基于RFID技術(shù)的鋼筋可溯源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張新，段萍，李建華，李傳明，丁承君

（河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300130）

基于RFID技術(shù)的鋼筋可溯源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張新，段萍，李建華，李傳明，丁承君

（河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300130）

為有效地避免鋼筋質(zhì)量問題，本文設(shè)計(jì)的鋼筋可溯源管理系統(tǒng)可以提供可靠的鋼筋流動(dòng)信息，供國家質(zhì)監(jiān)部門和消費(fèi)者對(duì)鋼筋質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控和查詢．系統(tǒng)采用RFID無線射頻技術(shù)進(jìn)行硬件的開發(fā)和軟件的設(shè)計(jì)，將鋼筋構(gòu)件從制造到現(xiàn)場使用的流通過程分為生產(chǎn)、運(yùn)輸、倉儲(chǔ)和使用4個(gè)階段，利用RFID專用識(shí)別讀取設(shè)備，對(duì)鋼筋構(gòu)件流通過程各個(gè)階段的信息進(jìn)行讀取并上傳到云端數(shù)據(jù)庫，生產(chǎn)廠家和使用現(xiàn)場通過計(jì)算機(jī)調(diào)用云端數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)跟蹤監(jiān)控鋼筋構(gòu)件的流通過程，實(shí)現(xiàn)鋼筋構(gòu)件的全程可溯源管理．本文論述了該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程，經(jīng)驗(yàn)證本系統(tǒng)對(duì)于鋼筋管理具有很強(qiáng)的實(shí)用性、可靠性和安全性，滿足了人們對(duì)于鋼筋管理的迫切需求．

RFID；鋼筋；可溯源；系統(tǒng)管理；質(zhì)量監(jiān)控

0 引言

隨著建筑行業(yè)的加速發(fā)展，鋼筋構(gòu)件使用量不斷加大，然而鋼筋構(gòu)件的供貨渠道復(fù)雜、品牌多樣，導(dǎo)致復(fù)檢任務(wù)增加．為降低施工成本，一些施工單位不按相關(guān)規(guī)定進(jìn)行復(fù)檢，甚至存在不檢就用的現(xiàn)象[1]；同時(shí)鋼筋構(gòu)件生產(chǎn)廠家不能跟蹤產(chǎn)品動(dòng)態(tài)信息，現(xiàn)場施工單位亦不能有效查驗(yàn)鋼筋構(gòu)件的來源信息，造成鋼筋構(gòu)件的真?zhèn)涡噪y以辨別，存在重大安全隱患[2-3]．因此，有必要對(duì)鋼筋構(gòu)件進(jìn)行可溯源管理，保證工程質(zhì)量安全．

無線射頻技術(shù)（RFID）是一種非接觸型自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，不僅具有防磁、防水、耐高溫、壽命長、讀取距離大、標(biāo)簽數(shù)據(jù)可加密、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大等特點(diǎn)，而且能實(shí)現(xiàn)多標(biāo)簽識(shí)別[4-7]．該技術(shù)不要求目標(biāo)與系統(tǒng)之間建立機(jī)械或者光學(xué)接觸，通過天線頻率發(fā)射器形成電磁場把數(shù)據(jù)寫入附著在物品表面的標(biāo)簽中或者將標(biāo)簽中的數(shù)據(jù)傳送出去．與條形碼或二維碼不同的是，射頻標(biāo)簽不要求處在識(shí)別器視線之內(nèi)，可嵌入被追蹤物體之內(nèi)，使得標(biāo)簽不易脫落，也不易被掉包以次充好．將無線射頻技術(shù)運(yùn)用到鋼筋構(gòu)件可溯源管理中，對(duì)鋼筋構(gòu)件生產(chǎn)使用進(jìn)行可溯源管理，確保工程施工中使用合格鋼筋構(gòu)件，確保工程質(zhì)量安全[8-9]．

1 鋼筋可溯源管理系統(tǒng)需求分析

本文的設(shè)計(jì)目標(biāo)是在RFID技術(shù)的基礎(chǔ)上開發(fā)一個(gè)具有體系結(jié)構(gòu)開放、易擴(kuò)充、易維護(hù)、良好人機(jī)交互界面的鋼筋可溯源管理系統(tǒng)，為用戶提供一個(gè)快捷便利的查詢系統(tǒng)．

1.1 流程分析

在普通的鋼筋配送中，不能對(duì)鋼筋從出廠到施工現(xiàn)場的整個(gè)過程進(jìn)行追蹤，無法及時(shí)獲取鋼筋在配送過程中的時(shí)間和位置信息[10]，而在鋼筋施工過程中也無法直接獲得鋼筋的理論重量、直徑、彎鉤增長值、彎折修正值等性能參數(shù)和生產(chǎn)、銷售、運(yùn)輸?shù)任锪餍畔ⅲ畬FID應(yīng)用在鋼筋供應(yīng)鏈的始端，廠商將標(biāo)簽貼至鋼筋表面，標(biāo)簽發(fā)射的訊號(hào)可以及時(shí)、自動(dòng)地被接收器識(shí)別讀取，以實(shí)現(xiàn)鋼筋從出廠、配送、存儲(chǔ)、銷售、使用至退換貨處理等全部流通環(huán)節(jié)進(jìn)行實(shí)時(shí)追蹤和記錄．這樣大大增強(qiáng)產(chǎn)品流通管理的自動(dòng)化程度，提升鋼筋配送過程的管理效率．

1.2 功能需求分析

為了保證系統(tǒng)能夠安全、穩(wěn)定、可靠、高效的運(yùn)行，鋼筋可溯源管理系統(tǒng)應(yīng)該滿足系統(tǒng)處理的準(zhǔn)確性和及時(shí)性．由于鋼筋可溯源系統(tǒng)的查詢功能對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的功能和性能起著舉足輕重的作用[11]，信息的準(zhǔn)確性和及時(shí)性決定了鋼筋可溯源管理系統(tǒng)的成敗，所以在系統(tǒng)開發(fā)過程中必須采用一定的方法保證系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和及時(shí)性．

圖1 鋼筋可溯源管理流程框架Fig.1Process framework of steel traceability management

2 鋼筋可溯源管理系統(tǒng)總體框架

可溯源管理流程框架如下圖1所示．

實(shí)現(xiàn)方法：第1步，將鋼筋構(gòu)件從制造到現(xiàn)場使用的流通過程分為生產(chǎn)，運(yùn)輸，倉儲(chǔ)和使用4個(gè)階段；第2步，利用RFID專用識(shí)別讀取設(shè)備，對(duì)鋼筋構(gòu)件流通過程各個(gè)階段的信息進(jìn)行讀取并上傳到云端數(shù)據(jù)庫；第3步，生產(chǎn)廠家和使用現(xiàn)場通過計(jì)算機(jī)通過調(diào)用云端數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)跟蹤監(jiān)控鋼筋構(gòu)件的流通過程，實(shí)現(xiàn)鋼筋構(gòu)件的全程可溯源管理．

從鋼筋可溯源管理流程框架圖上，可以詳細(xì)查看鋼筋構(gòu)件從鋼筋原料采購到現(xiàn)場使用每個(gè)環(huán)節(jié)篩選出的溯源信息．鋼筋加工配送的各個(gè)環(huán)節(jié)信息指標(biāo)眾多，如果不加篩選，全部采集到系統(tǒng)中會(huì)造成信息的冗余和硬件資源的浪費(fèi)，影響溯源管理系統(tǒng)的工作效率．在可溯源指標(biāo)的采集端引用RFID技術(shù)，通過射頻識(shí)別信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象進(jìn)行篩選指標(biāo)的數(shù)據(jù)操作，能夠提高篩選數(shù)據(jù)的輸入效率．RFID電子標(biāo)簽具有唯一性和保密性的特點(diǎn)，使用RFID電子標(biāo)簽作為鋼筋構(gòu)件的身份識(shí)別標(biāo)識(shí)，能夠保證在配送過程中鋼筋構(gòu)件的唯一性，避免對(duì)篩選數(shù)據(jù)的非法修改，降低人為因素對(duì)系統(tǒng)的影響，使溯源管理系統(tǒng)的追溯結(jié)果更客觀可信．

3 鋼筋可溯源管理系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)

3.1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在硬件結(jié)構(gòu)中，電子標(biāo)簽用于記錄鋼筋的參數(shù)信息，以及實(shí)時(shí)配送信息；讀寫器主要功能是讀寫電子標(biāo)簽，分為主動(dòng)讀取和被動(dòng)讀取．讀寫器在讀取范圍內(nèi)發(fā)出電磁波，形成磁場，當(dāng)電子標(biāo)簽進(jìn)入磁場范圍內(nèi)，獲得能量，向讀寫器發(fā)出反饋信息；讀寫器也可以通過發(fā)送命令重新改變電子標(biāo)簽中的數(shù)據(jù)．讀寫器的天線在讀出和寫入過程中扮演著能量傳遞的中間角色，而讀寫器的讀寫距離從幾厘米到上千米不等，讀寫頻率也可以設(shè)置為低頻、高頻、超高頻和微波4種不同的頻段．電子標(biāo)簽和讀寫器之間采用射頻信號(hào)傳送信息，讀寫器與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器之間可以采用GPRS模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，使得埋入式傳感器、電阻傳感器等也可以通過加入無線傳輸模塊使用本系統(tǒng)，大大提高了系統(tǒng)利用率．硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示．

RFID讀寫器使用RLM200開發(fā)模塊，該模塊是一種手持式超高頻識(shí)別讀寫模塊，由UHF開發(fā)板、射頻讀寫模塊和50歐匹配天線組成，可讀寫最大距離為7 m．

圖3 SIM900A硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.3Hardware structure of SIM900A

圖4 軟件結(jié)構(gòu)Fig.4Software Structure

RFID讀寫器匹配的天線用來接收射頻信號(hào)，其原理為電感耦合效應(yīng)[12]．天線與讀寫器之間通過傳輸線連接，傳輸線的主要任務(wù)將獲得的射頻信號(hào)信息傳輸?shù)阶x寫器．傳輸線進(jìn)行屏蔽處理，從而減少傳輸信號(hào)的能量損失并有效排除雜散信號(hào)的干擾．天線對(duì)外界環(huán)境的影響比較敏感，特別是磁場的干擾，改變天線的工作環(huán)境后，必須重新對(duì)天線進(jìn)行匹配．

GPRS模塊以SIM900A為主控芯片，芯片的硬件接口十分豐富[13]，提供了模塊和客戶應(yīng)用電路的所有硬件接口．該模塊采用了節(jié)電技術(shù)設(shè)計(jì)，在SLEEP模式下最低耗流只有1.0mA,另外該模塊內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，擴(kuò)展的TCP/IP命令使用戶能夠很容易調(diào)用TCP/IP協(xié)議，在應(yīng)用數(shù)據(jù)傳輸處理時(shí)極大地方便了用戶[14]．用戶通過串口與讀寫器通信，然后利用AT指令設(shè)置控制模式[15]，采用TCP/IP協(xié)議通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)將標(biāo)簽信息發(fā)送到上位機(jī)．SIM900A硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示．

3.2 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

從圖1可以看出，在生產(chǎn)階段，主要通過基站式和手持式讀寫器對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行讀取并上傳到工廠數(shù)據(jù)庫，可溯源管理系統(tǒng)可以調(diào)用工廠數(shù)據(jù)庫RFID儲(chǔ)存的信息及其他傳感器上傳的信息；在運(yùn)輸階段需要帶有3G模塊的手持讀寫器對(duì)電子標(biāo)簽讀取信息并上傳至可溯源管理系統(tǒng)；倉儲(chǔ)和現(xiàn)場階段，也可以利用手持讀寫器通過3G模塊上傳到倉庫數(shù)據(jù)庫和施工單位數(shù)據(jù)庫．基于以上功能框架，軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4所示．

RFID讀寫標(biāo)簽的上位機(jī)軟件由操作界面和顯示界面組成，主要包括基本配置、基本操作、界面操作、窗口（狀態(tài)、數(shù)據(jù)、信息）、其他配置等模塊．該上位機(jī)軟件是通過串口技術(shù)與RFID系統(tǒng)通信，在使用之前需要安裝串口驅(qū)動(dòng)．打開軟件后首先要對(duì)軟件進(jìn)行配置（選擇設(shè)備類型、通信COM口和波特率），然后使用RFID讀寫器進(jìn)行對(duì)標(biāo)簽的讀寫．該上位機(jī)軟件功能架構(gòu)如圖5所示．

RFID天線發(fā)出某一頻率的射頻信號(hào)，當(dāng)電子標(biāo)簽進(jìn)入射頻信號(hào)的工作區(qū)域時(shí)，標(biāo)簽內(nèi)天線產(chǎn)生感應(yīng)電流通過控制電路驅(qū)動(dòng)內(nèi)部芯片進(jìn)行讀取操作，獲取標(biāo)簽存儲(chǔ)的信息并利用射頻信號(hào)傳送給處理模塊，處理模塊處理后傳送到顯示模塊并可通過接口模塊傳送到云端數(shù)據(jù)庫，同理，讀卡模塊通過射頻信號(hào)能夠進(jìn)行寫入信息的操作．RFID工作原理圖如下圖6所示．

圖5 上位機(jī)軟件功能構(gòu)架Fig.5PC software features architecture

圖6 RFID工作原理圖Fig.6RFID operating principle

軟件編程控制的基本思路是首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，將RFID射頻模塊與單片機(jī)相連，初始化射頻模塊；然后按照尋卡、選卡、讀（寫）卡的順序?qū)FID標(biāo)簽數(shù)據(jù)進(jìn)行讀（寫），將鋼筋從生產(chǎn)到使用各個(gè)環(huán)節(jié)的信息寫入標(biāo)簽或從標(biāo)簽中讀出，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼筋的可溯源管理，控制程序流程如圖7所示．

圖7 程序流程圖Fig.7Program flow chart

4 小結(jié)

本文采用RFID無線射頻技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了鋼筋構(gòu)件的全程可溯源管理，能夠?qū)摻顝某鰪S、配送、存儲(chǔ)、銷售、使用至退換貨處理等全部流通環(huán)節(jié)進(jìn)行實(shí)時(shí)追蹤和記錄．詳細(xì)闡述了鋼筋構(gòu)件的可溯源管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法及實(shí)施過程，有效地彌補(bǔ)了現(xiàn)有鋼筋管理方法的不足，有助于鋼筋管理實(shí)現(xiàn)更高層次的自動(dòng)化管理，因此在鋼筋管理中有很大的的實(shí)用價(jià)值和廣泛的發(fā)展前景．但是本文仍然有尚未攻克的問題，由于無線射頻技術(shù)尚未制定統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，這就增加了RFID技術(shù)的難度和風(fēng)險(xiǎn)．只有RFID技術(shù)形成統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)并且技術(shù)更加成熟，才能使RFID技術(shù)在鋼筋可溯源管理系統(tǒng)上得到更廣泛的應(yīng)用．

[1]張照華．鋼筋工程存在的問題[J]．安徽建筑，2008（1）：96-97．

[2]馮君．質(zhì)監(jiān)部門重拳出擊“瘦身鋼筋”打假戰(zhàn)役打響[J]．中國招標(biāo)，2013（13）：3-5．

[3]王隨民，林廣生，郭明強(qiáng)．建筑工程鋼筋專業(yè)化加工配送技術(shù)探討[J]．中州建設(shè)，2007（11）：51-51．

[4]羅春彬，彭龑，易彬．RFID技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用綜述[J]．通信技術(shù)，2009（12）：112-114．

[5]丁治國．RFID關(guān)鍵技術(shù)與實(shí)現(xiàn)[D]．合肥：中國科技大學(xué)，2009．

[6]吳奕甫．射頻識(shí)別-RFID_技術(shù)分析及其應(yīng)用研究[D]．成都：西南石油大學(xué)，2011．

[7]王宜菲．超高頻RFID天線設(shè)計(jì)技術(shù)研究[J]．現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（11）：113-114．

[8]曹志勇，周鋁，李曉斌，等．基于溯源技術(shù)的養(yǎng)殖廠管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．廣東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010（6）：237-239．

[9]李健林．基于供應(yīng)鏈管理的糧食溯源指標(biāo)研究[J]．經(jīng)營管理者，2013（9）：7-8．

[10]林榮天，陳聯(lián)誠，李紹靜，等．基于灰色神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域物流需求預(yù)測[J]．價(jià)值工程，2007（2）：92-95．

[11]曾姣艷，劉媛．中美第三方物流市場需求的比較分析[J]．物流科技，2004，27（2）：21-23．

[12]ZhuL，YumTSP．AcriticalsurveyandanalysisofRFIDanti-collisionmechanisms[J]．CommunicationsMagazine，IEEE，2011，49（5）：214-221．

[13]翟順，王衛(wèi)紅，張衎，等．基于SIM900A的物聯(lián)網(wǎng)短信報(bào)警系統(tǒng)[J]．現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（5）：86-89．

[14]向明尚，劉興偉．EPC物聯(lián)網(wǎng)在車輛管理系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]．大慶石油學(xué)院學(xué)報(bào)，2010（1）：89-101．

[15]甘志偉，閆凱．基于SIM900A的無線數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]．山西電子技術(shù)，2013（1）：55-58．

[責(zé)任編輯 田豐夏紅梅]

A steel traceability management system based on RFID

ZHANG Xin，DUAN Ping，LI Jianhua，LI Chuanming，DIN Chengjun

（School of Mechanical Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300130,China）

In order to effectively avoid steel quality problems,this design of reinforced traceability management system can provide reliable steel flow information for the national quality supervision departments and consumers to monitor and check the quality of steel.The system uses radio frequency technology to develop RFID hardware and software design, the circulation of the reinforced component from manufacturing to field use is divided into production,storage and use of four stages,read device by using RFID special recognition,the various stages of the circulation process of reinforced member information read and uploaded to the cloud database,manufacturers and use the site to the circulation process real-time tracking andmonitoringofreinforcedmembers calledclouddatabasedataby computer,to achievefullsteelcomponent traceability management.This paper discusses the implementation process of core problemof thesystem,forreinforced management has a very large practicality,reliability and sec urity and meet the urgent needs for reinforcement management.

RFID;steel;traceability;system management;quality control

TP311

A

1007-2373(2015)03-0044-05

10.14081/j.cnki.hgdxb.2015.03.009

2014-12-29

天津市重大科技專項(xiàng)（工程）項(xiàng)目（12ZCDZGX45800）；天津市科技支撐計(jì)劃（13ZCZDGX01200）；河北省自然科學(xué)基金（F2013202220）

張新（1966），男（漢族），高級(jí)工程師．

數(shù)字出版日期：2015-06-17數(shù)字出版網(wǎng)址：http://www.cnki.net/kcms/detail/13.1208.T.20150617.1542.005.html