RFID標(biāo)簽彩色印刷寫卡一體機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及軟件開發(fā)

楊志杰,王 菲,鄭 勇

(1.上海聯(lián)物信息科技有限公司,上海 閔行區(qū) 201100;2.南京工程學(xué)院,江蘇 南京 211100)

0 引言

據(jù)IDC數(shù)據(jù)顯示,2020年全球物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)規(guī)模約達(dá)1.36萬億美元。與全球相比,我國(guó)在物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)規(guī)模、網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍、連接規(guī)模和網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量等多方面取得一定領(lǐng)先,物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展總體向好,已形成較為完整的產(chǎn)業(yè)鏈[1]。隨著物流運(yùn)輸、醫(yī)療技術(shù)、倉儲(chǔ)管理技術(shù)的逐步發(fā)展,射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)已成為了物聯(lián)網(wǎng)的主流應(yīng)用之一[2],憑借其強(qiáng)大的滲透力,快速與傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)融合,呈現(xiàn)出爆炸式增長(zhǎng)。

隨著電子標(biāo)簽的生產(chǎn)效率、外形設(shè)計(jì)、擴(kuò)展信息等方面的要求越來越高,標(biāo)簽生產(chǎn)常出現(xiàn)小批量、多品類的情況,這種現(xiàn)象導(dǎo)致了人力資源的浪費(fèi)、生產(chǎn)效率的降低,因此產(chǎn)業(yè)的當(dāng)務(wù)之急是解決標(biāo)簽印寫一體化這一問題。同時(shí),市面上的標(biāo)簽打印機(jī)多無法滿足彩色打印要求,限制了標(biāo)簽外觀的設(shè)計(jì)。如何打印硬質(zhì)材料的RFID彩色標(biāo)簽已成為行業(yè)“卡脖子”難題。

本次設(shè)計(jì)針對(duì)的設(shè)備,結(jié)合了智能傳感器、UV印刷、讀寫芯片數(shù)據(jù)、分析檢測(cè)技術(shù)和人工智能,依次實(shí)現(xiàn)RFID空白標(biāo)簽上料、彩色印刷、RFID數(shù)據(jù)寫入、數(shù)據(jù)校驗(yàn)、下料等工序,進(jìn)而完成標(biāo)簽彩色印刷、信息錄入校核功能。

1 系統(tǒng)需求和總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)需求

RFID標(biāo)簽打印機(jī)由4個(gè)部分組成:上料模塊、機(jī)械臂模塊、打印機(jī)模塊及寫卡器模塊。總體需求是設(shè)計(jì)一體機(jī)的人機(jī)操作界面及控制系統(tǒng),通過軟件操作實(shí)現(xiàn)UHF RFID標(biāo)簽上料、彩色印刷、寫卡、驗(yàn)證、下料全過程自動(dòng)化,同時(shí)實(shí)現(xiàn)模塊單獨(dú)運(yùn)行功能,便于后期維護(hù)。

1.2 總體設(shè)計(jì)

根據(jù)總體需求,軟件需要包括的功能有機(jī)械臂設(shè)置、標(biāo)簽設(shè)置、打印機(jī)設(shè)置、自動(dòng)運(yùn)行、狀態(tài)監(jiān)控等,上下位機(jī)通過串口連接,下位機(jī)控制系統(tǒng)分別采用運(yùn)動(dòng)控制卡、Arduino板、USB進(jìn)行連接控制。系統(tǒng)整體框架圖如圖 1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

RFID標(biāo)簽印刷寫卡一體機(jī)的控制系統(tǒng)主要由打印機(jī)控制、上料機(jī)構(gòu)控制、機(jī)械臂控制3個(gè)部分組成。系統(tǒng)框架如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)架構(gòu)圖

打印機(jī)控制系統(tǒng)利用打印機(jī)主板配合脫機(jī)、聯(lián)機(jī)行程開關(guān)控制打印機(jī)模塊自動(dòng)運(yùn)行,通過對(duì)愛普生1390打印機(jī)進(jìn)行改裝,加裝UV打印機(jī)頭,運(yùn)用Arduino進(jìn)行二次開發(fā),實(shí)現(xiàn)自動(dòng)復(fù)位及彩色印刷功能。

上料機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)以Arduino板編程控制作為核心,利用上下限位及光電感應(yīng)元件控制上料機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng),編寫上料模塊控制指令供上位機(jī)使用。

機(jī)械臂控制系統(tǒng)選用五軸機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)控制卡,控制機(jī)械臂移動(dòng)點(diǎn)位,實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽工作位置移動(dòng),機(jī)械臂末端設(shè)置吸盤、氣泵搭配電磁閥,對(duì)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)控制板進(jìn)行擴(kuò)展,實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽抓取功能。

下位機(jī)與上位機(jī)通過串口進(jìn)行通訊。打印機(jī)模塊由打印主板接口與上位機(jī)連接,上料機(jī)構(gòu)由Arduino控制板與上位機(jī)連接,機(jī)械臂模塊由運(yùn)動(dòng)控制卡接口與上位機(jī)連接,寫卡模塊直接經(jīng)USB接口聯(lián)通上位機(jī)。

3 軟件功能的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

RFID標(biāo)簽印刷寫卡一體機(jī)的軟件采用C#語言開發(fā),整個(gè)程序采用模塊化設(shè)計(jì),主要包括系統(tǒng)串口連接、模塊運(yùn)行、自動(dòng)運(yùn)行、數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)監(jiān)控等部分。

3.1 串口連接的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

該模塊是整體設(shè)備運(yùn)行的前提,模塊運(yùn)行和自動(dòng)運(yùn)行均需要先進(jìn)行串口連接。此界面可實(shí)現(xiàn)串口的掃描,刷新上位機(jī)連接的串口信息,同時(shí)控制串口的連接與斷開,并能夠?qū)Υ谛畔⑦M(jìn)行保存,當(dāng)程序啟動(dòng)時(shí),頁面可自動(dòng)加載,便于用戶操作。串口連接界面如圖3所示。

圖3 串口連接界面

3.2 模塊運(yùn)行的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

模塊運(yùn)行界面主要包括上料模塊、機(jī)械臂模塊、打印機(jī)模塊、寫卡模塊。模塊運(yùn)行界面主要控制4個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)單獨(dú)運(yùn)行。4個(gè)模塊的運(yùn)行界面如圖4所示。

圖4 模塊界面

上料模塊包含開機(jī)自檢、上升、下降、停止4個(gè)功能,用于控制上料平臺(tái)運(yùn)動(dòng)。機(jī)械臂模塊包含開機(jī)自檢、移動(dòng)到點(diǎn)、單步運(yùn)行3個(gè)功能,用于控制機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)到指定點(diǎn)。打印機(jī)界面能夠選擇標(biāo)簽文件,指定打印機(jī)并設(shè)置標(biāo)簽參數(shù)。

(1)上料模塊運(yùn)行的實(shí)現(xiàn)

上料機(jī)構(gòu)利用上下限位控制上料平臺(tái)的位置,當(dāng)平臺(tái)到達(dá)上限位時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn),平臺(tái)下降;當(dāng)平臺(tái)到達(dá)下限位時(shí),電機(jī)停轉(zhuǎn),平臺(tái)停止運(yùn)動(dòng)。在上限位下方設(shè)置光電感應(yīng),識(shí)別標(biāo)簽是否到達(dá)上料點(diǎn)。利用Arduino進(jìn)行編程,對(duì)上料機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。

上位機(jī)通過串口發(fā)送指令,控制平臺(tái)運(yùn)動(dòng),控制指令見表1。

表1 上料機(jī)構(gòu)指令表

(2)機(jī)械臂模塊運(yùn)行的實(shí)現(xiàn)

機(jī)械臂結(jié)構(gòu)由運(yùn)動(dòng)控制卡控制,點(diǎn)擊相應(yīng)按鈕,通過串口發(fā)送相應(yīng)指令到運(yùn)動(dòng)控制卡,驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂及電磁閥運(yùn)動(dòng)。控制指令見表2和表3。

表2 機(jī)械臂指令表

表3 氣泵指令表

(3)寫卡模塊運(yùn)行的實(shí)現(xiàn)

寫卡模塊包含盤點(diǎn)和寫入功能。寫卡模塊基本工作流程如圖5所示。

圖5 寫卡模塊運(yùn)行流程圖

寫卡模塊首先需打開模塊,配置讀寫器,其中包括天線、頻率、盤點(diǎn)時(shí)間等參數(shù)。盤點(diǎn)功能直接調(diào)用盤點(diǎn)的API函數(shù),獲取讀取范圍內(nèi)的標(biāo)簽數(shù)據(jù)。寫入功能首先需要設(shè)置待寫入的標(biāo)簽編號(hào),對(duì)寫入信息進(jìn)行限制,接著調(diào)用寫入API函數(shù),進(jìn)行寫數(shù)據(jù)操作。

(4)打印機(jī)模塊運(yùn)行的實(shí)現(xiàn)

打印機(jī)模塊選用愛普生1390打印機(jī)配合UV打印頭進(jìn)行改裝。將打印機(jī)控制主板復(fù)位功能轉(zhuǎn)接到Arduino板進(jìn)行編程,實(shí)現(xiàn)上位機(jī)控制打印機(jī)自動(dòng)復(fù)位功能。在脫機(jī)點(diǎn)及聯(lián)機(jī)點(diǎn)安裝限位開關(guān),用于判斷打印機(jī)當(dāng)前狀態(tài)。

3.3 自動(dòng)運(yùn)行的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

自動(dòng)運(yùn)行模塊主要包括參數(shù)設(shè)置和自動(dòng)程序運(yùn)行。其中,參數(shù)設(shè)置包括機(jī)械臂設(shè)置、標(biāo)簽設(shè)置、打印機(jī)設(shè)置;自動(dòng)程序主要實(shí)現(xiàn)一體機(jī)印寫自動(dòng)化功能。自動(dòng)運(yùn)行界面如圖6所示。

圖6 自動(dòng)運(yùn)行界面

(1)參數(shù)設(shè)置

機(jī)械臂設(shè)置用于錄入關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo),包括原點(diǎn)、休息點(diǎn)、上料點(diǎn)、寫卡點(diǎn),同時(shí)能夠設(shè)置機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)速度。標(biāo)簽設(shè)置用于選擇標(biāo)簽文件夾,錄入標(biāo)簽信息并分裝,頁面下方可設(shè)置標(biāo)簽打印參數(shù),通過算法自動(dòng)排版。打印設(shè)置用于選擇打印機(jī),選擇頁面大小、方向、頁邊距。

(2)自動(dòng)程序運(yùn)行

自動(dòng)運(yùn)行程序以連接模塊為前提,綜合了各個(gè)模塊的功能。參數(shù)設(shè)置完畢,開始自動(dòng)運(yùn)行,在自動(dòng)運(yùn)行界面顯示當(dāng)前任務(wù)數(shù)以及任務(wù)完成情況,隨著設(shè)備運(yùn)行進(jìn)度的更新,任務(wù)完成情況也實(shí)施更新,并添加到操作日志中。自動(dòng)運(yùn)行流程圖如圖7所示。

圖7 自動(dòng)運(yùn)行流程圖

4 樣機(jī)調(diào)試

樣機(jī)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖8所示。

圖8 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試圖

本次測(cè)試主要包括模塊測(cè)試和自動(dòng)程序測(cè)試兩個(gè)方面。涉及的項(xiàng)目如下:機(jī)械臂重復(fù)定位測(cè)試;讀寫器盤點(diǎn)、寫入功能測(cè)試;上料機(jī)構(gòu)響應(yīng)測(cè)試;系統(tǒng)整體測(cè)試。最終測(cè)試結(jié)果:各單元模塊能夠進(jìn)行參數(shù)配置,接收到上位機(jī)發(fā)送的命令后,能夠正確響應(yīng);自動(dòng)程序整體流程能夠按照既定目標(biāo)連貫完成。

5 結(jié)語

本研究實(shí)現(xiàn)了標(biāo)簽自動(dòng)排版功能,彌補(bǔ)了市面上桌面標(biāo)簽打印機(jī)無法彩色打印的不足,設(shè)計(jì)的樣機(jī)滿足了標(biāo)簽上下料、印刷、寫卡一體化的需求,節(jié)約了人力資源,提高了生產(chǎn)效率及質(zhì)量。但設(shè)計(jì)中仍存在不足,如:設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性不足;程序自動(dòng)計(jì)算的機(jī)械臂打印點(diǎn)位的坐標(biāo)實(shí)際數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)誤差較大,將在后續(xù)的工作中進(jìn)一步完善。