智慧信息技術在全生命周期產品中的應用

鄭榮茂

（廣東機電職業技術學院信息工程學院）

1 引言

我國是各類產品制造和消費大國，產品質量關乎企業的生存與發展，并與人們的日常生活息息相關。隨著產品的更新換代，會產生大量的垃圾，有些垃圾產品含有毒、有害材料，如果處理不當將對環境造成非常嚴重的污染，威脅人類健康。同時，不合理的回收處理還會造成一定程度上的資源浪費。因此，有必要加強對原材料或零部件質量的控制來保證產品質量，同時根據產品質量問題跟蹤溯源原材料或零部件，并對產品回收過程監控。

條碼技術是集編碼、印刷、識別、數據采集和處理于一體的綜合技術，具有低成本、實用方便等優點。二維碼可記錄更多的信息，常用的碼制有：Data Matrix、Maxi Code、Aztec、QR Code、Vericode、PDF417、Ultracode、Code 49、Code 16K等。文獻[1]成功地將二維碼技術應用于發動機主軸瓦分選，在汽車發動機的生產過程控制、質量追溯方面取得很好的效果。

射頻識別（Radio Frequency IDentification，RFID）具有非接觸、自動多目標識別等優點，廣泛應用于高速公路收費、藥品跟蹤管理和集裝箱管理等領域。文獻[2]使用RFID作為信息載體，實現對家電產品生產、流通、銷售、使用、回收等環節的全程記錄，便于家電產品的追溯、質量查詢和跟蹤。文獻[3]提出基于射頻識別語義事件的物品跟蹤模型和追溯方法，實現供應鏈全過程的跟蹤和追溯管理，但產品物流信息與企業業務系統之間缺乏實時信息的采集和數據同步。文獻[4]提出構建基于RFID技術的汽車全面質量跟蹤系統，實現實時數據采集、實時監控管理和售后信息跟蹤，提高企業的生產管理水平和客戶滿意度，增強企業競爭力。文獻[5]通過智能加速度傳感單元實現車身運動姿態實時監測，進而構架一個完整的機動車運行安全狀態監測平臺。文獻[6]RFID應用于供應鏈管理。文獻[7]RFID應用于產品跟蹤追溯。文獻[8]RFID應用于生產線的監控及調度管理。

本文綜合二維碼、RFID射頻識別技術和主流IT網絡技術，提出一種構建智慧零件實現產品全生命周期各類信息的完全監控、有效跟蹤和靈活查詢方案。

2 零件全生命周期信息層次結構

根據信息的重要程度和使用情況，本文將產品/零件全生命周期的信息劃分五類：識別信息、基本信息、過程信息（制造、流通、維護等）、自診斷信息和報廢、回收信息。圖1為產品/零件全生命周期信息層次圖。識別信息即產品ID號，一般用于產品/零件的追蹤；基本信息包括名稱、規格、功能、使用方法等；過程信息包括產品制造、流通、維護等過程管理相關信息；使用信息特指產品運行情況下的狀態信息。一般情況下產品/零件不攜帶自描述信息，或僅貼附一維條碼等作為產品索引的簡單信息，將這類零件歸為非智慧零件。智慧零件的特點是包含更多的信息并可自描述信息。信息可用于實現對零件的監控、跟蹤、查詢等功能。智慧零件可認為是信息完備的實物和數字化的統一體，它除包含產品的名稱、規格、廠家聯系方式等基本信息外，還可增加描述零件功能、性能、運行環境、使用方法/條件及失效檢測等各類信息。根據智慧零件信息更新情況可分為主動智慧零件和被動智慧零件；根據智慧零件信息是否允許更新的動態特性可分為靜態智慧零件和動態智慧零件；根據智慧零件是否具有外部感知能力可分為半智慧零件和全智慧零件。此外，智慧零件還可以根據是否自帶電源分為有源或無源等不同類別。為后面討論方便，假定靜態智慧零件為無源（如具有二維碼的零件），動態標簽可以是有源或無源。

圖1 產品/零件全生命周期信息層次圖

主動智慧零件和被動智慧零件、靜態智慧零件和動態智慧零件、半智慧零件和全智慧零件之間的關系如圖2 所示。下面著重對靜態智慧零件、動態智慧零件和全智慧零件三種主要類型的智慧零件進行闡述。

圖2 各種分類條件下智慧零件相互間關系

2.1 靜態智慧零件

靜態智慧零件一般采用二維碼技術來描述產品/零件信息，二維碼與信息是唯一對應的，一旦生成原則上不允許修改。其優點有：可采用多種技術實現；適用于零件固定信息的描述；具有成本低，環境適應性廣、使用方便等特點。目前大多數智能手機通過安裝相應的軟件就可以很方便地讀出二維碼描述的產品信息，其缺點有：不能反映零件的變化情況；不適用于信息變化頻繁的情況；每次信息變化必須生成新的二維碼。

2.2 動態智慧零件

動態智慧零件一般采用帶存儲的RFID標簽來描述產品/零件信息，RFID具有非接觸、可反復修改的優點，可以根據產品信息的變化同步更新產品描述信息；缺點是使用成本較二維碼高，且使用RFID電子標簽對環境有一定要求。

2.3 全智慧零件

全智慧零件可采用帶傳感器的有源RFID或其它物聯網（Internet of Things，IOT）技術，通過傳感器或物聯網感知零件的運行狀態和使用環境，如溫度、濕度、壓力、形變、位移、持續運行時間、次數、電壓、電流等各種參數。全智慧零件自帶MCU可以解耦各種參數，從而判斷零件運行是否在最佳狀態。當出現異常時自動進行參數優化，避免零件長時間處于極端條件下運行；若調整失敗則自動向上發出警報。某種程度上全智慧零件可認為是 IOT的一個感知節點，優點是功能強大；缺點為成本相對較高，適用于重要部件或關鍵場合。

3 產品的全生命周期信息建模

產品的全生命周期信息（見圖3），包括：需求→設計→制造→流通→使用→維修→報廢，除此之外還應包括制造產品的原材料信息。產品信息P可以用九個參數描述：其中，R為產品需求分析過程所產生的信息；D為設計過程所產生的信息；Mat為原材料信息；M為制造過程所產生的信息；V為檢驗認證過程所產生的信息；C為流通過程所產生的信息；U為使用過程所產生的信息；Rep為維修過程所產生的信息；E為報廢回收過程所產生的信息。

圖3 全生命周期信息

產品的組裝過程將會出現多個智慧零件合并為一個智慧產品的情形，流通過程也會出現臨時包裝和拆包等情形，文獻[3]給出了一種產品物流動態跟蹤模型和追溯方法。

4 智慧零件智慧節點設計

4.1 靜態智慧節點

靜態二維碼智慧節點可以采用打印、絲印、激光燒寫等方式附于智慧零件非工作表面，包含產品/零件的識別信息、名稱、規格、功能等基本信息。圖4為使用二維碼靜態智慧節點產品示例，解讀二維碼得到零件的描述信息為 SKM75GB123D 22890000 711SK0082801 110644 07140，可知產品為SKM75GB123D型號的IGBT零件。

圖4 使用二維碼靜態智慧節點產品示例

4.2 動態智慧節點

動態二維碼智慧節點根據需要采用不同容量的RFID標簽，貼附于產品或零件的非工作區域（對于金屬零件還需要使用抗金屬膜），用于存儲產品/零件識別信息、名稱、規格、功能、使用等基本信息，以及記錄流通、使用、維護過程中產生的附加信息。

4.3 全智慧節點

全智慧節點具有靈活的自主能力和強大的運算功能，并能通過各類傳感器感知自身運行狀態或外部環境變化情況，智慧零件全智慧節點原理如圖5所示。全智慧零件是應用重點，符合未來發展趨勢，也是目前IOT研究的熱點。

圖5 智慧零件全智慧節點原理圖

5 智慧信息技術應用

5.1 產品信息的快速便捷獲取技術

圖 6為實驗用產品/零件（輪轂）使用激光打標機在非工作區域燒寫包含產品型號、規格等信息的二維碼。用戶可以使用具有二維碼識別功能的手機快速獲取附在產品上的詳細描述信息，為產品的流通、使用及維護提供方便。

圖6 實驗用產品零件

圖 7所示為激光打標機燒寫的該產品 Data Matrix二維碼，二維碼包含如下信息：“名稱=輪轂；型號=LT501；直徑=15寸；寬度=6.5寸；偏距（ET）值=45；輪轂孔距=4×100；中心孔=54.1”。應用 JAVA開發基于 Android操作系統的二維碼識別軟件，在HUAWEI-S8600智能手機上運行該軟件對30個零件表面的二維碼進行識別，二維碼識別情況記錄見表1。

圖7 產品DataMatrix二維碼

表1 二維碼識別情況記錄

完成識別最少需要869毫秒，最多需要2574毫秒，平均時間為1811.3毫秒。識別時間與二維碼的清晰程度，自動對焦拍攝過程鏡頭的抖動有很大關系。

5.2 產品動態檢測技術

圖 8為用于車輪狀態檢測的智慧節點相關傳感器驗證開發板，三維加速度傳感器用于車輪運行的狀態檢測，壓力傳感器用于胎內壓力檢測。智慧節點提供 256kB空間用于保存歷史檢測數據，并可通過Zigbee將檢測數據或歷史數據上傳至上位機。上位機根據輪胎壓力值或對三維加速度進行積分等數據處理，以獲得產品的運行狀態，從而判斷產品是否出現異常情況并及時報警。

圖8 智慧節點相關傳感器

6 結束語

目前，越來越多工業產品和快速消費品將二維碼用于生產過程或供應鏈全過程的跟蹤和追溯管理，便于企業業務系統快速采集產品數字信息。本文提出智慧產品的全生命周期信息模型；設計靜態智慧信息節點應用于輪轂生產和物流全過程的跟蹤和追溯管理；設計全智慧信息節點用于車輪運行狀態的檢測和報警；通過智能化采集完善產品使用情況信息，實現全生命周期產品信息的統一管理，并為產品的報廢回收提供有力的數據支持。

[1]董克安.二維碼技術在發動機主軸瓦分選系統中的應用[J].農業裝備與車輛工程,2010(10):27-30.

[2]余慶悅,駱德漢,鄭魏,等.RFID 在家電控制器中的應用[J].家電科技,2010(1):58-60.

[3]李敏波,金祖旭,陳晨.射頻識別在物品跟蹤與追溯系統中的應用[J].計算機集成制造系統,2010(1):202-208.

[4]李娟,蘇冠群,劉麗梅.基于 RFID 的汽車全面質量跟蹤管理系統研究[J].制造技術與材料,2010(19):38-39.

[5]張健偉,潘夢鷂,劉桂雄.基于GFSIN的車載式智能加速度傳感單元的設計[J].自動化與信息工程,2009(4):21-24.

[6]LEE D,PARK J.RFID-based traceability in the supply chain[J].Industrial Management &Data Systems,2008,108(6):713-725.

[7]王華兵,何大軍,魏鳳,等.基于 RFID 的可跟蹤追溯平臺研究與設計[J].微計算機信息,2008,24(29):199-201.

[8]何偉,曾雋芳,魏書楷,等.RFID 生產線監控及調度管理系統[J].自動化儀表,2010(3):35-37.