現代工廠中基于RFID技術的物聯網設計

　　引言 

　　隨著全球一體化、工業自動化和信息化進程的不斷深入，客戶對產品的質量要求越來越高，對產品的生產周期要求是越來越短。而現有的條形碼技術由于其本身的特性和應用的局限性已不能滿足現代工廠的需要。而RFID技術的出現和應用發展．以及物聯網的組建則可實現與現代工廠內現有網絡系統的信息整合，同時可優化內部物流供應和流通流程。提高工廠內的生產效率和產品質量，進而提高整個企業的核心競爭力。一個良好的基于RFID應用架構的系統可以較好的幫助工廠達到這些目標，實現高效高質量的產品出貨。 

　　1 物聯網及其組成 

　　1．1 物聯網的由來 

　　如互聯網可以把世界上不同角落的人緊密地聯系在一起一樣，采用RFID技術(一種非接觸式的自動識別技術)的Intemet也可以把世界上所有物品聯系在一起。而且彼此之間可以互相“交流”，從而組成一個全球性實物相互聯系的“物聯網”。

　　1．2 物聯網的組成 

　　典型的物聯網由三大部分組成。即RFID系統、中間件Savant系統和Intemet系統。其中典型的RFID系統包括RFID電子標簽(tag)、閱讀器(Reader)以及數據交換和管理系統軟件；中間件Savant系統由Savant服務器，ONS服務器，和PML(Physical Markup Language)服務器及相應的數據軟件等組成；Intemet系統通常由計算機系統和網絡服務器等組成。 

　　1．3 RnD系統原理 

　　RFID fRadio Frequency Identification)是一種高級的自動識別技術，利用它通過無線射頻方式進行非接觸式的全雙工數據通信．以對實物目標加以識別RFID標簽(Tag)由芯片和天線(Antenna)組成，每個標簽具有唯一的產品電子碼。 

　　該產品電子碼EPC (Electronic Product Code1是Auto—ID為每個物理目標分配的唯一的可查詢的標識碼，其內含的一串數字可代表產品類別和制造商、生產日期和地點、有效日期、應運往何地等信息。同時，隨著產品在工廠內的轉移或變化，這些數據可以實時更新。通常，EPC碼可存入硅芯片做成的電子標簽內，并附在被標識產品上，以被高層的信息處理軟件識別、傳遞和查詢。進而在互聯網的基礎上形成專為供應鏈企業服務的各種信息服務。現已有3種格式的EPC嗎．但目前在性能和成本之間達到最佳的是96位的EPC碼。該EPC碼的格式如下：

　　系統中的RFID閱讀器(Reader)可控制射頻模塊向電子標簽發射讀取信號，并接收標簽的應答信號，同時可對電子標簽的對象標識信息進行解碼，從而將對象標識信息連帶電子標簽上的其它相關信息傳輸到Savant系統以供處理。通常其工作頻段和電子標簽上頻率的一致的RFID系統在工作時，先由閱讀器通過天線發送一定頻率的射頻信號，當RFID標簽進入閱讀器的工作場時，其天線產生感應電流，從而使RFID標簽獲得能量被激活并向閱讀器發送自身的編碼等EPC信息；圖閱讀器在接收到來自電子標簽的載波信息，并對接收信號進行解調和解碼后，會將其信息送至計算機中的中間件Savant系統軟件進行處理，RFID數據交換和系統管理軟件主要包括介于閱讀器和工廠計算機應用系統之間的中間件(Midwares1 Savant系統。 

　　1．4 物聯網的中間件系統及其用途 

　　Savant是處在閱讀器和計算機Internet之間的一種中問件系統。該中間件可為企業應用提供一系列計算和數據處理功能。該中間件在產品電子碼EPC規范中被稱為Savant．其主要任務是對閱讀器讀取的標簽數據進行捕獲、過濾、匯集、計算，數據校對、解調、數據傳送、數據存儲和任務管理，減少從閱讀器傳往工廠應用的數據量。同時，Savant還可提供與其他RFID支撐軟件系統進行互操作的功能。此外，Savant還定義了閱讀器和應用兩個接口。

　　ONS服務器是聯系前臺Savant軟件和后臺PML服務器f一種簡單的Web服務器，可用PML語言描述與提供某對象的相關信息1的網絡樞紐。ONS設計與架構都以Internet域名解析服務DNS為基礎。通常，對象名解析服務器處理的請求要多于Internet上的DNS的請求．因而工廠內要在局域網中有一臺存取信息速度比較快的ONS緩沖存儲器。ONS的作用是把Savant 1人存儲該產品信息的企業數據庫。通常ONS架構應為分層分布式，并應具有易緩存性、冗余性和可擴展性。

　　2 現代工廠內物聯網的基本架構 

　　圖1給出了現代工廠內物聯網系統的基本構架。由圖1可見，該應用系統由三大部分組成，系統中的RFID閱讀器(Reader)可控制射頻模塊向電子標簽發射讀取信號，并接收標簽的應答信號，同時可對電子標簽的對象標識信息進行解碼，從而將對象標識信息連帶電子標簽上的其它相關信息傳輸到Savant系統以供處理。通常其工作頻段和電子標簽上頻率的一致的RFID系統在工作時，先由閱讀器通過天線發送一定頻率的射頻信號，當RFID標簽進入閱讀器的工作場時，其天線產生感應電流，從而使RFID標簽獲得能量被激活并向閱讀器發送自身的編碼等EPC信息；圖閱讀器在接收到來自電子標簽的載波信息，并對接收信號進行解調和解碼后，會將其信息送至計算機中的中間件Savant系統軟件進行處理，RFID數據交換和系統管理軟件主要包括介于閱讀器和工廠計算機應用系統之間的中間件(Midwares1 Savant系統。

　　1．4 物聯網的中間件系統及其用途 

　　Savant是處在閱讀器和計算機Internet之間的一種中問件系統。該中間件可為企業應用提供一系列計算和數據處理功能。該中間件在產品電子碼EPC規范中被稱為Savant．其主要任務是對閱讀器讀取的標簽數據進行捕獲、過濾、匯集、計算，數據校對、解調、數據傳送、數據存儲和任務管理，減少從閱讀器傳往工廠應用的數據量。同時，Savant還可提供與其他RFID支撐軟件系統進行互操作的功能。此外，Savant還定義了閱讀器和應用兩個接口。

　　ONS服務器是聯系前臺Savant軟件和后臺PML服務器f一種簡單的Web服務器，可用PML語言描述與提供某對象的相關信息1的網絡樞紐。ONS設計與架構都以Internet域名解析服務DNS為基礎。通常，對象名解析服務器處理的請求要多于Internet上的DNS的請求．因而工廠內要在局域網中有一臺存取信息速度比較快的ONS緩沖存儲器。ONS的作用是把Savant 1人存儲該產品信息的企業數據庫。通常ONS架構應為分層分布式，并應具有易緩存性、冗余性和可擴展性。

　　2 現代工廠內物聯網的基本架構 

　　圖1給出了現代工廠內物聯網系統的基本構架。由圖1可見，該應用系統由三大部分組成即RFID硬件系統(包含Tags和Reader)、Savant中間件系統和計算機Internet系統。其中Tag貼于每件產品上，所使用的Reader為手持式．可靈活應用于生產實際；Savant中間件系統含有EPC Infor— marion Service，PML以及ONS及其緩存系統．其后端應用數據庫軟件系統還包含ERP系統等．這些都與計算機Internet相連，故可及時有效地跟蹤、查詢、修改或增減數據。

圖1 現代工廠內物聯網的基本構架

　　3 物聯網原理分析 

　　在實物互聯網中，當產品在某個工段生產完成并貼上存儲有EPC標識的RFID標簽(Tags)后，在產品的整個生命周期中，該EPC代碼將成為該產品的唯一標識，以此EPC編碼為索引能實時的在RFID系統網絡中查詢和更新產品相關信息．也能以此為依據．在車問內各個流通環節對產品進行定位和定時追蹤。 

　　車間內每一道工序(即每條生產線前1都應設有一個閱讀器．并配備相應的Savant中間系統和計算機Internet系統。這樣，在半成品的裝配，加工．轉運．以及成品的裝配和再加工、轉運和包裝過程中．當產品流通到某個生產環節的閱讀器前時．閱讀器在有效的讀取范圍內就會監測到標簽的存在．因為閱讀器可以不斷的讀取一連串的產品電子碼fEPC1。某一個局部物聯網環節的具體工作流程如下： 

　　(1)RFID閱讀器從含有一個EPC或一系列 EPC的標簽上讀取產品電子碼： 

　　(2)RFID閱讀器將讀取的產品電子碼送到Sa— vant中間件系統中進行處理： 

　　(3)當讀取的數據量較大而Savant中問件系統處理不及時時，可應用ONS Cache來儲存部分讀取信息；

　　(4)Savant系統以該EPC數據為信息源，在本地ONS／]I~務器獲取包含該產品信息的EPC信息服務器的網絡地址； 

　　(5)Savant根據該地址查詢EPC信息(EPCIS)服務器。以獲得產品的特定信息，然后進行必要的處理后。同時觸發后端應用系統以作更深層的處理或計算； 

　　(6)由本地EPC信息服務器和源EPC信息服務器對本次閱讀器的記錄進行讀取并修改相應的數據； 

　　(7)本地ONS不能查閱到EPC編碼所對應的EPC信息服務器地址時。向遠程ONS發送解析請求。 

　　(8)將EPC數據經過Savant系統處理后，傳送到Intemet。 

　　4 工廠物聯網系統設計注意事項，在工廠內設計物聯網應注意以下幾點： 

　　(1)從一個閱讀器發出的信號可能與另一個覆蓋范圍重疊的閱讀器發出的信號互相干擾，這種現象叫做閱讀器沖突。通過Auto—ID中心并利用一種叫做時分多址(TDMA)的機制可避免沖突。簡而言之。就是閱讀器被指示在不同時段讀取信息。而不是在同一時刻都試圖讀取信息，這樣。就可保證它們不會互相干擾。但是，這意味著處于兩個閱讀器重疊區域的任何一個RFID標簽都將被讀取兩次信息。為此設計時需開發一套刪除冗余信息的系統。 

　　(2)通常來講，高頻率的標簽有更大的讀取距離．但是它需要對應工作頻段的閱讀器能輸出更大的電磁波能量。鑒于各頻段特性。本設計選擇900 MHz左右的高頻段。 

　　(3)RFID標簽在物流領域將產生大量的EPC數據。閱讀器每秒讀取電子標簽的遍歷也應定義．各RFID系統或局部物聯網在車間內聯成一個局域網時。還應考慮數據流的暢通性問題。 

　　5 結束語 

　　本文主要結合RFID技術。并應用現在的計算機網絡系統來對新興的物聯網系統進行了一種構架設想。同時解釋了該系統中的相關部件并簡要分析了其工作原理。進而闡述了其優劣性以及下一步要進行的改進工作。