基于RFID 技術的危險化學品智能倉儲管理系統

楊飛龍，張嘉琪，王 敏，張志魁

（天津理工大學環境科學與安全工程學院，天津 300384）

在我國工業快速發展的浪潮下，危險化學品的使用量與存儲量急劇增加，加之危險化學品自身所具有的易爆、易燃、毒害、腐蝕、放射等性質［1］，導致其在生產、經營、存儲、運輸、使用、廢棄處置的過程中安全事故頻發［2］。

隨著科技的發展，利用信息化先進技術提升危險化學品全生命周期監管的手段和工具已成為促進危險化學品行業健康發展的大趨勢。作為啟動21世紀的十大重要技術之一［3］，無線射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）技術［4］已經逐漸地被廣泛應用于工業自動化、物流管理和交通運輸控制等領域。RFID技術的優點是：①能識別單一產品；②在被覆蓋的情況下能夠進行穿透性通信；③能同時識別多個標簽且實現同步通信［5］。目前，在危險化學品行業中主要將RFID技術應用于化學品的運輸環節，結合GIS技術和GPS導航系統對化學品的地理位置信息進行實時跟蹤，例如上海市的百萬危險品鋼瓶RFID項目［6］，將每個鋼瓶附上唯一的電子標簽，通過手持終端對信息進行讀取。但在化學品的倉儲管理中，RFID技術主要還只是應用在化學品的出入庫登記環節，而在日常的化學品倉儲管理中無法對化學品進行實時監控，需要倉庫管理員定時對化學品庫進行人工巡檢，因此管理員不能直接獲得實時的化學品倉儲狀態，使得倉庫中化學品被盜及混存問題的發現存在一定的滯后性。同時，在管理員進入倉庫并進行巡檢工作時，與化學危險品接觸幾率大大升高，增加了安全隱患。

針對此類問題，以提高危險化學品倉庫管理智能化為目的，本文提出了一種以RFID 技術為核心并結合步進電機精確定位技術和LabVIEW 軟件開發平臺的化學品智能倉儲管理系統，該系統可實時獲取化學品倉庫中每個化學品的存儲狀態，大大減少了人工勞動，降低了運營成本，提高了管理效率。這種融合多種先進技術的危險化學品智能倉儲管理系統的研發與試驗，具有重要的實踐意義。

1 系統總體結構設計

基于RFID 技術的危險化學品智能倉儲管理系統將RFID 技術、無線傳感網絡（ZigBee）技術［7］、步進電機精確定位技術、虛擬儀器技術和無線充電技術等有機結合，主要由RFID 讀寫模塊、步進電機控制器與驅動器、同步帶滑臺和上位機構成。

該系統由硬件和軟件兩部分組成。硬件部分將步進電機技術應用在同步帶滑臺［8］上，組成精確定位裝置，該裝置固定在化學品貨架底部，并與RFID 讀寫模塊相結合，運行過程中裝置精確定位化學品的擺放位置，并通過RFID讀寫模塊獲取化學品的存儲狀態信息。軟件部分通過ZigBee網絡與硬件部分聯系，操控精確定位裝置和RFID 讀寫模塊，系統軟件具有數據管理功能，管理員可查詢倉庫中化學品的信息、參數和各類指標。該系統總體結構如圖1所示。

2 系統硬件設計

2.1 步進電機定位模塊

步進電機定位模塊由裝備有步進電機和皮帶滑道的同步帶滑臺、步進電機控制器和步進電機驅動器組成。該模塊通過ZigBee搭建的自組網進行指令傳輸，將上位機發出的電機啟停等控制命令發出，步進電機控制器收到信號后向步進電機驅動器輸出信號。步進電機驅動器起到驅動步進電機和細分電機步數的作用，使步進電機運行更加平穩。步進電機與皮帶滑軌連接，皮帶上固定一個滑塊，使安置在滑塊上的RFID 讀寫模塊精確定位到正對化學品包裝底部鑲嵌有RFID 電子標簽的位置。步進電機定位模塊工作原理如圖2所示。

2.1.1 電機控制模塊

本設計使用的是應用于PC 上位機的5軸步進電機控制器，它將上位機發送的電信號轉化為脈沖信號，輸送給步進電機驅動器。步進電機驅動器的驅動方式為高低壓驅動［9］，平均電流控制，兩相正弦電流驅動，靜止時電流減半。在控制過程中，當步進電機驅動器接收到一個脈沖信號，步進電機就將按照預先設定好的方向轉動相應的角度。其中，位移量由脈沖的個數決定，位移速度由脈沖的頻率決定。與此同時，通過脈沖頻率也可控制步進電機轉動的速度和加速度，從而實現速度的可調控制。

2.1.2 精確定位裝置

步進電機作為系統執行元件，能夠將輸入的電脈沖信號轉變為直線位移或者角位移信號［10］。本設計采用兩相混合式步進電機，將此步進電機與安裝有滑塊的皮帶滑軌相結合，組成同步帶滑臺，即步進電機的絲桿連接滑軌的皮帶輪，電機運行時絲桿帶動皮帶運動，使皮帶上的滑塊在直線方向上做定點位移運動。步進電機定位裝置如圖3所示。

2.2 化學品信息采集模塊

化學品信息采集模塊通過ZigBee將上位機發出的讀取、修改或寫入命令傳輸給RFID 讀寫模塊，使其對電子標簽進行讀取、修改或寫入等操作，并以同樣的傳輸方式將獲取的電子標簽信息傳入到上位機。

2.2.1 RFID 讀寫模塊

化學品信息獲取由RFID 讀寫模塊進行，在讀寫模塊天線獲得載波信號之后，電子標簽通過天線調諧器將信號發送至讀寫模塊，從而獲得標簽中記錄的化學品基本信息，如化學品名稱、擺放位置、進庫時間、是否在庫等。RFID 讀寫模塊對此信號進行解調和解碼后發送至上位機系統［11］。

2.2.2 RFID 電子標簽

本設計使用的RFID 電子標簽是應用FM1108型非接觸式電子標簽，采用FM1108型芯片，標簽存取容量為8Kbits，工作頻率為與讀寫模塊相同的13.56MHz，以ISO14443TYPE A 協議為標準。該型號電子標簽分為16個扇區，每扇區兩組密碼并包含4個塊，每個塊具有16個字節的存儲容量；每個扇區的第4個塊為密碼塊，不能用來存儲數據（如塊3，7，11，……）；扇區0中的塊0記錄了該標簽的序列號及生產廠商的標志信息等，這些信息在出廠時已被固化，不能更改，因此該塊不能再復用為應用數據塊。

將電子標簽鑲嵌于化學品包裝底部，并將化學品基本信息存入標簽，如化學品編號、名稱等。待化學品入庫驗收后，倉庫管理員將管理信息寫入標簽，如擺放位置、進庫日期等。綜合考慮存儲信息與FM1108型電子標簽的存儲結構，設計了化學品倉儲信息存儲結構，見表1。其中，存儲信息中的前9項由供應商在化學品出廠前存入電子標簽指定位置，存儲信息中的“擺放位置”和“進庫時間”由倉庫管理員在化學品入庫后寫入標簽，“出庫時間”和“領取員工編號”在化學品出庫時由管理員寫入電子標簽。為防止密碼塊被錯誤篡改導致該扇區不可用，或出現特種危險化學品需要對其添加備注等情況，預留4個扇區（扇區12～15）作為備選塊。

表1 化學品倉儲信息存儲結構Table 1 Information structure of hazardous chemicals in storage

2.2.3 無線充電方案設計

由于系統在運行過程中RFID 讀寫模塊需要不斷地進行直線方向的位移運動，因此為了保證系統在運行中的靈活性，采用無線充電方式代替傳統的有線電源方式為讀寫模塊供電。本設計的無線充電裝置采用“磁耦合共振”技術［12］，儲能部分采用超級電容。將超級電容與RFID 讀寫模塊連接，無線充電發射模塊固定在同步帶滑塊運動的初始端，當系統處于非工作狀態時RFID 讀寫模塊在同步帶滑臺初始端，使連接超級電容的線圈進入到發射模塊的感應區域，此時發射模塊對超級電容充電；當系統處于工作狀態時已充電的超級電容為RFID 讀寫模塊供電，使其正常工作。其中，發射模塊輸入電壓為5 V 時，最大輸出功率為5 W；電容選擇5.5V4F的超級電容，為了保證RFID 讀寫模塊長時間不間斷工作，本系統將4個超級電容并聯組成超級電容組。無線充電裝置的工作流程如圖4所示。

2.3 ZigBee網絡的組建

考慮到化學品倉庫存儲量大且藥品擺放位置密集的特點，為了簡化系統在安裝和維護過程中的難度，該系統采用無線通信技術實現數據的傳輸。與現有的各類無線通信技術相比較，ZigBee無線通信技術有較高的信息處理速度［13］，而且成本低、功耗小，適合于構建無線傳感網絡，因此選擇ZigBee組建系統內部網絡。基于此，本文設計了基于802.15.4無線標準網絡協議，以2.4GHz ISM 頻段的無線收發模塊SZ02-RS232-2K為通信模塊的無線傳感器節點。該節點采用平面式通信體系結構，通過“多級跳”的數據傳輸方式將監控區域內的數據傳輸至終端，經測試數據有效傳輸距離為600m。ZigBee數據傳輸原理見圖5。

3 系統軟件設計

本系統采用美國國家儀器有限公司（National Instruments）的LabVIEW2012 軟件平臺進行開發，該平臺是在測量測試及控制領域使用非常廣泛的一種編程工具軟件［14-16］。該系統軟件采用數據流編程的方式，使得化學品信息的采集、數據處理、信號輸出和控制變得快速準確。其主要流程為：啟動程序后，系統首先初始化各個參數，包括各類模塊、有關變量、I／O 輸入輸出端口等；在確認權限的情況下，通過上位機進行操作，將數據回饋上位機化學品安全管理系統軟件進行處理，并對可疑的信息采取報警措施，如系統檢測到化學品丟失、藥品混存的情況等。該系統軟件具有控制系統硬件、管理數據庫、設定參數閾值等功能，可實現對化學品倉庫的實時監控。系統軟件程序主要流程見圖6。

3.1 軟件控制功能

在系統控制界面中，通過設定區設置相應的巡檢方式，包括常規巡檢、位置搜索、化學品名稱搜索。在常規巡檢模式下，管理員可以設定每次巡檢之間的間隔時間，系統每隔此間隔時間對庫房中的所有化學品巡檢一次，管理員可在操作區控制精確定位裝置的運行，系統自動將巡檢時間和此時化學品的存儲狀態發送至數據庫。在位置搜索和名稱搜索兩項精確定位模式下，查詢項列表欄將顯示相應化學品的名稱和擺放位置，供管理員選擇。完成巡檢方式設定后可在操作區對步進電機定位模塊和RFID 讀寫模塊進行操作控制。每一次巡檢進程結束后“巡檢信息查詢”一欄顯示檢查化學品的詳細存儲狀態。圖7為化學品名稱搜索模式下，查詢所有甲醇的存儲情況。

3.2 信息管理功能

“藥品管理查詢”一欄為化學品數據庫中的查詢項，列表欄可顯示所有記錄在案的化學品的詳細存儲狀態。通過選擇查詢項目（包括化學品名稱、藥品標簽編號、擺放位置）可縮小查詢范圍，在此基礎上可設定查找在庫藥品或已出庫藥品，使查找范圍更加精確。

圖8（a）顯示為在化學品名稱查詢模式下，查詢全部丙烯腈的存儲狀態，從中可以獲得所有丙烯腈的擺放位置、進庫時間、出庫時間、負責管理該化學品的管理員編號以及在化學品出庫時領取該化學品的員工編號等信息。在圖8（b）“藥品檔案查詢”一欄中通過查詢項目的設置，可顯示所查詢化學品的各類參數指標和說明信息，以及該化學品安全技術說明書中的所有內容，可為危險化學品的安全管理提供依據。

3.3 參數設定功能

圖9為步進電機運行參數設定區域，不僅可以對步進電機進行相應的細分精度、步距角、齒輪比的閾值參數設定，還可以對電機在運動過程中的狀態參數，如運行距離、啟動方向、運行速度等參數進行預先設定，并以存檔文件的形式組成在不同情況下的運行方案，操作過程中管理員可方便地根據情況直接調用相應的運行方案，此項功能簡化了操作流程，提高了系統的工作效率。

4 系統測試

4.1 步進電機操控測試

步進電機操控測試實驗的目的主要是為了確定步進電機運行時的參數，從而使步進電機在運行過程中能同時兼顧準確性、穩定性、靈敏性和快速性。為了達到此目的，需要對步進電機驅動器參數進行設置。在小電流下系統需慢速運行，若加大運行速度或細分精度系統會出現不能精確定位或操控不夠靈敏等問題；在大電流下系統運行穩定，但在系統低速運動時無疑增加了不必要的耗能。表2為系統達到測試要求時步進電機驅動器的參數配比。

表2 步進電機驅動器參數配比Table 2 Ratios of drive parameters in stepper motor

測試結果表明：在保證系統準確性和穩定性的基礎上，將動態電流平均值設定為2.0A，細分倍數設置為16 時，步進電機能以最快的平均速度500 mm／s穩定運行；并且在達到同樣效果的前提下，步進電機以此設定參數穩定運行時耗電量最小，達到了測試要求，可以應用于系統的實際運行環境中。

4.2 RFID 模塊信息讀寫測試

RFID 模塊讀寫電子標簽的工作流程如圖10所示。RFID 讀寫模塊以命令一一響應的方式工作，在系統中模塊處于從屬地位，即不主動發出命令，由主機首先發出命令，然后等待模塊響應。

圖11為RFID 讀寫模塊測試程序界面，設定卡塊地址、讀取或寫入卡塊個數、開始讀或寫信息索引的值，程序運行過程中經過的每個階段，包括：“請求”、“防碰撞”、“選擇”、“秘鑰驗證”、“讀塊信息”、“寫塊信息”、“關閉塊”，成功通過時各個階段相對應的布爾控件將被點亮，否則保持熄滅狀態。

圖12為RFID 讀寫塊信息程序框圖。需要寫入的信息通過“寫入字符”控件以數據流的形式進入到寫塊程序中，通過“卡塊地址”控件選擇要存入的塊地址，最后數據流進入讀塊程序，將寫入的信息通過顯示控件顯示出來。測試結果表明：RFID 讀寫模塊在距離電子標簽60mm 以內的范圍數據傳輸最穩定，讀寫成功率最高，可以實現正常的信息采集工作，能夠應用到化學品倉庫的實時監控中。

5 結論

本文提出的危險化學品智能倉儲管理系統以無線射頻識別技術和步進電機技術為核心，構建了智能倉儲管理系統硬件平臺，完成了步進電機傳動組件的設計，在LabVIEW 開發環境下實現了RFID讀寫模塊和步進電機傳動模塊的軟件分析與設計，將軟件工程的理念應用到系統軟件的設計和實踐中。該系統主要有以下特點：①用RFID 電子標簽代替倉儲管理中傳統的條形碼，解決了條形碼易磨損和存儲信息量小的問題；②通過無線傳感網絡技術實現了命令的發送和數據的傳輸，在降低系統能耗的同時也簡化了裝配的難度；③設計了一種基于超級電容的無線充電方案，提高了系統在運行過程中的靈活性；④應用虛擬儀器技術LabVIEW 編程語言實現了系統軟件部分的設計與硬件部分的測試，在工程應用中有效地預防了化學品倉庫中藥品被盜和混存現象的發生；⑤通過RFID 技術與步進電機技術的結合，巧妙地將RFID 技術應用于危險化學品倉庫日常的實時監控中，不僅有效地以裝置的智能巡檢代替了管理員的人工排查，減少了倉庫管理員與危險化學品直接接觸所引起的安全隱患，而且使RFID 技術的應用范圍得到了推廣和延伸。參考文獻：

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