基于物聯網的面向生產現場注塑機的跟蹤定位系統

凌 翔，張 昱

（1.廣東省自動化研究所，廣州 510070；2.廣東省現代控制技術重點實驗室，廣州 510070；3.廣東省現代控制與光機電技術公共實驗室，廣州 510070）

0 引言

當前，塑料制品已廣泛應用到社會生產和生活的各個方面，而注塑機是批量生產各種塑料制品的主要設備。一個上規模的塑料制品生產企業需要幾十到數百臺注塑機不等，其中租賃作為一種常見的設備運營方式，以轉讓注塑機的使用權為主要特征，在市場中占有一定的份額。企業用于租賃的資產一般數量多，流動性大，分布面也比較廣，如何在一定的范圍內對屬于本企業的租賃注塑機提供及時有效的服務，這是企業面對的難題。

同時，一旦注塑機借出，其在生產現場呈分散式布置。分布廣泛性的特性使得企業很難對各臺機器的使用狀況進行跟蹤和監控，而往往資產流向又恰好是企業最為關心的內容。注塑機設備隨著借出和歸還操作不斷在使用者和企業之間來回流動，企業要求租賃者歸還的資產不能有假冒偽劣替代資產等情況的出現。這就需要一種手段來對資產的合法性進行標識，并且這種標識必須是不可復制和篡改的。

因此，為了滿足對注塑機異地跟蹤定位需求，企業亟需建立一個跟蹤服務網絡，利用一種有效的資產認證方式來監管注塑機的流動狀況，防止偽劣替代資產的流入造成企業資產的損失。本文考慮基于物聯網技術，依托光載無線通信，以有源電子標簽作為注塑機的身份標識實現對生產現場注塑機的定位跟蹤。

1 國內外研究現狀

在現行的資產定位跟蹤管理方案中，主要是采用全球衛星定位系統、無線傳感器網絡、條形碼等技術相結合對物品進行跟蹤定位[1]。雖然這種方案能較好地實現物品定位和標識的功能，但在防止低劣替代資產流入及脫機信息存儲等方面仍不能滿足實際要求。

射頻識別（Radio Frequency Identification, RFID）技術的普及為定位跟蹤人員運動軌跡和物體活動軌跡提供了一種解決方案[2～4]，其通過對實體對象（包括零售商品、物流單元、集裝箱、貨運包裝、生產零部件等）的唯一有效識別，依據讀寫器與安裝在物體上的標簽之間射頻通信的信號強度來測量物品的空間位置。目前無線射頻識別產業主要集中在技術應用較為成熟的歐美市場。飛利浦、西門子、ST等半導體廠商基本壟斷RFID芯片市場；IBM、HP、Sybase等國際巨頭搶占了中間件和系統集成的有利位置；Alien、Intermec等公司則提供RFID標簽、天線、讀寫器等產品和設備[5～6]。相較于歐美等發達國家和地區，我國在RFID產業上的發展還較為落后，未形成成熟的RFID產業鏈。不過相對于中間件和后臺軟件的薄弱，系統集成環節還是發展較為迅速的。

針對自然界的野生動物定位跟蹤識別是當前射頻識別定位跟蹤技術的一個成熟案例[7]。在動物身上安裝電子標簽并錄入該動物的唯一身份ID信息，一旦動物進入RFID讀寫器的識別范圍，其數據信息將會被自動識別出來。同時，閱讀器將數據傳輸給遠程數據服務器，上層的信息管理系統即可實現對動物的跟蹤。

2 系統總體方案

本系統采取研究開發與行業應用相結合的方式，把先進的技術與行業、企業的實際需求緊密結合。以先進性和實用性為出發點，來切實解決企業生產運作管理中的實際問題。本系統針對注塑機廠家及出租方對于生產現場的注塑機設備實時定位跟蹤的需求，以有源電子定位標簽作為資產的唯一身份標識，將其安裝在需要跟蹤的注塑機機體上。同時，在生產現場和監控點部署用于目標識別和數據采集的RFID閱讀器設備，來自動采集設備資產攜帶的標簽信息。依托光載無線通信技術，通過光纖傳輸將采集的數據傳給出租企業方的后臺數據庫服務器，從而使得出租企業方在任何可以上網的地方能隨時定位跟蹤注塑機的位置，有效防止資產的流失。

2.1 系統功能體系

整個系統的功能體系共分為三層，其組成如圖1所示。

圖1 系統功能體系層次圖

1）數據采集層

數據采集層主要負責采集安裝于生產現場注塑機設備上的電子標簽信息，并將采集到的數據經由數據傳輸層傳輸給遠程數據庫服務器進行存儲。其中，數據信息分為基礎數據和實時動態數據。基礎數據是每臺注塑機設備的身份標識，如設備型號、性能參數、生產廠商等；實時動態數據即指標簽發出的空間位置信息。

2）數據傳輸層

數據傳輸層是用來實現采集數據的傳輸與存儲。考慮到出租方企業處于異地，生產現場的環境惡劣，故通過光載無線交換機來組建物聯網信息傳輸平臺。采集的數據經由光載無線交換機天線和光纖，傳輸給遠程的后臺數據庫服務器系統。

3）管理服務層

管理服務層是生產現場采集數據的最終使用者，其以豐富的形式呈現信息并提供人機友好交互操作界面。對于操作過程比較復雜的客戶端采用胖客戶端應用；而對于主要以瀏覽查詢為主的應用要求豐富的信息表現形式，可以采用基于IE瀏覽器的瘦客戶端方式實現。

2.2 系統架構部署

根據生產現場實際空間情況及注塑機設備數量，將RFID閱讀器部署在合適的位置，保證其覆蓋整個監控空間。同時，將定位標簽安裝在注塑機設備的合適位置，并把當前設備的唯一身份標識信息錄入到電子標簽內存儲。整個系統的架構圖如圖2所示。

圖2 注塑機定位跟蹤系統架構圖

當閱讀器捕獲到其信號覆蓋范圍內的有源定位電子標簽周期性發出的信號時，便通過無線Wi-Fi網絡，經由光載無線交換機將相關數據傳給異地的設備廠家或者出租方的后臺數據庫服務器。

遠程客戶端或移動終端通過讀取后臺數據庫服務器的數據，對實時數據進行分析、判斷，從而根據信號的強弱或信號到達時差來準確定位到跟蹤的對象。一旦定位物體位置不處于監控范圍，系統將根據事先制定好的規則進行評估發出預警、報警，從而實現對注塑機的實時定位監控及有效管理。

3 系統實現

3.1 RFID系統

RFID定位系統是用于獲取裝有RFID標簽的注塑機信息，其主要包括三個部分，其示意圖如圖3所示。

圖3 RFID定位系統示意圖

閱讀器：通過2.4G頻段接收其所管轄定位器傳來的標簽信息，并將標簽ID和標簽所在位置信息通過無線網絡傳給后臺服務器。

定位器：定位器主要完成標簽定位功能。它將定位范圍內的所有標簽ID傳給閱讀器，實現標簽的區域 定位。

有源RFID標簽：在每個注塑機設備上裝有RFID標簽，當帶有標簽的注塑機進入定位器的定位區域后就將標簽ID通過2.4G頻段傳給定位器，定位器同時將所捕獲到的所有標簽ID傳給閱讀器。

3.2 光載無線通信

基于當前主流的Wi-Fi無線接入技術，融合光載無線網絡及其不同拓撲結構下的傳輸技術、Wi-Fi無線接入技術、射頻交換與重構技術、無線傳感技術，實現Wi-Fi射頻信號和2G/3G/4G無線信號的大范圍分布，同時實現多個接入點的射頻交換、分配和功率控制，從而建立起基于光載無線傳輸與交換技術的物聯網信息平臺。通過此物聯網信息平臺，將設備廠家或出租方所關心的現場動態信息數據實時無線傳輸給異地的數據庫后臺服務器，從而實現對注塑機群的跟蹤定位監控，為企業生產和設備的科學管理、調度、使用和維護提供充足的依據。光載無線網絡及其拓撲結構如圖4所示。

圖4 光載無線交換機拓撲圖

4 實驗結果

根據上述的方案設計，我們選取一個空曠的倉庫來進行實驗。在倉庫中設置14個12米長，4米寬的長方形堆放點，作為設備的指定堆放位置。為了能覆蓋整個倉庫和對每一個堆放點進行定位，此次實驗共采用2個閱讀器和16個定位器。其中每個定位器的定位范圍為4米。在倉庫的門口內外各放置一個定位器用來判斷實驗設備的入庫和出庫，其他定位器放置在每個堆放點的中間位置，從而實現對進入堆放點設備的位置定位識別。

實驗時在每個入庫資產上都裝有有源RFID標簽，當其進入堆放點放置時，RFID標簽會以1秒為間隔通過2.4頻段發送標簽ID，堆放點的定位器就會接收其范圍內的標簽發來的身份標識信息，經由物聯網信息平臺的傳輸，設備的位置信息即可顯示在異地出租方企業的計算機界面上。

圖5 現場實驗結果圖

5 結論

本文針對注塑機廠家或出租方對生產現場注塑機進行定位跟蹤的實際需求，融合工業自動化技術、物聯網技術和信息化技術，結合注塑制造行業具體的業務運營模式，提出一個可用于租賃等商業模式中對分散的注塑機設備進行定位跟蹤和服務的解決方案，實驗結果顯示該系統能準確定位異地的設備資產，從而有效防止資產的流失。該系統的成功實施會推動我國在基于物聯網技術進行定位跟蹤方面相關技術的研發與應用，為企業生產和設備的科學管理、調度、使用和維護提供依據，從而進一步提高企業的管理水平。

[1] 劉敏鈺,吳泳,伍衛國.無線傳感網絡研究[J].微電子學與計算, 2005,7(22)：58-61.

[2] 劉宗元.基于射頻識別的室內定位系統研究[D].廣東：中山大學, 2009.

[3] 綦麟.基于公告服務平臺的租賃資產跟蹤服務架構設計[D].重慶：重慶大學,2009.

[4] 劉敏鈺,吳泳,伍衛國.RFID國內外發展現狀與趨勢探究[J].電子測試,2013,7(22)：58-61.

[5] 曹永健,錢承山,許強,胡二猛.基于物聯網技術的停車場定位系統設計[J].電子技術應用,2014,5(40)：42-45.

[6] 陸昊,陸安江,張正平.RFID技術在物流中的應用與研究[J].通信技術,2011,44(11)：56-58.

[7] 申鳳偉.基于物聯網構架的野生動物監測信息管理系統研究[D].武漢：武漢理工大學,2012.