基于RFID技术的服装生产过程管理系统设计

2018-04-11，，

单片机与嵌入式系统应用 2018年4期

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(陕西科技大学电气与信息工程学院，西安 710021)

引　言

近年来，随着经济全球化与科技管理信息化的协同发展，使得服装市场的竞争日趋激烈。现代服装市场需求正逐步面向着高级化、个性化以及多样化的方向发展。对于服装行业，由于款式、颜色,种类变化快与尺寸参数繁多的产品特性，导致在服装生产时产生大量的生产数据信息与报表，生产过程中产生的实时数据信息需要及时地更新与反馈[1]。

现有的绝大多数服装企业采用条形码或人工方法获取生产过程数据，但易出现人为过时导致的生产错误规格，数据信息通道反馈不畅出现的窝工情况[2-3]。针对此种现状，研究与开发了一种基于RFID技术的服装生产过程管理系统。通过对服装生产过程的分析，系统采用RFID技术与嵌入式技术，同时融合数据库技术，实现生产信息数据数字化表征。尽可能地减少制衣材料成本，优化服装生产过程管理能力，提高服装产品的生产效率。

1　系统结构设计

1.1　服装生产过程分析

完成系统结构的设计需要对具体的服装生产过程进行分析。然而不同的生产企业具有不同的生产工艺流程步骤，通过在某一服装企业实地调研，总结出该企业生产对于服装的生产主要包括有：服装设计、生产前准备、布料裁剪、布片缝制、锁眼熨烫、品质控制以及成品管理这7个环节。图1展示了某企业服装生产过程流程图。

图1　服装生产过程流程图

在此主要针对服装流程中的布料裁剪、布片缝制、锁眼熨烫以及品质管制这4个主要环节进行说明。布料裁剪是指将生产所需的原材料剪切成片，按件打包后供布片缝制车间使用。布片缝制车间是服装生产过程中最为复杂的一道工序，将接收到的裁剪包中的布片进行缝制形成服装半成品。锁眼熨烫车间则是将半成品制衣进行钉扣锁眼和成衣熨烫。品质管制环节是指将所有成衣进行质量检测后准备装箱入库。

图2　系统结构图

通过对该服装企业服装生产过程的分析，可以看出服装加工过程中主要存在的问题有：

① 人工干预过多。制衣流程中每道工序都需要人工操作进行数据记录，从物料准备到成衣完成的过程中会产生大量的数据，易发生错误统计。

② 管理层无法实时地对生产线的每道工序工作情况进行实时监控，导致订单跟踪困难。制衣车间在制衣过程中产生的生产数据较为孤立，在一定时间段内呈现为静态保存，不能随时的反馈于管理层。订单数据若发生修改也不能及时的检查更新，工位也不能及时了解计划进度调整，导致整条生产线动态响应能力差，订单跟踪反射周期长。

1.2　系统总体结构设计

根据以上分析提出了基于RFID技术的服装生产过程管理系统，系统以RFID技术为核心，同时结合嵌入式技术与数据库技术来解决上述问题，使企业导向为科技信息化的管理模式，从而有效地应对激烈的市场竞争。系统结构主要由三部分组成，分别是数据采集端、人机交互端程序以及云服务器数据库。其具体结构图如图2所示。

其中基础数据采集端为安置在每个工位的RFID读卡器，用于感应两类RFID电子标签，一类是绑定在每件服装衣料上的电子标签(电子标签附带在制衣物料上用以存储制服装颜色、尺寸和订单号等基础信息)与每个员工持有的员工卡(员工卡上记录员工基础信息每张卡片与员工唯一对应)。数据采集端通过感应电子标签，实时捕获生产进度情况，同时获取服装生产记录，包括操作员工、操作工序、执行时间等，所有采集到的数据最终在云服务器数据库中执行相应处理。

人机交互程序则与数据采集端和云服务器数据库相连，用以生产信息录入，生产过程信息查看修改等。而云服务器端数据库则负责对下位机RFID读写器提供的基础数据处理分析，用于系统信息管理、材料管理和计划调度等功能[5]。各个系统中三部分相互间紧密关联、分工协作，共同完成对于现有的传统人工生产管理体系的数字化信息技术升级。

2　系统硬件设计

系统的核心部分是数据采集端的RFID读写器，其主要安置在裁剪车间、缝制车间、熨烫车间各段位工位中，负责生产线数据采集、传输以及处理。具体布点设计图如图3所示。

硬件部分主要由嵌入式微处理器及其外围电路、WIFI模块、RFID读写模块和HMI串口屏幕组成。主控单元采用内核为ARM Cortex-M3的嵌入式控制器STM32作为控制核心，使用低功耗的MFRC-522作为RFID读写模块，WIFI模块使用ESP8266负责过程信息无线收发。HMI显示模块采用TJC8048T70_011触摸液晶屏完成人机交互。其中外围电路还包括：USB接口、复位电路以及电源模块。硬件结构图如图4所示。

2.1　主控单元电路设计

主控单元采用STM32F103RCT6作为核心处理器，完成数据采集传输及处理。主控电路通过SPI总线与RFID读写模块进行通信，完成信息采集与指令传递；通过两路UART分别连接WIFI模块与串口显示屏，完成网络通信与液晶显示；主控电路设计手动复位与上电自动复位两种复位方式，确保系统的稳定性；USB接口采用较为普遍的 MicroUSB 接口，同时USB接口上的D+和D-也连接到STM32的 PA11和 PA12引脚，可用于USB项目的开发；电源芯片采用L1117_3.3大电流稳压模块将外置的+5 V直流电压转化为+3.3 V直流电压，前后级都采用10 μF 的钽电容和0.1 μF 的电容滤波去耦,降低电源的纹波，保证在大负载下系统稳定运行。其原理图如图5所示。

图3　RFID读写器具体布点设计图

图4　硬件结构图

2.2　RFID读写模块设计

RFID读写模块采用NXP公司推出的MFRC-522作为读写芯片，在使用SPI总线完成通信时，MFRC522工作于从模式，使用SPI总线接口完成与主机通信[6-9]。在SPI通信中，MFRC522模块用作从机，SPISCK由主机产生。数据通过MOSI线从主机传输到从机；数据通过MISO线从MFRC522发回到主机。除了通用的4条SPI信号线(时钟线SCK、输入数据线MOSI、输出数据线MOSO和选通线NSS以外，RC522要求额外的2个引脚I2C和 EA分别固定接低电平和高电平。这2个引脚不参与SPI总线传输，只起设定RC522数字界面采用SPI接口的作用。其原理图如图6所示。

图5　主控单元电路设计原理图

图6　读写模块设计电路图

2.3　WIFI无线通信模块设计

因有线传输受距离、场地等限制，故而需要采用无线通信方式将RFID获取的成衣信息实时发送至上位机数据库，而WIFI传输因其传输距离远、节点可任意扩充的特点被采用。本系统采用ESP8266模块进行信息传送,其原理图如图7所示。选用BSS(Block Started by Symbol segment)构架，即将RFID读写模块作为客户端，负责信息的发送；将上位机作为服务器进行数据接收并存入MySQL数据库。在ESP8266模块中，将多个读写模块连接多个station节点作为信息的采集点接收成衣信息，并发送给一个softAP，它相当于一个中继站将来自各个station的信息汇总并传输给上位机处理，以实现WIFI的无线通信和信息的实时传输。

图7　WIFI模块设计电路图

2.4　HMI人机交互界面设计

图8　HMI接线原理图

触摸液晶屏采用TJC8048T70_011，是一种7.0寸的智能串口屏，HMI串口屏与其他类型的MCU总线屏一样对用户的硬件没有特殊要求，接线原理图如图8所示，可在上位机软件中依据实际需求封装好HMI的底层工程文件并使用串口或SD卡下载至屏幕设备中，由于设备内部已构建好底层驱动，所以使用MCU直接通过指令调取设备内的控件完成画面切换。同时串口屏集成GPU字库，支持多种组态控件，其中包括基本的按键控件、指针控件及二维码控件等；支持高级的串口主动数据解析功能可以实现自定义指令协议与屏幕通信。

3　系统软件设计

系统中的数据采集端采集到的数据是通过RFID读卡器感应到电子标签后完成的。RFID读写器中的嵌入式处理器控制RFID射频芯片MFRC522与RFID卡片进行数据通信，通信过程由识别、认证和数据读写这三个阶段构成[10]。根据系统需求，存储信息的RFID电子标签分为两种：一种为服装携带卡用以记录制衣物料上用以存储制服装颜色、尺寸和订单号等基础信息，RFID读写器可以通过感应标签后记录衣物生产记录，如操作人员、操作工序和操作时间等；另一种为员工电子标签内存储员工卡号及个人信息，并记录工时和绩效。员工在上下班时以及切换工位时需要在RFID读写器上进行感应，以便于计算绩效。当串口数据接收完毕后，通过无线通信模块发送至上位机数据库中。读卡端的软件设计流程图如图9所示。

图9　读卡端软件设计流程图

4　数据库设计

4.1　数据库系统架构

图11　数据库表连接关系图

系统数据库使用开源的MySQL构建关系数据库系统。使用数据库时，采用客户端/服务器(C/S模型)如图10所示，安装了该程序的计算机称为客户端，访问由RDBMS(Relational Database Management System)管理的数据库，RDBMS客户端根据自己的需求通过SQL语句发送给RDBMS服务器。RDBMS根据访问语句的内容返回所需要的数据，或者对存储在数据库中的原有数据进行更新。C/S 模式是基于企业内部网络的应用系统，不依赖于外部环境。具有分离和协同的工作特性、易于扩充、响应速度快、操作界面设计个性化、简洁方便等优点。

图10　数据库客户端/服务器(C/S类型)

4.2　数据信息模型建立

生产过程信息管理模型使得每件服装个体与RFID标签能唯一匹配。该系统中的实体主要有RFID标签表、工艺路线、生产加工记录、订单信息表和产品信息，如表1所列。其中以RFID标签表的实体属性为例，RFID标签表的实体属性包括有：RFIDID(电子标签拥有的ID号唯一且固定)、标签编码、标签发放记录、备注以及用以关联至下一张表的外键orderID。将与所有生产信息模型中的实体关联起来，便可以实现RFIDID号与服装个体的唯一标识，进而可以详细查看该服装的生产参数、加工过程信息等。各表之间关系如图11所示。