基于RFID和PLC的倉儲物品信息監控系統設計

史艷紅，劉漢林

(1.中國民航大學 電子信息與自動化學院，天津 300300；2.青島國際機場集團有限公司，山東 青島 266108)

0 引言

隨著現代科技的發展，生產自動化程度飛速提高。很多生產過程的自動化離不開物品信息的準確獲取與傳輸，因此高效、準確地獲取物品信息極其關鍵。以倉儲物品信息檢測為例，常見的自動物品信息存儲和檢測手段有基于條形碼技術和無線射頻識別(RFID)技術兩種。條形碼是“可視技術”，條形碼掃描儀只能接收它視野范圍內的條形碼，條形碼一旦被劃破、污染或者脫落，掃描儀就無法辨認目標，且條形碼信息不能更改。RFID技術是一種無線的、非接觸方式識別技術，具有讀取距離大、讀取信息方便迅速、識別靈敏、標簽存入的數據可動態更改、數據存儲量大、防水、防磁、耐高溫、使用壽命長、更安全、動態實時通信等優點，可以在不需要人為干預的情況下完成對相應標簽的讀取、識別工作，并能保證其信息的準確性[1]。其標簽內部的電子芯片不會輕易受到外部環境的影響、不易損傷。隨著科技的進步，RFID技術已經廣泛地應用于電子防盜、食品安全、醫療、物流、倉庫等各個領域當中，以提高工作效率，實現自動化目標[2-4]。

在工業控制機器方面，相對于其他控制器，PLC具有免硬件開發、結構靈活、不易受外界環境影響、傳輸質量高、速度快、系統穩定、成本較低、可靠性高、開發周期短等優點，在自動化領域應用廣泛。

本文綜合RFID技術和PLC技術的優點，將PLC與RFID技術結合，設計實現倉儲物品信息自動檢測與監控管理系統，可節省更多的人力物力，提高生產與管理的自動化水平。這有利于民航航材和倉儲物流領域的物品存儲與管理，有較高的應用價值。

1 系統總體結構設計

在倉儲物品的信息檢測方面，應該滿足以下幾個要求。

(1)物品信息檢測的準確性：克服傳統物品信息檢測自動化程度低、人為干擾因素大、準確度低的缺點，開發自動化、集成度和準確性高的系統，降低人為干擾因素，滿足行業的工作需求。

(2)物品信息的檢測效率：適應物品信息檢測數量劇增的發展趨勢，開發高效的物品信息檢測系統，提高工作效率以及生產管理的自動化水平。

(3)物品信息檢測數據的多樣化：針對物品的多樣性、復雜性，開發能夠適應多行業的物品信息檢測系統，實現快速準確識別，完成數據的記錄采集與精細管理，使工作更加方便快捷。

(4)物料信息檢測環境的適應性：克服傳統的物品信息檢測手段因易受到油污、灰塵、水或者某些化學藥品、天氣等影響，使其記錄的數據易受損的缺點，開發環境適應性強、抗污染力強、穩定、耐久的檢測系統。

針對上述要求，研究開發設計了基于RFID和PLC技術的物品信息檢測系統，實現物品信息的高效、準確、快速檢測與存儲管理，系統具有穩定性高、適應性強的特點。系統的總體結構如圖1所示。系統的工作流程是：當攜帶有電子標簽的出/入倉儲物品進入讀寫器讀寫范圍時，讀寫器在PLC控制下獲取電子標簽信息并通過通信網絡傳輸至PLC，PLC獲取數據并處理后，將電子標簽中有關物品信息傳輸至上位PC，在PC界面進行物品出/入庫狀態顯示和數據記錄管理。

圖1 系統總體結構

2 RFID系統設計

RFID最基本的系統是由電子標簽(Tag)、讀寫器(Reader)、天線(Antenna)三部分組成的。當電子標簽移動到讀寫器的天線磁場范圍當中時，若接收到讀寫器發出的特有射頻信號，便可以借著由感應電流所獲取的能量發送出存儲于芯片內部的物料信息，讀寫器讀取信息后將其解碼，解碼信息可通過通信端口進行傳輸。

本設計選用型號為G20R的超高頻RFID一體式讀寫器，其工作頻率為902～928 MHz，有廣式跳頻(FHSS)和定頻發射兩種工作方式，天線配置選擇8 dBi/12 dBi，最大輸出功率30 dBm。它支持的電子標簽標準有ISO18000-6B和EPC CLASS1 G2，典型讀取距離為3～6 m/15 m，工作模式有主動方式和交互應答方式，采用+9 V或+12 V電源供電，支持RS232、RS485、韋根接口輸出。

本文選用的電子標簽標準是EPC CLASS1 G2。因讀寫器在主動模式下僅執行讀標簽操作，在交互應答模式下可以對標簽進行讀、寫操作，考慮到使用場合的廣泛性和應用靈活性，設置讀寫器工作在交互應答模式下，利用RS232接口通過串行通信方式實現與控制主機數據傳輸。在交互應答模式下，設定PLC以1 s時間間隔向讀寫器定時發出讀取物品標簽信息指令。

EPC C1 G2標簽有四個存儲區，EPC區、TID區、User區和保留區(密碼區)。本設計用到了該類型標簽的EPC區和User區。利用RFID設置軟件將標簽EPC卡號修改為標簽占用編碼，如1234567812345678，替代購買時默認的EPC卡號，表征此標簽已被專門使用，其取值范圍是4字十六進制數據。User區域存儲容量為32個字，可讀可寫，用來存放用戶寫入的數據信息。利用User區域存儲自定義的物品信息。自定義的每個物品信息包含四部分內容，每部分占用4位十六進制即1個字的存儲空間，這樣每個物品占用4字存儲空間，留有28字空間未定義供后續擴展用，可根據需要靈活細化編碼。自定義編碼信息如表1所示。

表1 倉儲物品信息自定義編碼

如當定義的信息是0002000300040001時，它的含義是存儲在倉庫H2，行號為H3、列號為H4貨架位置的電腦(H1)。

3 PLC系統設計

PLC具有靈活性好、通用性強、體積小、功耗低、接口簡單、維護方便特點，具有很高的可靠性和抗干擾能力，完全適合物品信息檢測所提出的四方面要求，是一種很好的實現方式和手段。

3.1 PLC主機選擇與模塊擴展

本設計選用了型號為FPG-C24R2HTM的松下PLC。本PLC通過配備32位的RISC處理器來實現小型PLC的超高速運算處理，使得基本指令和高級指令高速化，縮短了掃描時間。它擁有大容量的程序存儲器，充分滿足定位、通信、數字量、模擬量等控制；它支持串口通信，可通過擴展通信模塊單元，方便與外部設備通信；通過編程口能與上位PC通信，實現人機界面的交互需求和數據管理要求。

在實驗室條件下，為實現PLC與RFID讀寫器通信，擴展了一塊型號為AFPG801的通信插件，通過RS232C串行通信接口，實現電子標簽數據傳輸。PLC與RFID讀寫器的通信參數均設置為：波特率9 600 b/s,數據長度8位，停止位1，無奇偶校驗，無結束符，無STX。

3.2 PLC控制程序設計

本設計中，為了滿足廣泛適用性，將RFID讀寫器工作模式設置為應答模式，PLC通過發送命令給讀寫器的方式，控制讀寫器完成讀寫電子標簽信息操作。即PLC發送命令給讀寫器，讀寫器將命令執行結果狀態和數據發送回給PLC，PLC再進行分析處理[5-7]。讀寫器只有將一條命令執行完畢后，才可執行下一條命令。

3.2.1物料信息檢測主程序設計

如上所述，在電子標簽User區已預先存入物品所在倉庫號、行號、列號以及類別代碼。系統的工作流程是，在物品出/入庫時，利用PLC控制RFID讀寫器獲取電子標簽內預先存入的預置物品信息的User區數據，進行提取、變換后存儲在數據寄存器中。通過判定倉庫號、行號、列號數值，在PC主機人機界面以點亮對應存儲位指示燈的方式加以指示，同時對物品出/入庫數據庫記錄進行更新。可見系統正確工作的關鍵在于正確獲取電子標簽的數據信息，而它需要分為兩步進行。首先，通過串行通信方式，PLC向讀寫器發送讀取標簽EPC號的指令，PLC在獲取標簽的正確EPC號后，以此EPC號標簽為讀取目標，向讀寫器發送讀取該電子標簽USER區信息指令，讀寫器返回USER區信息數據，PLC進行數據判別處理。即PLC先確定讀取目標，然后再確定讀取目標的哪個區域數據。物品信息檢測主程序流圖如圖2所示。

圖2 物料信息檢測的主程序流圖

3.2.2CRC循環冗余校驗碼生成程序設計

實現PLC與RFID讀寫器可靠數據通信，獲取物品準確信息，關鍵在于以RFID讀寫器約定的通信協議和命令格式編程。在約定的RFID讀寫器提供的通信協議的命令格式中，命令段末尾均需附加欲傳輸數據的循環冗余校驗碼(CRC16)。兩者通信是否成功、傳輸的數據是否正確需要通過計算數據的CRC校驗碼來進行比對判定。這里讀寫器約定的CRC校驗碼的生成多項式是H8408。CRC冗余校驗碼算法PLC程序以子程序方式設計實現，在需要使用CRC校驗碼時，通過子程序調用進行計算。程序設計流程圖如圖3所示。

圖3 CRC16冗余校驗碼算法流圖

4 組態監控設計

上位PC監控界面采用Force Control V7.1力控組態監控軟件設計。Force Control V7.1是一個完全集成化的工控軟件，完全兼容微軟的一些操作系統，廣泛適用于化學工業、環境保護、建筑管理等行業。該軟件采用了可靠、靈便、多功能的監控系統平臺，可以和PLC或其他的工業生產過程進行信息之間的交換與傳遞，從而實現監測和控制的目的[8-9]。

4.1 I/O設備組態的建立

Force Control V7.1軟件可以與多種多樣類型的設備互相通信，對使用了不同通信協議的I/O設備來說，該軟件是能夠提供相應的I/O驅動的。而只有定義了I/O設備后，軟件才能夠通過數據庫組態當中的變量與相應的I/O設備進行數據方面的傳遞和交換。

在本設計中，PLC通過編程口與PC的USB轉串口連接進行通信，參數設置為：PLC設備地址1，RS232C串行通信方式、串口COM7、波特率9 600 b/s、數據位8位、奇校驗、停止位1位。

4.2 數據庫組態變量定義

DBManager是建立數據庫組態的重要工具。通過此工具可以實現數據連接組態、點參數組態等重要功能。為了完成對I/O設備的監視與控制，建立與PLC的數據連接，在力控數據庫組態時，選擇合適的區域和單元添加變量、創建數字I/O點和模擬I/O點，并將其與對應的PLC寄存器單元內容連接，實現主機和PLC的信息共享和數據傳遞。典型的數據庫組態的模擬I/O點如表2所示。

表2 模擬I/O點

4.3 出/入庫記錄數據庫設計

在倉儲物品出/入庫時，需要對物品信息數據進行記錄，以便于核對信息、查找錯誤時有所依據。本數據庫設計采用力控軟件中基于ADO組件的數據庫方法實現。首先需要通過開放式的數據庫互聯(ODBC)創建一個數據源。ODBC相對于一個中間層，它可以鏈接數據庫，方便管理。數據源建立后，在力控的工程項目中添加ActiveX數據對象(ADO)組件。它能夠訪問關系類型的數據庫或者非關系類型的數據庫。本文選用Acess數據庫，并在“數據表管理”的選項中綁定自定義的數據表。所設計的數據庫記錄包含的內容有：設備的序號、時間、倉庫號、行、列、名稱代碼、出庫、入庫信息等。

4.4 組態監控界面設計

人機交互界面設計由登錄界面、物料入庫界面、物料出庫界面三個部分組成。

物品出入庫界面，用到了工具欄中的文本工具、按鈕工具、標準圖庫中的指示燈以及常用工具當中的專家報表。當物品標簽進入到讀寫器的讀取范圍內，讀卡器會將讀取到的信息傳送到PLC當中。經過數據的處理之后，在PC監控界面，相對應物品信息如倉庫號、貨架行列號、物品類別代碼會以文字方式顯示，物品位置指示則以變換行列式貨架的位置指示燈顏色表示。常態下，指示燈為紅色，當讀取到物品的位置信息后，相應位置的指示燈會由紅色變為綠色，以此來顯示物品的來源存入位置。每次出入庫物品信息還將被自動記錄到數據報表中。數據報表以Excel表格的形式存入到用戶所欲存儲的位置，供后續數據管理用。

5 結論

基于RFID、PLC和組態監控技術的倉儲物品信息檢測系統，實現了出/入庫倉儲物品信息的準確快速識別和物品信息的有效管理。利用RFID技術實現出入庫物品信息存儲，具有可反復使用、可靠性高、抗污染力強、穩定耐久、經濟實用的特點。利用PLC和組態監控技術實現倉儲物品信息快速檢測、顯示、記錄和數據管理。試驗表明，該系統具有物品信息檢測準確、效率高、環境適應性強特點，且只要在此基礎上加以相應變動，就可以滿足多場合、多行業的物品信息多樣性、復雜性的檢測要求，具有很高的實用價值和現實意義。