基于RFID的混凝土管樁生產(chǎn)管理系統(tǒng)

張聰， 錢松榮

(復(fù)旦大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200433)

0 引言

混凝土管樁是施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施安裝前常用的裝配式預(yù)制構(gòu)件，其產(chǎn)品在施工前預(yù)先完成，具有安全、耐用、環(huán)保、可維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。但在實(shí)際過(guò)程中，由于建筑行業(yè)施工環(huán)境復(fù)雜，對(duì)混凝土管樁的生產(chǎn)缺乏有效管理，導(dǎo)致管樁質(zhì)量得不到有效保證(如鋼筋強(qiáng)度不合格，養(yǎng)護(hù)時(shí)間不足等)，給施工帶來(lái)安全隱患；此外由于管理落后等問(wèn)題，大部分企業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化程度不高，仍是勞動(dòng)密集型的生產(chǎn)管理結(jié)構(gòu)，造成人力物力的極大浪費(fèi)，不利于企業(yè)在市場(chǎng)化環(huán)境下的成長(zhǎng)。

隨著信息技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，人們開(kāi)始探尋通過(guò)RFID(Radio Frequency Identification，射頻識(shí)別)技術(shù)解決上述問(wèn)題[1]。RFID技術(shù)是自動(dòng)識(shí)別技術(shù)的一種，利用無(wú)線射頻方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，對(duì)目標(biāo)加以識(shí)別并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)；RFID技術(shù)可以在無(wú)需人工干預(yù)的情況下完成信息輸入和處理，同時(shí)具有非接觸識(shí)別、抗污染性和耐久性的優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于倉(cāng)儲(chǔ)管理、畜牧管理以及交通運(yùn)輸控制等諸多領(lǐng)域[2]。本文便是在這一基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于RFID的混凝土管樁生產(chǎn)管理系統(tǒng)：通過(guò)在混凝土管樁內(nèi)埋設(shè)無(wú)源RFID標(biāo)簽，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)及相關(guān)數(shù)據(jù)采集、處理技術(shù)，對(duì)混凝土管樁的生產(chǎn)、安裝、運(yùn)輸?shù)冗^(guò)程進(jìn)行有效管理，完成混凝土管樁全生命周期的信息采集和溯源[3]。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

考慮到實(shí)際的生產(chǎn)環(huán)境，本系統(tǒng)主要由RFID電子標(biāo)簽、信息采集層和應(yīng)用服務(wù)層3部分組成[4]，系統(tǒng)整體架構(gòu)，如圖1所示。

RFID電子標(biāo)簽由IC芯片和無(wú)線通信天線組成，其內(nèi)部存儲(chǔ)著被識(shí)別物品的相關(guān)信息。在這里我們把RFID電子標(biāo)簽植入混凝土管樁中，作為管樁的ID身份標(biāo)識(shí)用于信息采集。由于管樁內(nèi)部為鋼結(jié)構(gòu)且外壁混凝土層有一定厚度，我們采用了125 kHz低頻電子標(biāo)簽作為工作標(biāo)簽，以滿足抗金屬干擾、穿透性的要求；同時(shí)標(biāo)簽外部包裹一層陶瓷外殼，可以有效防止生產(chǎn)過(guò)程中高溫、震動(dòng)等復(fù)雜外在環(huán)境的干擾。

信息采集層主要實(shí)現(xiàn)調(diào)制/解調(diào)、編解碼，邏輯控制，時(shí)序控制，通信控制的功能，是整個(gè)系統(tǒng)的硬件組成部分。信息采集層一方面為電子標(biāo)簽供能，提供時(shí)鐘同步，采集管樁的身份信息；另一方面與后臺(tái)應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)通信，完成信息的上傳和查詢。

應(yīng)用服務(wù)層是系統(tǒng)的核心部分，由系統(tǒng)功能模塊和SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)組成。該層涵蓋管樁生產(chǎn)的整個(gè)生命周期，包括人員管理、物資管理、生產(chǎn)信息管理、質(zhì)量檢驗(yàn)和產(chǎn)成品出運(yùn)等，可實(shí)現(xiàn)管樁信息的實(shí)時(shí)錄入和查詢；此外，通過(guò)對(duì)信息采集層數(shù)據(jù)的集中統(tǒng)計(jì)和處理，系統(tǒng)可以獲取實(shí)際的物資消耗、生產(chǎn)進(jìn)度、出運(yùn)狀況等動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，便于企業(yè)實(shí)現(xiàn)智能化分析決策。

2 系統(tǒng)信息采集層設(shè)計(jì)

信息采集層用于獲取RFID電子標(biāo)簽的身份信息，并與后臺(tái)應(yīng)用服務(wù)層進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，包括RFID讀卡器的硬件設(shè)計(jì)和嵌入式軟件編程兩部分。

2.1 RFID讀卡器硬件設(shè)計(jì)

由于現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)環(huán)境復(fù)雜，系統(tǒng)采用的RFID讀卡器必須滿足大功率、遠(yuǎn)距離的通信要求，同時(shí)為方便工人操作，讀卡器必須是手持式的。在上述條件下，本系統(tǒng)讀卡器硬件架構(gòu)主要由射頻接口，邏輯控制單元以及通信模塊組成，如圖2所示。

圖2 RFID讀卡器硬件結(jié)構(gòu)圖

2.1.1 射頻接口

射頻接口模塊用于完成讀卡器前端與標(biāo)簽的通信，通過(guò)時(shí)鐘發(fā)生器產(chǎn)生固定頻率的激活場(chǎng)為電子標(biāo)簽提供能量，讀取返回的信息，完成必要的解調(diào)檢波工作。為滿足實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)讀寫(xiě)距離的要求，系統(tǒng)采用分離元件搭建了D類功率放大電路，該功率放大電路工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，相比于傳統(tǒng)的A、B類功放電路，具有極高的效率，電池能量轉(zhuǎn)換率理論上可達(dá)90%。在實(shí)際測(cè)試中通過(guò)外加9 V鋰電池供電，讀卡器有效識(shí)別距離在30 cm以上，可以完全滿足現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的要求。

2.1.2 邏輯控制單元

邏輯控制單元采用AVR單片機(jī)Atmega64作為主控芯片MCU，實(shí)現(xiàn)生成/捕獲中斷、控制上位機(jī)通信、讀取射頻接口返回的電子標(biāo)簽信息，發(fā)送指令等功能。ATmega64是高性能、低功耗的8位AVR微處理器，采用先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)，符合便攜式讀卡器對(duì)功能、性能的要求。在信息采集時(shí)，射頻接口模塊將前端天線信號(hào)經(jīng)解調(diào)、濾波、整流等處理后送入ATmega64的T3/IC3端口，通過(guò)定時(shí)/計(jì)數(shù)器的捕獲功能完成標(biāo)簽信息的解碼。

2.1.3 通信模塊

通信接口模塊用于完成與上位機(jī)的通信，將讀取到的電子標(biāo)簽信息傳送到后臺(tái)應(yīng)用信息服務(wù)層中。系統(tǒng)采用RS232接口完成設(shè)備間通信，MAX232作為串口芯片實(shí)現(xiàn)必要電平轉(zhuǎn)換。

2.2 RFID讀卡器軟件設(shè)計(jì)

RFID讀卡器軟件采用嵌入式C語(yǔ)言編程，使用AVR Studio和Win AVR作為編譯調(diào)試軟件。讀卡器軟件與硬件平臺(tái)相結(jié)合，用于實(shí)現(xiàn)必要的中斷控制，邏輯控制，通信控制，定時(shí)計(jì)數(shù)器捕獲，編解碼、數(shù)據(jù)校驗(yàn)等功能。讀卡器軟件工作基本流程，如圖3所示。

3 系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)層設(shè)計(jì)

應(yīng)用服務(wù)層是生產(chǎn)管理系統(tǒng)的核心部分，該層將讀卡器采集到的RFID電子標(biāo)簽信息與混凝土管樁的實(shí)際生產(chǎn)參數(shù)綁定，通過(guò)功能模塊錄入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，完成數(shù)據(jù)匯總、處理、分析和查詢功能[5]。出于穩(wěn)定性和安全性的考慮，應(yīng)用服務(wù)層采用了C/S架構(gòu)，使用Visual Studio 2010與SQL Server 2008 R2開(kāi)發(fā)，C#和SQL語(yǔ)言進(jìn)行編寫(xiě)。應(yīng)用服務(wù)層自企業(yè)的人員管理、物資管理開(kāi)始，到混凝土管樁的流水線生產(chǎn)、質(zhì)量檢驗(yàn)、產(chǎn)成品出運(yùn)為止，涵蓋了產(chǎn)品的整個(gè)生命周期，能實(shí)時(shí)監(jiān)控每道工序的生產(chǎn)情況，完成責(zé)任歸屬和信息溯源。系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)層功能模塊架構(gòu)，如圖4所示。

考慮到企業(yè)的實(shí)際需要，應(yīng)用服務(wù)層整體共分為人事管理、物資管理、生產(chǎn)管理、產(chǎn)成品管理、質(zhì)量檢驗(yàn)、綜合查詢、信息公告、基礎(chǔ)管理設(shè)置和系統(tǒng)管理9大模塊。

人事管理和物資管理模塊屬于系統(tǒng)的初期階段，這一階段主要是對(duì)人員信息的配置和工程物資的準(zhǔn)備。通過(guò)系統(tǒng)可將相關(guān)信息提前錄入，方便后期產(chǎn)品與人員和物資信息進(jìn)行一一綁定，當(dāng)出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題時(shí)，可以通過(guò)查詢系統(tǒng)數(shù)據(jù)有效追溯到施工責(zé)任人和物資供應(yīng)商。此外，通過(guò)對(duì)生產(chǎn)進(jìn)度的監(jiān)控，系統(tǒng)可以預(yù)估物資使用情況，方便管理人員完成物資的動(dòng)態(tài)調(diào)度。

生產(chǎn)管理、產(chǎn)成品管理和質(zhì)量檢驗(yàn)?zāi)K是系統(tǒng)的中后期階段，在這一階段產(chǎn)品開(kāi)始正式進(jìn)入車間流水線生產(chǎn)。為方便施工人員操作，系統(tǒng)采用了Surface Pro作為智能便攜終端與手持式讀卡器相連，用于車間現(xiàn)場(chǎng)完成RFID電子標(biāo)簽信息的采集和生產(chǎn)數(shù)據(jù)的錄入，并針對(duì)Surface Pro做了界面和功能上的優(yōu)化和適配。在生產(chǎn)的第一階段——鋼筋籠制作工序中，我們將專用混凝土RFID電子標(biāo)簽綁扎到鋼筋籠上作為身份標(biāo)識(shí)，通過(guò)讀卡器掃描錄入，完成與混凝土管樁的綁定和信息的初始化，實(shí)際操作如圖5所示。

在其后的每道工序中，施工人員都通過(guò)系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄生產(chǎn)信息和人員信息，這樣當(dāng)產(chǎn)品完成生產(chǎn)、檢驗(yàn)、出運(yùn)時(shí)，所有工序生產(chǎn)數(shù)據(jù)都已存儲(chǔ)到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中，完成了在產(chǎn)品全生命周期的信息溯源。在各生產(chǎn)功能模塊中，系統(tǒng)可以通過(guò)C#的Reporting Service功能根據(jù)生產(chǎn)數(shù)據(jù)完成報(bào)表打印功能，有效擺脫了過(guò)去人工錄入填寫(xiě)的不便；同時(shí)管理人員能通過(guò)時(shí)間、報(bào)表ID等字段對(duì)各生產(chǎn)報(bào)表完成集中查詢，方便信息的檢索和歸檔；當(dāng)數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)的生產(chǎn)信息積累到一定量級(jí)時(shí)，更能通過(guò)對(duì)生產(chǎn)參數(shù)、工作進(jìn)度等數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘和分析，為企業(yè)生產(chǎn)智能化決策提供有力幫助。

圖4 系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)層架構(gòu)圖

圖5 現(xiàn)場(chǎng)車間RFID標(biāo)簽信息采集

綜合查詢和信息公告模塊是系統(tǒng)的輔助部分，施工人員可以通過(guò)綜合查詢完成對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)查詢，包括單根管樁的基本生產(chǎn)信息(如鋼筋籠綁扎時(shí)間、普養(yǎng)溫度、離心轉(zhuǎn)速、張拉強(qiáng)度等)以及統(tǒng)計(jì)信息(如管樁日生產(chǎn)量、日出運(yùn)量，產(chǎn)品檢驗(yàn)合格率等)等。信息公告模塊用于發(fā)布公告消息等指導(dǎo)工人完成生產(chǎn)調(diào)度、班次交接等工作。

基礎(chǔ)管理設(shè)置模塊用于生產(chǎn)的集中管理，其中生產(chǎn)權(quán)限管理功能可以對(duì)施工班次、員工工種進(jìn)行規(guī)范，做到一崗一人權(quán)責(zé)分明。實(shí)際生產(chǎn)狀況、生產(chǎn)指令管理功能可以方便管理人員下達(dá)任務(wù)安排，對(duì)每日生產(chǎn)進(jìn)度狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控；工期預(yù)警管理功能可以根據(jù)現(xiàn)階段生產(chǎn)量完成情況，對(duì)下一階段生產(chǎn)量進(jìn)行預(yù)測(cè)，當(dāng)生產(chǎn)米數(shù)和根數(shù)等不符合進(jìn)度要求時(shí)將在系統(tǒng)內(nèi)發(fā)出預(yù)警信息。

系統(tǒng)管理模塊包含數(shù)據(jù)庫(kù)備份/恢復(fù)、系統(tǒng)幫助等功能，用于對(duì)生產(chǎn)管理系統(tǒng)本身進(jìn)行技術(shù)支持和維護(hù)。

4 總結(jié)

本文在RFID、物聯(lián)網(wǎng)等相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了一套基于RFID的混凝土管樁生產(chǎn)管理系統(tǒng)，用于企業(yè)生產(chǎn)信息的智能采集和產(chǎn)品的自動(dòng)化管理。針對(duì)實(shí)際的生產(chǎn)需求，系統(tǒng)選取了符合環(huán)境要求的RFID電子標(biāo)簽，設(shè)計(jì)了便攜式RFID讀卡器手持機(jī)模型以及涵蓋管樁全生產(chǎn)周期的軟件應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)。經(jīng)試運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)能有效完成生產(chǎn)信息的采集、錄入、查詢和分析，有助于企業(yè)提高生產(chǎn)效率，優(yōu)化內(nèi)部人力物力資源，完成對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)化、集中化管理。系統(tǒng)數(shù)據(jù)完成積累后也可用作進(jìn)一步的深度挖掘，幫助企業(yè)進(jìn)行戰(zhàn)略分析和決策。總的來(lái)看，該系統(tǒng)有助于企業(yè)生產(chǎn)力和管理水平的提高，符合中國(guó)制造2025和工業(yè)4.0的要求，具有良好的推廣前景和應(yīng)用價(jià)值。