基于RFID和WiFi的車間工具管理手持機開發

楊光友，謝 旺

（1.湖北工業大學 農業機械工程研究設計院，湖北 武漢 430068；2.湖北省農業機械工程研究設計院，湖北 武漢 430068）

0 引 言

合理高效的車間工具管理系統能有效地管理各種工具的使用和出入庫，提高工具的利用率。目前，由于大型車間生產所需的工具種類眾多以及工作環境的復雜性，導致工具的出入庫和盤點等工作變得更加耗時費力，傳統的人工管理模式已經不能滿足現代車間的需求[1?2]。RFID（Radio Frequency Identification）是 一 種 非接觸的識別技術，利用無線電信號識別目標對象并獲取其中的數據信息[3]。與其他識別技術相比，RFID技術具有識別距離遠、抗污損能力強、適應環境能力強等優點[4]，使工具可以快速的自動識別，為解決工具管理的諸多問題提供了可能[5]。目前，RFID識別技術已經初步在航空維修[6]、石油鉆井[7]、鐵路建設[8]和電力系統[9?10]的工具管理中得到應用。本文以車間工具管理為背景，提出一種采用RFID和WiFi技術，基于Android的手持機系統設計方案，并介紹了手持機的硬件設計、軟件功能模塊以及相應程序的設計。

1 基于RFID和WiFi的車間工具管理系統

該系統主要由智能工具柜、RFID手持機、工具標簽和無線路由器組成。其總體框架如圖1所示。

圖1 系統總體框圖

1.1 智能工具柜終端的功能

智能工具柜作為整個系統的核心，負責所有標簽工具的存取管理和狀態的更新。智能工具柜采用多通道的閱讀器，同時獲取每層抽屜中RFID天線掃描到的標簽數據。通過與數據庫中的標簽數據對比來確定工具柜中所有標簽的存取狀態并更新。

1.2 RFID手持機移動端的功能

RFID手持機與智能工具柜處于同一局域網下，采用JDBC技術直接訪問智能工具柜終端的MySQL數據庫，獲取柜中缺失工具的標簽數據（EPC），并導入到手持機移動端的標簽數據庫。RFID手持機掃描獲取范圍內的所有標簽數據，并與手持機本地標簽數據庫的數據進行對比，將匹配成功的標簽數據顯示到界面上，同時還會根據返回的信號強度值（RSSI）估算標簽的位置區域，實現快速查找。

1.3 RFID手持機管理車間工具的優點

車間工具管理系統中，采用RFID手持機的優點主要有以下方面：

1）RFID手持機方便攜帶，操作人員能隨時隨地獲取工具柜中缺失的標簽信息進行就近查找。

2）通過盤點掃描功能，可以實現遠距離一次性識別范圍內的全部標簽，提高工作效率。

3）RFID標簽選用抗金屬材料，具有較強的抗污損性，能夠保證其在復雜工作環境中讀取的準確率。

2 RFID手持機的硬件系統

RFID手持機主要由CPU處理器、RFID模塊、WiFi模塊、藍牙模塊、觸控屏模塊等組成。手持機系統結構如圖2所示。

圖2 手持機系統結構圖

考慮到需要保證RFID手持機工作過程中軟件運行的穩定性，綜合比較各處理器的性能和功耗，選用ARMv8?A架構的Cortex?A53四核處理器，滿足Android 6.0系統的運行需求。選用的Wi Fi模塊支持IEEE 802.11 a/b/g/n協議和2.4G/5G雙頻，能保證網絡連接和數據傳輸的穩定性。同時手持機帶有USB 2.0 Type?C，以支持OTG，以用于軟件的調試。

RFID模塊的核心引擎采用基于Impinj公司的Indy R2000芯片，該芯片內置了ISO/IEC 18000?6C的完整協議處理系統，工作頻率為840~960 MHz，適用于全球所有的超高頻RFID工作。其中，該芯片專有的自干擾對消（SJC）技術可以讓芯片在復雜的工作環境中保持穩定，適合車間的工作環境[11]。最后，該芯片的讀卡距離（線極化）>21 m，讀卡距離（圓極化，室內）>25 m，能很好滿足查找的距離。

3 RFID手持機軟件開發

RFID手持機基于Android平臺進行軟件開發。Android作為一個完全開源的系統，提供了豐富的開發資源。該平臺支持GUI開發，能夠提供用戶良好的交互體驗。同時支持SQLite數據庫，可用作結構化的數據存儲。RFID手持機軟件的功能模塊圖如圖3所示。

圖3 RFID手持機軟件功能模塊圖

3.1 功能模塊

用戶管理：主要負責管理用戶登錄軟件的賬號信息。賬號信息從智能工具柜數據庫導入，用戶根據在智能柜終端注冊的賬號和密碼進行登錄。

掃描功能：掃描獲取范圍內的標簽數據并顯示到界面上，還可以通過過濾模式查找指定的標簽。讀標簽是讀取指定標簽內部的儲存信息。

標簽管理：主要負責管理從智能柜遠程端獲取的未入庫的標簽數據，并實時更新標簽的查找狀態。

系統設置：設置手持機的工作頻率、輸出功率等工作參數，并通過用戶登錄設置軟件的操作權限。

數據獲?。贺撠煆闹悄芄ぞ吖窠K端數據庫導出標簽數據和用戶數據到RFID手持機的本地數據庫。

3.2 手持機軟件開發關鍵技術

3.2.1 遠程數據庫訪問

JDBC（Java Database Connectivity）是Java語言中用來訪問數據庫的應用程序接口，提供了查詢數據庫中數據的方法[12]。Android是基于Java語言開發的，可以通過添加第三方依賴庫調用JDBC驅動。本文選用操作系統MySQL數據庫測試。

導入依賴庫成功后，需要調用Class.for Name（com.mysql.jdbc.Driver）語句來初始化驅動類。調用DriverManager類的getConnection（）與智能柜MySql數據庫建立連接。最后將獲取的數據集保存到本地數據庫。該功能的具體流程如圖4所示。

圖4 數據獲取流程圖

3.2.2 掃描功能

掃描功能是RFID手持機軟件中的核心功能。開發掃描功能時，直接導入手持機的官方SDK里面提供的動態依賴庫libDeviceAPI.so，并結合官方說明文檔進行二次開發。

1）初始化閱讀器

需要調用RFIDWithUHF類實現與RFID閱讀器的連接，調用該類中的init_R2000（）進行R2000模塊的初始 化。然后 調用UHFInit（）和UHFOpenAndConnect（）實現R2000芯片的連接和打開。

2）單步掃描功能

調用RFIDWithUHF類中僅用于R2000模塊的inventorySingleTagWithR2000（）進行單步識別并只返回一次標簽數據。返回的數據中，索引0為TID信息，索引1為UII，索引2為RSSI，然后將得到的數據進行處理并顯示到界面。

3）盤點掃描功能

首先需要啟動識別Tag循環功能，調用RFIDWithUHF類的startInventoryTag（），這里僅開啟識別循環功能，之后將識別到的數據上傳到緩存區，然后調用readTagFromBuffer（），從緩存區依次讀出標簽數據并進行處理。返回的數據和單步掃描一樣，只是可以一次性讀取多個標簽的數據。

3.2.3 過濾模式：查找指定標簽

手持機通過JDBC訪問智能工具柜的數據庫，導出工具柜中缺失狀態的工具標簽到本地數據庫。采用過濾模式進行單步識別或盤點識別時，會過濾查找本地數據中的標簽并顯示到界面，實現智能工具柜缺失工具的指定查找。本地數據庫采用開源的Android數據庫框架LitePal進行管理操作[13]。過濾模式流程圖如圖5所示，通過掃描獲取的標簽數據（EPC）與本地標簽數據庫的數據進行匹配，確定標簽的查找狀態（“1”表示已找到，“0”表示待查找），然后顯示到界面。

圖5 過濾模式流程圖

3.2.4 RSSI信號強度估算距離

接收的信號強度指示（Received Signal Strength Indication，RSSI）主要用于計算發射者和接收者之間的距離。根據發射點的功率到接收點的功率建立信號強度與距離的衰減模型，但是，由于實際過程受到環境等因素的影響，只能進行距離估算。

R2000模塊掃描識別標簽時會返回實時的RSSI值，但是，由于RSSI值會受到環境的影響而變得不穩定，需要采集多組數據進行分析計算。

1）數據采集（室內）

每10 cm做一個測量點，每個測量點采集10次RSSI值，設立20個測量點為一組數據。本文設計有7種不同規格大小的標簽，需要采集7組數據進行分析。

2）建立衰減模型

對每組的每個測量點的RSSI值進行均值處理，減少環境因素的影響。運用Matlab軟件進行多項式擬合（Polynomial），距離為y軸，RSSI值為x軸，分析得到衰減模型。模型擬合曲線圖如圖6所示。

圖6 模型擬合曲線圖

掃描標簽返回的RSSI會實時轉化為距離顯示到界面上，以便操作人員對工具的位置進行估計判斷。

3.3 軟件功能界面程序設計

RIFD手持機的軟件基于Android平臺進行開發，利用Android平臺強大的UI開發功能，為軟件各功能模塊設計顯示界面和實現良好的人機交互。

1）主功能界面顯示掃描、讀數據、標簽管理和用戶管理等軟件功能模塊。如圖7所示，該界面以Fragment（碎片）進行軟件界面開發，每個功能界面在單獨的Fragment中完成設計。采用ActionBar進行各碎片的Tab（標題）設計。然后調用ViewPagerAdapter類中的get PageTitle（）方法將Fragment頁面和Tab進行匹配，實現點擊標題跳轉到指定頁面功能。

圖7 主功能界面示意圖

掃描功能界面里面設置4個按鈕對識別數據、過濾模式、清空數據和遠程導入4個功能進行監聽。ListVIEW作為視圖框架，將標簽數據、RSSI和距離值在List布局中顯示。

2）數據導入界面如圖8所示，該界面應用PopupWindow彈窗，在彈窗布局中設置多個編輯框來獲取遠程端的IP地址、數據庫名以及管理員賬戶和密碼，實現遠程訪問數據庫功能。

圖8 訪問遠程數據庫示意圖

3）數據庫管理界面如圖9所示，該界面添加顯示、添加和刪除3個按鈕對本地數據庫的顯示和增刪進行操作監聽，設置2個編輯框用于顯示或編輯數據。用List VIEW對數據庫中的數據進行顯示。

圖9 用戶數據庫示意圖

4）用戶登錄界面如圖10所示，該界面設置導入信息和登錄2個按鈕，分別負責用戶賬號信息的導入和登錄管理。2個編輯框用于用戶輸入賬號和密碼信息。

圖10 登錄界面示意圖

4 結 語

本文實現了RFID手持機與智能工具柜終端數據庫的直接交互，不需要經過服務器就可以直接獲取標簽數據，并通過該數據實現對智能工具柜中缺失工具的指定查找，再利用RSSI信號強度數據對工具的位置進行范圍估計，縮小查找范圍。經測試，該軟件運行穩定，識別標簽效果理想，實現了對車間工具的快速查找，提高了工具的使用效率，能夠對車間工具進行有效管理。