怎样面向纺织MES系统的RFID嵌入式数据采集终端设计的研究

随着信息化、智能化、,管理、农业,.嵌入式系统是以应用为中心,以计算机技术为基础,并且软硬件可裁剪,适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等有严格要求的专用计算机系统。无论怎样,在目前的嵌入系统中,微处理器作为其核心器件多采用8位或16位微处理器,由于这些微处理器的运行速度、寻址能力和功耗等问题,已经很难满足相对较为复杂的嵌入式应用场合。

将射频识别(RFID)技术与ARM嵌入式处理器相结合应用于企业生产过程数据采集及企业生产管理信息的获取，可以有效地解决目前生产领域遇到的上述问题。本文设计给出了面向纺织服装企业生产制造执行系统的网络架构，并在此之上介绍一种基于ARM Cortex-M处理器、通用无线射频识别数据采集终端的设计和实现。

现今全球纺织服装行业市场竞争日益激烈，信息化战略已成为纺织服装制造企业提升市场竞争能力的重要发展战略之一。纺织服装业作为我国制造业的重要组成，在我国“制造业信息化工程”的背景下，已被国家列为信息化技术改革的重点行业。随着中国加入WTO和经济全球化，我国在成为世界制造业中心的同时也面临前所未有的机遇和挑战。以信息化带动工业化，迅速提高企业的核心竞争力，是现今纺织服装企业急需解决的重要问题。

要实现企业信息化，尤其是生产过程和企业管理信息化，首先要解决的问题就是来自生产过程和企业管理中的大量数据信息的获取和传输。只有快捷、准确、方便地采集这些大量底层数据，才能实现对生产过程、物流管理、生产计划、调度和质量等的监测与控制。因此，生产信息的数据采集与集成将是企业信息化工程的关键所在，在企业信息化的不断深入过程中，将发挥越来越重要的作用。在纺织企业传统生产过程中，底层生产数据大多是依赖人工进行记录来获取的，尽管操作方法繁冗，生产数据记录滞后，无法实现实时监控和统计，数据可靠性差，效率较低，但目前仍有不少企业在采用这一传统方法。在一些设备较为先进的企业里，生产数据采集已由电子系统自动获取逐步代替了人工记录，但数据采集终端设备大都采用单片机、串口通信、工控机的模式实现数据采集与控制。这些终端单元具有分散性、独立性，通信距离短，不便于系统的集中管理等缺点。

将射频识别(RFID)技术与ARM嵌入式处理器相结合应用于企业生产过程数据采集及企业生产管理信息的获取，可以有效地解决目前生产领域遇到的上述问题。本文设计给出了面向纺织服装企业生产制造执行系统的网络架构，并在此之上介绍一种基于ARM Cortex-M处理器、通用无线射频识别数据采集终端的设计和实现。

1 RFID技术原理及系统组成

RFID是射频识别技术的英文所写，又称电子标签，是一项利用射频信号通过空间交变电磁场耦合实现无接触信息传递并通过所传递信息达到识别目的的技术。在射频识别系统应用中，射频标签附着在被识别的物体上，其一旦进入射频读卡器的读写范围，内部数据信息就可按约定方式与射频读卡器进行通信，从而完成自动获取物品标志信息的功能。

一个典型的射频识别系统是由射频标签(也称射频卡、电子标签或应答器)、射频读写器(PCD)2个部分组成，如图1所示。

图1 典型无源RFID系统

射频标签是内含天线的存储控制芯片，内存有能够识别目标的信息。读写器由控制单元、发送器和接收器3个部分构成，主要负责与射频标签之间能量的传递，数据的加密/解密，信号的编码/解码，以及与上位机的通信。

2 基于RFID的生产制造执行系统架构的设计

制造执行系统(Manufacturing ExecuTIon System，简称MES)是近年来兴起的一项制造管理技术，属于制造业信息化领域。它是将位于企业上层的ERP系统与底层设备自动控制系统结合在一起的中间管理系统。一方面，MES可以对来自ERP的生产管理信息进行细化、分解，通过更为精确，更为优化的制造指令，将计划层的操作意图传递给底层设备自动控制系统;另一方面，MES可以实现生产制造数据的自动化采集及实时监控底层设备的运行状态，从而加强计划管理层与底层控制之间的沟通。

纺织企业使用MES通常需要设计原材料管理、在制品管理、操作工管理、生产设备管理等多个对象，而且管理量非常巨大，尤其是在制品的管理，仅此1项每天就涉及几万件甚至十几万件。采用RFID技术可以用非接触式的方式跟踪在制品的实时分布情况，产品的追溯以及标识身份认证均可通过RFID解决。由于MES 系统及其数据信息对于一个企业来讲是举足轻重的，所有生产现场相关数据都是通过MES的数据采集系统实现的，数据的实耐性和准确性是该部分的核心要求。因此，其框架结构的设计最根本的要求是实时性、稳定性、可靠性和复用性等，采用独立的网络架构是可靠的选择。

在充分考虑纺织企业生产制造流程、年度生产计划、物料需求计划、产品销售状况等因素的基础上，根据企业的生产特点及存在的问题，将系统在物理层面上划分为3个部分，即现场实时数据采集、现场数据管理和控制、企业生产管理及数据库系统，其物理设计框架结构如图2所示。

图2 基于RFID的生产制造执行系统物理架构

整个MES系统中采用3层Client/Server网络结构，数据库集成在企业级专用服务器，并分为现场生产数据库和生产管理数据库。现场生产数据库提供整个系统的核心数据，这些数据由数据采集终端根据实际情况实时更新，生产管理数据库中的数据统计与分析以生产现场数据库为基础。数据采集终端负责生产数据的实时采集和生产计划任务示;实时数据通信程序负责与数据采集模块进行交互数据通信，完成对采集到的生产数据分析和生成数据采集终端的操作界面，并与生产管理控制部分进行通信获取生产计划数据及控制信息。数据采集服务器直接与各种终端设备相连，用于控制RFID读写设备按照预定的方式工作，保证不同的设备之间能很好地协调配合，还能按照一定的规则过滤数据，筛除冗余数据，将真正有效的数据传送至后台的信息系统。生产管理服务器则集中管理所有的数据采集服务器，处理各种RFID事件和信息交换，实时工作流管理，与各种现有应用系统进行很好的集成，用户可以围绕这些数据进行业务流程的创新和新的应用。

3 嵌入式数据采集终端的硬件设计

数据采集终端硬件采用模块化设计，整体结构由嵌入式处理器、RFID射频识别、RFID天线、通信接口、以太网络接口、人机交互、JTAG系统调试、电源、复位等单元电路构成，其硬件系统整体结构如图3所示。