出租企业方的后台数据库服务器，从而使得出租企业方在任何可以上网的地方能随时定位跟踪注塑机的位置，有效防止资产的流失。

2.1 系统功能体系

整个系统的功能体系共分为三层，其组成如图1所示。

图1 系统功能体系层次图

1）数据采集层

数据采集层主要负责采集安装于生产现场注塑机设备上的电子标签信息，并将采集到的数据经由数据传输层传输给远程数据库服务器进行存储。其中，数据信息分为基础数据和实时动态数据。基础数据是每台注塑机设备的身份标识，如设备型号、性能参数、生产厂商等；实时动态数据即指标签发出的空间位置信息。

2）数据传输层

数据传输层是用来实现采集数据的传输与存储。考虑到出租方企业处于异地，生产现场的环境恶劣，故通过光载无线交换机来组建物联网信息传输平台。采集的数据经由光载无线交换机天线和光纤，传输给远程的后台数据库服务器系统。

3）管理服务层

管理服务层是生产现场采集数据的最终使用者，其以丰富的形式呈现信息并提供人机友好交互操作界面。对于操作过程比较复杂的客户端采用胖客户端应用；而对于主要以浏览查询为主的应用要求丰富的信息表现形式，可以采用基于IE浏览器的瘦客户端方式实现。

2.2 系统架构部署

根据生产现场实际空间情况及注塑机设备数量，将RFID阅读器部署在合适的位置，保证其覆盖整个监控空间。同时，将定位标签安装在注塑机设备的合适位置，并把当前设备的唯一身份标识信息录入到电子标签内存储。整个系统的架构图如图2所示。

图2 注塑机定位跟踪系统架构图

当阅读器捕获到其信号覆盖范围内的有源定位电子标签周期性发出的信号时，便通过无线Wi-Fi网络，经由光载无线交换机将相关数据传给异地的设备厂家或者出租方的后台数据库服务器。

远程客户端或移动终端通过读取后台数据库服务器的数据，对实时数据进行分析、判断，从而根据信号的强弱或信号到达时差来准确定位到跟踪的对象。一旦定位物体位置不处于监控范围，系统将根据事先制定好的规则进行评估发出预警、报警，从而实现对注塑机的实时定位监控及有效管理。

3 系统实现

3.1 RFID系统

RFID定位系统是用于获取装有RFID标签的注塑机信息，其主要包括三个部分，其示意图如图3所示。

图3 RFID定位系统示意图

阅读器：通过2.4G频段接收其所管辖定位器传来的标签信息，并将标签ID和标签所在位置信息通过无线网络传给后台服务器。

定位器：定位器主要完成标签定位功能。它将定位范围内的所有标签ID传给阅读器，实现标签的区域 定位。

有源RFID标签：在每个注塑机设备上装有RFID标签，当带有标签的注塑机进入定位器的定位区域后就将标签ID通过2.4G频段传给定位器，定位器同时将所捕获到的所有标签ID传给阅读器。

3.2 光载无线通信

基于当前主流的Wi-Fi无线接入技术，融合光载无线网络及其不同拓扑结构下的传输技术、Wi-Fi无线接入技术、射频交换与重构技术、无线传感技术，实现Wi-Fi射频信号和2G/3G/4G无线信号的大范围分布，同时实现多个接入点的射频交换、分配和功率控制，从而建立起基于光载无线传输与交换技术的物联网信息平台。通过此物联网信息平台，将设备厂家或出租方所关心的现场动态信息数据实时无线传输给异地的数据库后台服务器，从而实现对注塑机群的跟踪定位监控，为企业生产和设备的科学管理、调度、使用和维护提供充足的依据。光载无线网络及其拓扑结构如图4所示。

图4 光载无线交换机拓扑图

4 实验结果

根据上述的方案设计，我们选取一个空旷的仓库来进行实验。在仓库中设置14个12米长，4米宽的长方形堆放点，作为设备的指定堆放位置。为了能覆盖整个仓库和对每一个堆放点进行定位，此次实验共采用2个阅读器和16个定位器。其中每个定位器的定位范围为4米。在仓库的门口内外各放置一个定位器用来判断实验设备的入库和出库，其他定位器放置在每个堆放点的中间位置，从而实现对进入堆放点设备的位置定位识别。

实验时在每个入库资产上都装有有源RFID标签，当其进入堆放点放置时，RFID标签会以1秒为间隔通过2.4频段发送标签ID，堆放点的定位器就会接收其范围内的标签发来的身份标识信息，经由物联网信息平台的传输，设备的位置信息即可显示在异地出租方企业的计算机界面上。

图5 现场实验结果图

5 结论

本文针对注塑机厂家或出租方对生产现场注塑机进行定位跟踪的实际需求，融合工业自动化技术、物联网技术和信息化技术，结合注塑制造行业具体的业务运营模式，提出一个可用于租赁等商业模式中对分散的注塑机设备进行定位跟踪和服务的解决方案，实验结果显示该系统能准确定位异地的设备资产，从而有效防止资产的流失。该系统的成功实施会推动我国在基于物联网技术进行定位跟踪方面相关技术的研发与应用，为企业生产和设备的科学管理、调度、使用和维护提供依据，从而进一步提高企业的管理水平。

[1] 刘敏钰,吴泳,伍卫国.无线传感网络研究[J].微电子学与计算, 2005,7(22)：58-61.

[2] 刘宗元.基于射频识别的室内定位系统研究[D].广东：中山大学, 2009.

[3] 綦麟.基于公告服务平台的租赁资产跟踪服务架构设计[D].重庆：重庆大学,2009.

[4] 刘敏钰,吴泳,伍卫国.RFID国内外发展现状与趋势探究[J].电子测试,2013,7(22)：58-61.

[5] 曹永健,钱承山,许强,胡二猛.基于物联网技术的停车场定位系统设计[J].电子技术应用,2014,5(40)：42-45.

[6] 陆昊,陆安江,张正平.RFID技术在物流中的应用与研究[J].通信技术,2011,44(11)：56-58.

[7] 申凤伟.基于物联网构架的野生动物监测信息管理系统研究[D].武汉：武汉理工大学,2012.