基于RFID 技术的危险化学品智能仓储管理系统

杨飞龙，张嘉琪，王 敏，张志魁

（天津理工大学环境科学与安全工程学院，天津 300384）

在我国工业快速发展的浪潮下，危险化学品的使用量与存储量急剧增加，加之危险化学品自身所具有的易爆、易燃、毒害、腐蚀、放射等性质［1］，导致其在生产、经营、存储、运输、使用、废弃处置的过程中安全事故频发［2］。

随着科技的发展，利用信息化先进技术提升危险化学品全生命周期监管的手段和工具已成为促进危险化学品行业健康发展的大趋势。作为启动21世纪的十大重要技术之一［3］，无线射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）技术［4］已经逐渐地被广泛应用于工业自动化、物流管理和交通运输控制等领域。RFID技术的优点是：①能识别单一产品；②在被覆盖的情况下能够进行穿透性通信；③能同时识别多个标签且实现同步通信［5］。目前，在危险化学品行业中主要将RFID技术应用于化学品的运输环节，结合GIS技术和GPS导航系统对化学品的地理位置信息进行实时跟踪，例如上海市的百万危险品钢瓶RFID项目［6］，将每个钢瓶附上唯一的电子标签，通过手持终端对信息进行读取。但在化学品的仓储管理中，RFID技术主要还只是应用在化学品的出入库登记环节，而在日常的化学品仓储管理中无法对化学品进行实时监控，需要仓库管理员定时对化学品库进行人工巡检，因此管理员不能直接获得实时的化学品仓储状态，使得仓库中化学品被盗及混存问题的发现存在一定的滞后性。同时，在管理员进入仓库并进行巡检工作时，与化学危险品接触几率大大升高，增加了安全隐患。

针对此类问题，以提高危险化学品仓库管理智能化为目的，本文提出了一种以RFID 技术为核心并结合步进电机精确定位技术和LabVIEW 软件开发平台的化学品智能仓储管理系统，该系统可实时获取化学品仓库中每个化学品的存储状态，大大减少了人工劳动，降低了运营成本，提高了管理效率。这种融合多种先进技术的危险化学品智能仓储管理系统的研发与试验，具有重要的实践意义。

1 系统总体结构设计

基于RFID 技术的危险化学品智能仓储管理系统将RFID 技术、无线传感网络（ZigBee）技术［7］、步进电机精确定位技术、虚拟仪器技术和无线充电技术等有机结合，主要由RFID 读写模块、步进电机控制器与驱动器、同步带滑台和上位机构成。

该系统由硬件和软件两部分组成。硬件部分将步进电机技术应用在同步带滑台［8］上，组成精确定位装置，该装置固定在化学品货架底部，并与RFID 读写模块相结合，运行过程中装置精确定位化学品的摆放位置，并通过RFID读写模块获取化学品的存储状态信息。软件部分通过ZigBee网络与硬件部分联系，操控精确定位装置和RFID 读写模块，系统软件具有数据管理功能，管理员可查询仓库中化学品的信息、参数和各类指标。该系统总体结构如图1所示。

2 系统硬件设计

2.1 步进电机定位模块

步进电机定位模块由装备有步进电机和皮带滑道的同步带滑台、步进电机控制器和步进电机驱动器组成。该模块通过ZigBee搭建的自组网进行指令传输，将上位机发出的电机启停等控制命令发出，步进电机控制器收到信号后向步进电机驱动器输出信号。步进电机驱动器起到驱动步进电机和细分电机步数的作用，使步进电机运行更加平稳。步进电机与皮带滑轨连接，皮带上固定一个滑块，使安置在滑块上的RFID 读写模块精确定位到正对化学品包装底部镶嵌有RFID 电子标签的位置。步进电机定位模块工作原理如图2所示。

2.1.1 电机控制模块

本设计使用的是应用于PC 上位机的5轴步进电机控制器，它将上位机发送的电信号转化为脉冲信号，输送给步进电机驱动器。步进电机驱动器的驱动方式为高低压驱动［9］，平均电流控制，两相正弦电流驱动，静止时电流减半。在控制过程中，当步进电机驱动器接收到一个脉冲信号，步进电机就将按照预先设定好的方向转动相应的角度。其中，位移量由脉冲的个数决定，位移速度由脉冲的频率决定。与此同时，通过脉冲频率也可控制步进电机转动的速度和加速度，从而实现速度的可调控制。

2.1.2 精确定位装置

步进电机作为系统执行元件，能够将输入的电脉冲信号转变为直线位移或者角位移信号［10］。本设计采用两相混合式步进电机，将此步进电机与安装有滑块的皮带滑轨相结合，组成同步带滑台，即步进电机的丝杆连接滑轨的皮带轮，电机运行时丝杆带动皮带运动，使皮带上的滑块在直线方向上做定点位移运动。步进电机定位装置如图3所示。

2.2 化学品信息采集模块

化学品信息采集模块通过ZigBee将上位机发出的读取、修改或写入命令传输给RFID 读写模块，使其对电子标签进行读取、修改或写入等操作，并以同样的传输方式将获取的电子标签信息传入到上位机。

2.2.1 RFID 读写模块

化学品信息获取由RFID 读写模块进行，在读写模块天线获得载波信号之后，电子标签通过天线调谐器将信号发送至读写模块，从而获得标签中记录的化学品基本信息，如化学品名称、摆放位置、进库时间、是否在库等。RFID 读写模块对此信号进行解调和解码后发送至上位机系统［11］。

2.2.2 RFID 电子标签

本设计使用的RFID 电子标签是应用FM1108型非接触式电子标签，采用FM1108型芯片，标签存取容量为8Kbits，工作频率为与读写模块相同的13.56MHz，以ISO14443TYPE A 协议为标准。该型号电子标签分为16个扇区，每扇区两组密码并包含4个块，每个块具有16个字节的存储容量；每个扇区的第4个块为密码块，不能用来存储数据（如块3，7，11，……）；扇区0中的块0记录了该标签的序列号及生产厂商的标志信息等，这些信息在出厂时已被固化，不能更改，因此该块不能再复用为应用数据块。

将电子标签镶嵌于化学品包装底部，并将化学品基本信息存入标签，如化学品编号、名称等。待化学品入库验收后，仓库管理员将管理信息写入标签，如摆放位置、进库日期等。综合考虑存储信息与FM1108型电子标签的存储结构，设计了化学品仓储信息存储结构，见表1。其中，存储信息中的前9项由供应商在化学品出厂前存入电子标签指定位置，存储信息中的“摆放位置”和“进库时间”由仓库管理员在化学品入库后写入标签，“出库时间”和“领取员工编号”在化学品出库时由管理员写入电子标签。为防止密码块被错误篡改导致该扇区不可用，或出现特种危险化学品需要对其添加备注等情况，预留4个扇区（扇区12～15）作为备选块。

表1 化学品仓储信息存储结构Table 1 Information structure of hazardous chemicals in storage

2.2.3 无线充电方案设计

由于系统在运行过程中RFID 读写模块需要不断地进行直线方向的位移运动，因此为了保证系统在运行中的灵活性，采用无线充电方式代替传统的有线电源方式为读写模块供电。本设计的无线充电装置采用“磁耦合共振”技术［12］，储能部分采用超级电容。将超级电容与RFID 读写模块连接，无线充电发射模块固定在同步带滑块运动的初始端，当系统处于非工作状态时RFID 读写模块在同步带滑台初始端，使连接超级电容的线圈进入到发射模块的感应区域，此时发射模块对超级电容充电；当系统处于工作状态时已充电的超级电容为RFID 读写模块供电，使其正常工作。其中，发射模块输入电压为5 V 时，最大输出功率为5 W；电容选择5.5V4F的超级电容，为了保证RFID 读写模块长时间不间断工作，本系统将4个超级电容并联组成超级电容组。无线充电装置的工作流程如图4所示。

2.3 ZigBee网络的组建

考虑到化学品仓库存储量大且药品摆放位置密集的特点，为了简化系统在安装和维护过程中的难度，该系统采用无线通信技术实现数据的传输。与现有的各类无线通信技术相比较，ZigBee无线通信技术有较高的信息处理速度［13］，而且成本低、功耗小，适合于构建无线传感网络，因此选择ZigBee组建系统内部网络。基于此，本文设计了基于802.15.4无线标准网络协议，以2.4GHz ISM 频段的无线收发模块SZ02-RS232-2K为通信模块的无线传感器节点。该节点采用平面式通信体系结构，通过“多级跳”的数据传输方式将监控区域内的数据传输至终端，经测试数据有效传输距离为600m。ZigBee数据传输原理见图5。

3 系统软件设计

本系统采用美国国家仪器有限公司（National Instruments）的LabVIEW2012 软件平台进行开发，该平台是在测量测试及控制领域使用非常广泛的一种编程工具软件［14-16］。该系统软件采用数据流编程的方式，使得化学品信息的采集、数据处理、信号输出和控制变得快速准确。其主要流程为：启动程序后，系统首先初始化各个参数，包括各类模块、有关变量、I／O 输入输出端口等；在确认权限的情况下，通过上位机进行操作，将数据回馈上位机化学品安全管理系统软件进行处理，并对可疑的信息采取报警措施，如系统检测到化学品丢失、药品混存的情况等。该系统软件具有控制系统硬件、管理数据库、设定参数阈值等功能，可实现对化学品仓库的实时监控。系统软件程序主要流程见图6。

3.1 软件控制功能

在系统控制界面中，通过设定区设置相应的巡检方式，包括常规巡检、位置搜索、化学品名称搜索。在常规巡检模式下，管理员可以设定每次巡检之间的间隔时间，系统每隔此间隔时间对库房中的所有化学品巡检一次，管理员可在操作区控制精确定位装置的运行，系统自动将巡检时间和此时化学品的存储状态发送至数据库。在位置搜索和名称搜索两项精确定位模式下，查询项列表栏将显示相应化学品的名称和摆放位置，供管理员选择。完成巡检方式设定后可在操作区对步进电机定位模块和RFID 读写模块进行操作控制。每一次巡检进程结束后“巡检信息查询”一栏显示检查化学品的详细存储状态。图7为化学品名称搜索模式下，查询所有甲醇的存储情况。

3.2 信息管理功能

“药品管理查询”一栏为化学品数据库中的查询项，列表栏可显示所有记录在案的化学品的详细存储状态。通过选择查询项目（包括化学品名称、药品标签编号、摆放位置）可缩小查询范围，在此基础上可设定查找在库药品或已出库药品，使查找范围更加精确。

图8（a）显示为在化学品名称查询模式下，查询全部丙烯腈的存储状态，从中可以获得所有丙烯腈的摆放位置、进库时间、出库时间、负责管理该化学品的管理员编号以及在化学品出库时领取该化学品的员工编号等信息。在图8（b）“药品档案查询”一栏中通过查询项目的设置，可显示所查询化学品的各类参数指标和说明信息，以及该化学品安全技术说明书中的所有内容，可为危险化学品的安全管理提供依据。

3.3 参数设定功能

图9为步进电机运行参数设定区域，不仅可以对步进电机进行相应的细分精度、步距角、齿轮比的阈值参数设定，还可以对电机在运动过程中的状态参数，如运行距离、启动方向、运行速度等参数进行预先设定，并以存档文件的形式组成在不同情况下的运行方案，操作过程中管理员可方便地根据情况直接调用相应的运行方案，此项功能简化了操作流程，提高了系统的工作效率。

4 系统测试

4.1 步进电机操控测试

步进电机操控测试实验的目的主要是为了确定步进电机运行时的参数，从而使步进电机在运行过程中能同时兼顾准确性、稳定性、灵敏性和快速性。为了达到此目的，需要对步进电机驱动器参数进行设置。在小电流下系统需慢速运行，若加大运行速度或细分精度系统会出现不能精确定位或操控不够灵敏等问题；在大电流下系统运行稳定，但在系统低速运动时无疑增加了不必要的耗能。表2为系统达到测试要求时步进电机驱动器的参数配比。

表2 步进电机驱动器参数配比Table 2 Ratios of drive parameters in stepper motor

测试结果表明：在保证系统准确性和稳定性的基础上，将动态电流平均值设定为2.0A，细分倍数设置为16 时，步进电机能以最快的平均速度500 mm／s稳定运行；并且在达到同样效果的前提下，步进电机以此设定参数稳定运行时耗电量最小，达到了测试要求，可以应用于系统的实际运行环境中。

4.2 RFID 模块信息读写测试

RFID 模块读写电子标签的工作流程如图10所示。RFID 读写模块以命令一一响应的方式工作，在系统中模块处于从属地位，即不主动发出命令，由主机首先发出命令，然后等待模块响应。

图11为RFID 读写模块测试程序界面，设定卡块地址、读取或写入卡块个数、开始读或写信息索引的值，程序运行过程中经过的每个阶段，包括：“请求”、“防碰撞”、“选择”、“秘钥验证”、“读块信息”、“写块信息”、“关闭块”，成功通过时各个阶段相对应的布尔控件将被点亮，否则保持熄灭状态。

图12为RFID 读写块信息程序框图。需要写入的信息通过“写入字符”控件以数据流的形式进入到写块程序中，通过“卡块地址”控件选择要存入的块地址，最后数据流进入读块程序，将写入的信息通过显示控件显示出来。测试结果表明：RFID 读写模块在距离电子标签60mm 以内的范围数据传输最稳定，读写成功率最高，可以实现正常的信息采集工作，能够应用到化学品仓库的实时监控中。

5 结论

本文提出的危险化学品智能仓储管理系统以无线射频识别技术和步进电机技术为核心，构建了智能仓储管理系统硬件平台，完成了步进电机传动组件的设计，在LabVIEW 开发环境下实现了RFID读写模块和步进电机传动模块的软件分析与设计，将软件工程的理念应用到系统软件的设计和实践中。该系统主要有以下特点：①用RFID 电子标签代替仓储管理中传统的条形码，解决了条形码易磨损和存储信息量小的问题；②通过无线传感网络技术实现了命令的发送和数据的传输，在降低系统能耗的同时也简化了装配的难度；③设计了一种基于超级电容的无线充电方案，提高了系统在运行过程中的灵活性；④应用虚拟仪器技术LabVIEW 编程语言实现了系统软件部分的设计与硬件部分的测试，在工程应用中有效地预防了化学品仓库中药品被盗和混存现象的发生；⑤通过RFID 技术与步进电机技术的结合，巧妙地将RFID 技术应用于危险化学品仓库日常的实时监控中，不仅有效地以装置的智能巡检代替了管理员的人工排查，减少了仓库管理员与危险化学品直接接触所引起的安全隐患，而且使RFID 技术的应用范围得到了推广和延伸。参考文献：

［1］佴士勇，宋文华，白茹.浅析危险化学品分类［J］.安全与环境工程，2006，13（4）：35-38.

［2］赵来军，吴萍，刘寅斌.我国危险化学品安全监管网络整合研究［J］.中国安全科学学报，2009，19（2）：47-52.

［3］孙伟，董耀华.基于RFID 技术的剧毒危化品物流服务平台研究［J］.中国安全科学学报，2011，21（2）：147-151.

［4］Domdouzis K，Kumar B，Anumba C.Radio-frequency identification（RFID）applications：A brief introduction［J］.Advanced Engineering Informatics，2007，21（4）：350-355.

［5］皮明峰，邓飞其.面向制造业的RFID 复杂事件处理［J］.计算机应用，2010，30（10）：2768-2807.

［6］周峰，胡澴，沈月静，等.RFID 技术在危险品物流管理中的应用［J］.物流科技，2007（11）：21-23.

［7］Suzuki N，Mitani T，Shinohara N.Study and development of a microware power receiving system for Zigbee device［C］／／Microwave Conference Proceedings（APMC），2010 Asia-Pacific.Piscataway：IEEE Press，2010：45-48.

［8］葛正浩，张凯凯，梁金生，等.基于虚拟样机技术同步带传动的动态性能研究［J］.机械传动，2011，35（3）：64-66.

［9］丁雄伟，杨定安，宋晓光.步进电机的控制原理及单片机控制实现［J］.煤矿机械，2005（6）：127-129.

［10］刘玉秋，何毅，梅雪，等.步进电机的控制系统原理以及应用［J］.煤矿机械，2013，34（6）：199-200.

［11］Yang S，Zhao L，Han J.An intelligent management system based on RFID technology［C］／／Proceedings of the 2011 IEEE International Conference on Cyber Technology in Automation，Control，and Intelligent Systems.Piscataway：IEEE Press，2011：269-272.

［12］窦延军.一种磁耦合谐振式无线充电系统的设计［D］.成都：电子科技大学，2013.

［13］Liu J，Dai Y.Design of city fire alarm system based on wireless senor network［J］.Journal of Natural Science of Human Normal University，2011，34（1）：43-46.

［14］陈颖，李实，王枫，等.基于LabVIEW 的EAST 高速数据采集系统［J］.计算机应用，2012，32（S2）：199-202.

［15］陈树学，刘萱.LabVIEW 宝典［M］.北京：电子工业出版社，2011.

［16］Jeffrey T，Jim K.LabVIEW 大学实用教程［M］.乔瑞萍，等译.3版.北京：电子工业出版社，2008.