基于RFID技術的服裝生產過程管理系統設計

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(陜西科技大學 電氣與信息工程學院，西安 710021)

引　言

近年來，隨著經濟全球化與科技管理信息化的協同發展，使得服裝市場的競爭日趨激烈?，F代服裝市場需求正逐步面向著高級化、個性化以及多樣化的方向發展。對于服裝行業，由于款式、顏色,種類變化快與尺寸參數繁多的產品特性，導致在服裝生產時產生大量的生產數據信息與報表，生產過程中產生的實時數據信息需要及時地更新與反饋[1]。

現有的絕大多數服裝企業采用條形碼或人工方法獲取生產過程數據，但易出現人為過時導致的生產錯誤規格，數據信息通道反饋不暢出現的窩工情況[2-3]。針對此種現狀，研究與開發了一種基于RFID技術的服裝生產過程管理系統。通過對服裝生產過程的分析，系統采用RFID技術與嵌入式技術，同時融合數據庫技術，實現生產信息數據數字化表征。盡可能地減少制衣材料成本，優化服裝生產過程管理能力，提高服裝產品的生產效率。

1　系統結構設計

1.1　服裝生產過程分析

完成系統結構的設計需要對具體的服裝生產過程進行分析。然而不同的生產企業具有不同的生產工藝流程步驟，通過在某一服裝企業實地調研，總結出該企業生產對于服裝的生產主要包括有：服裝設計、生產前準備、布料裁剪、布片縫制、鎖眼熨燙、品質控制以及成品管理這7個環節。圖1展示了某企業服裝生產過程流程圖。

圖1　服裝生產過程流程圖

在此主要針對服裝流程中的布料裁剪、布片縫制、鎖眼熨燙以及品質管制這4個主要環節進行說明。布料裁剪是指將生產所需的原材料剪切成片，按件打包后供布片縫制車間使用。布片縫制車間是服裝生產過程中最為復雜的一道工序，將接收到的裁剪包中的布片進行縫制形成服裝半成品。鎖眼熨燙車間則是將半成品制衣進行釘扣鎖眼和成衣熨燙。品質管制環節是指將所有成衣進行質量檢測后準備裝箱入庫。

圖2　系統結構圖

通過對該服裝企業服裝生產過程的分析，可以看出服裝加工過程中主要存在的問題有：

① 人工干預過多。制衣流程中每道工序都需要人工操作進行數據記錄，從物料準備到成衣完成的過程中會產生大量的數據，易發生錯誤統計。

② 管理層無法實時地對生產線的每道工序工作情況進行實時監控，導致訂單跟蹤困難。制衣車間在制衣過程中產生的生產數據較為孤立，在一定時間段內呈現為靜態保存，不能隨時的反饋于管理層。訂單數據若發生修改也不能及時的檢查更新，工位也不能及時了解計劃進度調整，導致整條生產線動態響應能力差，訂單跟蹤反射周期長。

1.2　系統總體結構設計

根據以上分析提出了基于RFID技術的服裝生產過程管理系統，系統以RFID技術為核心，同時結合嵌入式技術與數據庫技術來解決上述問題，使企業導向為科技信息化的管理模式，從而有效地應對激烈的市場競爭。系統結構主要由三部分組成，分別是數據采集端、人機交互端程序以及云服務器數據庫。其具體結構圖如圖2所示。

其中基礎數據采集端為安置在每個工位的RFID讀卡器，用于感應兩類RFID電子標簽，一類是綁定在每件服裝衣料上的電子標簽(電子標簽附帶在制衣物料上用以存儲制服裝顏色、尺寸和訂單號等基礎信息)與每個員工持有的員工卡(員工卡上記錄員工基礎信息每張卡片與員工唯一對應)。數據采集端通過感應電子標簽，實時捕獲生產進度情況，同時獲取服裝生產記錄，包括操作員工、操作工序、執行時間等，所有采集到的數據最終在云服務器數據庫中執行相應處理。

人機交互程序則與數據采集端和云服務器數據庫相連，用以生產信息錄入，生產過程信息查看修改等。而云服務器端數據庫則負責對下位機RFID讀寫器提供的基礎數據處理分析，用于系統信息管理、材料管理和計劃調度等功能[5]。各個系統中三部分相互間緊密關聯、分工協作，共同完成對于現有的傳統人工生產管理體系的數字化信息技術升級。

2　系統硬件設計

系統的核心部分是數據采集端的RFID讀寫器，其主要安置在裁剪車間、縫制車間、熨燙車間各段位工位中，負責生產線數據采集、傳輸以及處理。具體布點設計圖如圖3所示。

硬件部分主要由嵌入式微處理器及其外圍電路、WIFI模塊、RFID讀寫模塊和HMI串口屏幕組成。主控單元采用內核為ARM Cortex-M3的嵌入式控制器STM32作為控制核心，使用低功耗的MFRC-522作為RFID讀寫模塊，WIFI模塊使用ESP8266負責過程信息無線收發。HMI顯示模塊采用TJC8048T70_011觸摸液晶屏完成人機交互。其中外圍電路還包括：USB接口、復位電路以及電源模塊。硬件結構圖如圖4所示。

2.1　主控單元電路設計

主控單元采用STM32F103RCT6作為核心處理器，完成數據采集傳輸及處理。主控電路通過SPI總線與RFID讀寫模塊進行通信，完成信息采集與指令傳遞；通過兩路UART分別連接WIFI模塊與串口顯示屏，完成網絡通信與液晶顯示；主控電路設計手動復位與上電自動復位兩種復位方式，確保系統的穩定性；USB接口采用較為普遍的 MicroUSB 接口，同時USB接口上的D+和D-也連接到STM32的 PA11和 PA12引腳，可用于USB項目的開發；電源芯片采用L1117_3.3大電流穩壓模塊將外置的+5 V直流電壓轉化為+3.3 V直流電壓，前后級都采用10 μF 的鉭電容和0.1 μF 的電容濾波去耦,降低電源的紋波，保證在大負載下系統穩定運行。其原理圖如圖5所示。

圖3　RFID讀寫器具體布點設計圖

圖4　硬件結構圖

2.2　RFID讀寫模塊設計

RFID讀寫模塊采用NXP公司推出的MFRC-522作為讀寫芯片，在使用SPI總線完成通信時，MFRC522工作于從模式，使用SPI總線接口完成與主機通信[6-9]。在SPI通信中，MFRC522模塊用作從機，SPISCK由主機產生。數據通過MOSI線從主機傳輸到從機；數據通過MISO線從MFRC522發回到主機。除了通用的4條SPI信號線(時鐘線SCK、輸入數據線MOSI、輸出數據線MOSO和選通線NSS以外，RC522要求額外的2個引腳I2C和 EA分別固定接低電平和高電平。這2個引腳不參與SPI總線傳輸，只起設定RC522數字界面采用SPI接口的作用。其原理圖如圖6所示。

圖5　主控單元電路設計原理圖

圖6　讀寫模塊設計電路圖

2.3　WIFI無線通信模塊設計

因有線傳輸受距離、場地等限制，故而需要采用無線通信方式將RFID獲取的成衣信息實時發送至上位機數據庫，而WIFI傳輸因其傳輸距離遠、節點可任意擴充的特點被采用。本系統采用ESP8266模塊進行信息傳送,其原理圖如圖7所示。選用BSS(Block Started by Symbol segment)構架，即將RFID讀寫模塊作為客戶端，負責信息的發送；將上位機作為服務器進行數據接收并存入MySQL數據庫。在ESP8266模塊中，將多個讀寫模塊連接多個station節點作為信息的采集點接收成衣信息，并發送給一個softAP，它相當于一個中繼站將來自各個station的信息匯總并傳輸給上位機處理，以實現WIFI的無線通信和信息的實時傳輸。

圖7　WIFI模塊設計電路圖

2.4　HMI人機交互界面設計

圖8　HMI接線原理圖

觸摸液晶屏采用TJC8048T70_011，是一種7.0寸的智能串口屏，HMI串口屏與其他類型的MCU總線屏一樣對用戶的硬件沒有特殊要求，接線原理圖如圖8所示，可在上位機軟件中依據實際需求封裝好HMI的底層工程文件并使用串口或SD卡下載至屏幕設備中，由于設備內部已構建好底層驅動，所以使用MCU直接通過指令調取設備內的控件完成畫面切換。同時串口屏集成GPU字庫，支持多種組態控件，其中包括基本的按鍵控件、指針控件及二維碼控件等；支持高級的串口主動數據解析功能可以實現自定義指令協議與屏幕通信。

3　系統軟件設計

系統中的數據采集端采集到的數據是通過RFID讀卡器感應到電子標簽后完成的。RFID讀寫器中的嵌入式處理器控制RFID射頻芯片MFRC522與RFID卡片進行數據通信，通信過程由識別、認證和數據讀寫這三個階段構成[10]。根據系統需求，存儲信息的RFID電子標簽分為兩種：一種為服裝攜帶卡用以記錄制衣物料上用以存儲制服裝顏色、尺寸和訂單號等基礎信息，RFID讀寫器可以通過感應標簽后記錄衣物生產記錄，如操作人員、操作工序和操作時間等；另一種為員工電子標簽內存儲員工卡號及個人信息，并記錄工時和績效。員工在上下班時以及切換工位時需要在RFID讀寫器上進行感應，以便于計算績效。當串口數據接收完畢后，通過無線通信模塊發送至上位機數據庫中。讀卡端的軟件設計流程圖如圖9所示。

圖9　讀卡端軟件設計流程圖

4　數據庫設計

4.1　數據庫系統架構

圖11　數據庫表連接關系圖

系統數據庫使用開源的MySQL構建關系數據庫系統。使用數據庫時，采用客戶端/服務器(C/S模型)如圖10所示，安裝了該程序的計算機稱為客戶端，訪問由RDBMS(Relational Database Management System)管理的數據庫，RDBMS客戶端根據自己的需求通過SQL語句發送給RDBMS服務器。RDBMS根據訪問語句的內容返回所需要的數據，或者對存儲在數據庫中的原有數據進行更新。C/S 模式是基于企業內部網絡的應用系統，不依賴于外部環境。具有分離和協同的工作特性、易于擴充、響應速度快、操作界面設計個性化、簡潔方便等優點。

圖10　數據庫客戶端/服務器(C/S類型)

4.2　數據信息模型建立

生產過程信息管理模型使得每件服裝個體與RFID標簽能唯一匹配。該系統中的實體主要有RFID標簽表、工藝路線、生產加工記錄、訂單信息表和產品信息，如表1所列。其中以RFID標簽表的實體屬性為例，RFID標簽表的實體屬性包括有：RFIDID(電子標簽擁有的ID號唯一且固定)、標簽編碼、標簽發放記錄、備注以及用以關聯至下一張表的外鍵orderID。將與所有生產信息模型中的實體關聯起來，便可以實現RFIDID號與服裝個體的唯一標識，進而可以詳細查看該服裝的生產參數、加工過程信息等。各表之間關系如圖11所示。

表1　系統的數據表情況

5　系統開發實例

數據采集端通過感應系統中的兩類RFID電子標簽可以實時獲取在制服裝的生產信息，并統計工人的工作績效，HMI串口屏顯示界面如圖12所示。RFID讀寫器的串口數據等待應答信號到達時，以WIFI網絡為傳送介質依據TCP/IP協議發送至云服務器數據庫端。人機交互

圖12　HMI串口屏顯示界面

程序采用MyEclipse編譯環境進行開發，運用JAVA語言和SQL語言完成對云服務器數據庫的數據信息讀取與更新，在經過云服務器數據庫對接收到的數據進行處理后，管理層和員工可登錄人機交互程序查看生產明細，如圖13所示。

結　語

針對在服裝生產過程中出現的產品與其生產者信息跟蹤管理反饋不及時的問題，設計并實現了一種基于RFID技術的服裝生產過程管理系統。系統通過部署在工位上的RFID讀寫器完成基礎數據采集的采集與發送。

圖13　人機交互程序顯示界面

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張開生(教授)、石瑞華(碩士)，主要從事嵌入式系統、物聯網技術的應用及開發研究;薛楊(碩士)，主要從事軟件開發、數據庫應用研究。