现代工厂中基于RFID技术的物联网设计

　　引言 

　　随着全球一体化、工业自动化和信息化进程的不断深入，客户对产品的质量要求越来越高，对产品的生产周期要求是越来越短。而现有的条形码技术由于其本身的特性和应用的局限性已不能满足现代工厂的需要。而RFID技术的出现和应用发展．以及物联网的组建则可实现与现代工厂内现有网络系统的信息整合，同时可优化内部物流供应和流通流程。提高工厂内的生产效率和产品质量，进而提高整个企业的核心竞争力。一个良好的基于RFID应用架构的系统可以较好的帮助工厂达到这些目标，实现高效高质量的产品出货。 

　　1 物联网及其组成 

　　1．1 物联网的由来 

　　如互联网可以把世界上不同角落的人紧密地联系在一起一样，采用RFID技术(一种非接触式的自动识别技术)的Intemet也可以把世界上所有物品联系在一起。而且彼此之间可以互相“交流”，从而组成一个全球性实物相互联系的“物联网”。

　　1．2 物联网的组成 

　　典型的物联网由三大部分组成。即RFID系统、中间件Savant系统和Intemet系统。其中典型的RFID系统包括RFID电子标签(tag)、阅读器(Reader)以及数据交换和管理系统软件；中间件Savant系统由Savant服务器，ONS服务器，和PML(Physical Markup Language)服务器及相应的数据软件等组成；Intemet系统通常由计算机系统和网络服务器等组成。 

　　1．3 RnD系统原理 

　　RFID fRadio Frequency Identification)是一种高级的自动识别技术，利用它通过无线射频方式进行非接触式的全双工数据通信．以对实物目标加以识别RFID标签(Tag)由芯片和天线(Antenna)组成，每个标签具有唯一的产品电子码。 

　　该产品电子码EPC (Electronic Product Code1是Auto—ID为每个物理目标分配的唯一的可查询的标识码，其内含的一串数字可代表产品类别和制造商、生产日期和地点、有效日期、应运往何地等信息。同时，随着产品在工厂内的转移或变化，这些数据可以实时更新。通常，EPC码可存入硅芯片做成的电子标签内，并附在被标识产品上，以被高层的信息处理软件识别、传递和查询。进而在互联网的基础上形成专为供应链企业服务的各种信息服务。现已有3种格式的EPC吗．但目前在性能和成本之间达到最佳的是96位的EPC码。该EPC码的格式如下：

　　系统中的RFID阅读器(Reader)可控制射频模块向电子标签发射读取信号，并接收标签的应答信号，同时可对电子标签的对象标识信息进行解码，从而将对象标识信息连带电子标签上的其它相关信息传输到Savant系统以供处理。通常其工作频段和电子标签上频率的一致的RFID系统在工作时，先由阅读器通过天线发送一定频率的射频信号，当RFID标签进入阅读器的工作场时，其天线产生感应电流，从而使RFID标签获得能量被激活并向阅读器发送自身的编码等EPC信息；图阅读器在接收到来自电子标签的载波信息，并对接收信号进行解调和解码后，会将其信息送至计算机中的中间件Savant系统软件进行处理，RFID数据交换和系统管理软件主要包括介于阅读器和工厂计算机应用系统之间的中间件(Midwares1 Savant系统。 

　　1．4 物联网的中间件系统及其用途 

　　Savant是处在阅读器和计算机Internet之间的一种中问件系统。该中间件可为企业应用提供一系列计算和数据处理功能。该中间件在产品电子码EPC规范中被称为Savant．其主要任务是对阅读器读取的标签数据进行捕获、过滤、汇集、计算，数据校对、解调、数据传送、数据存储和任务管理，减少从阅读器传往工厂应用的数据量。同时，Savant还可提供与其他RFID支撑软件系统进行互操作的功能。此外，Savant还定义了阅读器和应用两个接口。

　　ONS服务器是联系前台Savant软件和后台PML服务器f一种简单的Web服务器，可用PML语言描述与提供某对象的相关信息1的网络枢纽。ONS设计与架构都以Internet域名解析服务DNS为基础。通常，对象名解析服务器处理的请求要多于Internet上的DNS的请求．因而工厂内要在局域网中有一台存取信息速度比较快的ONS缓冲存储器。ONS的作用是把Savant 1人存储该产品信息的企业数据库。通常ONS架构应为分层分布式，并应具有易缓存性、冗余性和可扩展性。

　　2 现代工厂内物联网的基本架构 

　　图1给出了现代工厂内物联网系统的基本构架。由图1可见，该应用系统由三大部分组成，系统中的RFID阅读器(Reader)可控制射频模块向电子标签发射读取信号，并接收标签的应答信号，同时可对电子标签的对象标识信息进行解码，从而将对象标识信息连带电子标签上的其它相关信息传输到Savant系统以供处理。通常其工作频段和电子标签上频率的一致的RFID系统在工作时，先由阅读器通过天线发送一定频率的射频信号，当RFID标签进入阅读器的工作场时，其天线产生感应电流，从而使RFID标签获得能量被激活并向阅读器发送自身的编码等EPC信息；图阅读器在接收到来自电子标签的载波信息，并对接收信号进行解调和解码后，会将其信息送至计算机中的中间件Savant系统软件进行处理，RFID数据交换和系统管理软件主要包括介于阅读器和工厂计算机应用系统之间的中间件(Midwares1 Savant系统。

　　1．4 物联网的中间件系统及其用途 

　　Savant是处在阅读器和计算机Internet之间的一种中问件系统。该中间件可为企业应用提供一系列计算和数据处理功能。该中间件在产品电子码EPC规范中被称为Savant．其主要任务是对阅读器读取的标签数据进行捕获、过滤、汇集、计算，数据校对、解调、数据传送、数据存储和任务管理，减少从阅读器传往工厂应用的数据量。同时，Savant还可提供与其他RFID支撑软件系统进行互操作的功能。此外，Savant还定义了阅读器和应用两个接口。

　　ONS服务器是联系前台Savant软件和后台PML服务器f一种简单的Web服务器，可用PML语言描述与提供某对象的相关信息1的网络枢纽。ONS设计与架构都以Internet域名解析服务DNS为基础。通常，对象名解析服务器处理的请求要多于Internet上的DNS的请求．因而工厂内要在局域网中有一台存取信息速度比较快的ONS缓冲存储器。ONS的作用是把Savant 1人存储该产品信息的企业数据库。通常ONS架构应为分层分布式，并应具有易缓存性、冗余性和可扩展性。

　　2 现代工厂内物联网的基本架构 

　　图1给出了现代工厂内物联网系统的基本构架。由图1可见，该应用系统由三大部分组成即RFID硬件系统(包含Tags和Reader)、Savant中间件系统和计算机Internet系统。其中Tag贴于每件产品上，所使用的Reader为手持式．可灵活应用于生产实际；Savant中间件系统含有EPC Infor— marion Service，PML以及ONS及其缓存系统．其后端应用数据库软件系统还包含ERP系统等．这些都与计算机Internet相连，故可及时有效地跟踪、查询、修改或增减数据。

图1 现代工厂内物联网的基本构架

　　3 物联网原理分析 

　　在实物互联网中，当产品在某个工段生产完成并贴上存储有EPC标识的RFID标签(Tags)后，在产品的整个生命周期中，该EPC代码将成为该产品的唯一标识，以此EPC编码为索引能实时的在RFID系统网络中查询和更新产品相关信息．也能以此为依据．在车问内各个流通环节对产品进行定位和定时追踪。 

　　车间内每一道工序(即每条生产线前1都应设有一个阅读器．并配备相应的Savant中间系统和计算机Internet系统。这样，在半成品的装配，加工．转运．以及成品的装配和再加工、转运和包装过程中．当产品流通到某个生产环节的阅读器前时．阅读器在有效的读取范围内就会监测到标签的存在．因为阅读器可以不断的读取一连串的产品电子码fEPC1。某一个局部物联网环节的具体工作流程如下： 

　　(1)RFID阅读器从含有一个EPC或一系列 EPC的标签上读取产品电子码： 

　　(2)RFID阅读器将读取的产品电子码送到Sa— vant中间件系统中进行处理： 

　　(3)当读取的数据量较大而Savant中问件系统处理不及时时，可应用ONS Cache来储存部分读取信息；

　　(4)Savant系统以该EPC数据为信息源，在本地ONS／]I~务器获取包含该产品信息的EPC信息服务器的网络地址； 

　　(5)Savant根据该地址查询EPC信息(EPCIS)服务器。以获得产品的特定信息，然后进行必要的处理后。同时触发后端应用系统以作更深层的处理或计算； 

　　(6)由本地EPC信息服务器和源EPC信息服务器对本次阅读器的记录进行读取并修改相应的数据； 

　　(7)本地ONS不能查阅到EPC编码所对应的EPC信息服务器地址时。向远程ONS发送解析请求。 

　　(8)将EPC数据经过Savant系统处理后，传送到Intemet。 

　　4 工厂物联网系统设计注意事项，在工厂内设计物联网应注意以下几点： 

　　(1)从一个阅读器发出的信号可能与另一个覆盖范围重叠的阅读器发出的信号互相干扰，这种现象叫做阅读器冲突。通过Auto—ID中心并利用一种叫做时分多址(TDMA)的机制可避免冲突。简而言之。就是阅读器被指示在不同时段读取信息。而不是在同一时刻都试图读取信息，这样。就可保证它们不会互相干扰。但是，这意味着处于两个阅读器重叠区域的任何一个RFID标签都将被读取两次信息。为此设计时需开发一套删除冗余信息的系统。 

　　(2)通常来讲，高频率的标签有更大的读取距离．但是它需要对应工作频段的阅读器能输出更大的电磁波能量。鉴于各频段特性。本设计选择900 MHz左右的高频段。 

　　(3)RFID标签在物流领域将产生大量的EPC数据。阅读器每秒读取电子标签的遍历也应定义．各RFID系统或局部物联网在车间内联成一个局域网时。还应考虑数据流的畅通性问题。 

　　5 结束语 

　　本文主要结合RFID技术。并应用现在的计算机网络系统来对新兴的物联网系统进行了一种构架设想。同时解释了该系统中的相关部件并简要分析了其工作原理。进而阐述了其优劣性以及下一步要进行的改进工作。