基于物联网RFID技术的导引系统设计与研究
曾实现+薛蕊+陈江波
摘 要： 为满足现代物料搬运系统的特点，克服传统条形码技术的缺陷，将物联网RFID技术集成于AGV自动导引系统。采用节点导向法，以LPC2210微处理器为控制核心，由RFID系统来完成目标物料信息的存储、读取和数据处理工作，利用RFID标签定位功能增强AGV的自主引导能力，通过设计标签导向系统，实现物料的多目标、超视距识别以及装载、搬运和自动入库的功能，提高系统的灵活性。最后，利用FlexSim模型进行系统仿真，仿真结果证明该系统获取与传输数据速率较快，系统等待时间较短，提高了工作效率和经济效益。
关键词： 导引系统； RFID技术； AGV； 电子标签
中图分类号： TN876?34； TH132 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）19?0022?03
Design and research of guidance system based on RFID technology of Internet of Things
ZENG Shixian， XUE Rui， CHEN Jiangbo
（Qingdao Huanghai College， Qingdao 266427， China）
Abstract： In order to meet the characteristics of modern material handling system and overcome the shortcomings of traditional barcode technology， the RFID technology of Internet of Things （IoT） is integrated into the AGV automatic guidance system. The RFID system is adopted to accomplish the storage， reading and data processing of the target material information， in which the node?oriented method is used， and LPC2210 microprocessor is taken as the central control unit. The RFID tag positioning function is utilized to enhance the autonomous guidance capability of AGV. The functions of multi?objective and beyond?visual?range identification， loading and automatic warehousing of materials can be realized and the system flexibility can be improved by means of the tag?oriented system. The FlexSim model is used for system simulation. The results show that the system has high efficiency in data acquisition and transmission， and the waiting time of the system is shorter， which improves the work efficiency and economic benefits.
Keywords： guidance system； RFID technology； AGV； electronic tag
0 引 言
目前，在港口的物料运输中较为常见的装卸搬运的运输装备是带式输送机和叉车[1]，在工作过程中不仅需要耗费大量人力，而且对技术操作人员的要求相对来说较高，所以，此类设备制约了企业经济效率的提高[2]。随着AGV（Automated Guided Vehicle）导引和RFID技术的快速发展和应用，使得高效柔性搬运及运输在物料搬运企业中得到了广阔的发展[3?4]。文中通过了解港口搬运的环境特点，对物料的柔性化、自动化、智能化运输过程进行研究，基于RFID技术对AGV导引系统做整体设计，该系统不仅降低了人力物力，而且大大地减少了工作时间，提高了效率[5]。
1 系统设计
1.1 总体设计
本文中的导引系统主要由电源部分、系统本体、驱动部分、无线通信系统、控制系统、定位系统等组成[6]。由控制中心发出指令，系统上位机自动按照规划的路径执行相应指令，从而实现系统的高效运行。该导引系统在设计、控制管理与执行机构三个方面完成功能目标，这三层构架相互协调。系统层次结构如图1所示。
1.2 硬件设计
系统硬件包含多个不同的子模块，具体为上位机、无线传输网络、驱动器、各种传感器、控制中心、电源等。硬件的各模块的组成如图2所示。
整个硬件系统采用标准服务器，同时装有软件系统，其职责为给AGV系统下达指令。此系统中顶层信息和中间层信息的传递通过无线局域网络进行，不同的网络包含不同的通信协议，为此需要在相应的通信协议下进行通信[7]。直流电机的工作在系统的运动控制中发挥作用，驱动器主要通过判断H桥的PWM波来控制车速，主要采用超声波避障传感器、红外光电传感器等 [8]。
1.3 软件设计
导引软件部分分为顶层PC软件和中间层的系统软件。系统以顶层的PC控制系统为核心[9]，对导引系统进行路径规划，并实时储存系统的状态参数。
2 RFID和AGV的集成设计
2.1 RFID概述
RFID（Radio Frequency Identification，射频识别技术）系统整体结构原理图如图3所示。通常RFID系统主要包含RFID阅读器、RFID电子标签两部分[10]，系统由电子标签和阅读器来完成目标信息的存储、读取和数据处理。RFID系统是计算机的必要组成部分，并且配套使用。
2.2 RFID与AGV的集成系统
集成系统以LPC2210微处理器为核心控制单元，实现数据的处理，存储数据及连接系统的各个接口，对系统进行控制等功能。系统通过集成RFID和AGV，从而使得系统的导引效果得到提高。如图4所示为集成系统的构成框图，在RFID阅读器和AGV控制系统的串口中实现通信，将采集到的数据传送给控制系统，由上位机完成采集和分析工作，实现系统的集成化[11]。
3 RFID标签导向设计
3.1 前端电路
电子标签由RFID电路和天线组成，主要分为有源式與无源式。无源式标签在工作中无需电源，成本低、可靠性较高[12]；有源式标签未被激发时为待机状态，正常工作为通信状态。RFID标签可以按照系统工作频率分类，研究发现有源式标签对于定位与信息的处理更有优势，稳定性更高[11]。标签射频前端电路图如图5所示。
3.2 标签软件设计
射频收发芯片在数据的接收和发送阶段起到至关重要的作用，软件可以根据寄存器配置实现多种功能[11]。每个数据包都有相应的编号，当系统地址匹配、CRC正确时，数据将被存入状态寄存器RX_FIFO中。IRQ是否有效是由状态寄存器的位置高低来控制。当指令使系统自动有效时，接收应答信号将会被返回。微程序控制器的CE为低时，控制系统将进入低功耗模式，此时，系统将在低电流下进行指令的读取与存储等。文中所述标签指令工作的发送与接收流程图分别如图6和图7所示，微控制器在过程中执行读与写操作，这对于RFID工作中相关信息的准确处理起着关键的作用。
判定指令的传输效果主要通过接收应答信号，若系统收到相应的应答信号，数据便从TX FIFO中删除，此时说明指令传送成功；相反，数据则一直传输，即自动重传的状态有效。电子标签读写器在接收标签信息后，发送“PWR_UP=0”，此时，电子标签进入掉电模式，整个过程高效、稳定地完成了数据信息的传输。
3.3 系统仿真与测试
文中采用的仿真系统为Flexsim Software Production公司出品的FlexSim，该软件系统广泛应用于加工制造、物流运输等领域，通过面向对象的技术，较为真实地模拟显示设定环境[13]。如图8所示，为集成系统的FlexSim模型，整个仿真过程对实际生产有较好的指导意义。
对于系统的测试，主要为通信测试。将系统复位，把计算机的COM口的DART串行通信模块设置为与预先配置参数相同的波特率，在物流追踪系统PC端软件的设备管理中设置串口波特率为9 600 b/s，并连接到相应的COM口。若RFID读写器有应答说明通信成功，若通信质量较差，需要循环调试参数，直至正常通信。
通过仿真与测试可知，RFID和AGV集成系统的数据获取与传输速率快，系统等待反馈的时间较短，大大提高了系统的运营效率。这得益于AGV设计的智能特性，系统对劳动力的要求大大降低，而且对于运输控制的精度进一步提升，对提高经济效益有较大的帮助。
4 结 语
本文设计了一种基于物联网RFID技术和AGV相结合的集成系统，根据RFID和AGV集成系统的设计特点，同时结合RFID标签的导向技术，从而实现了物料的多目标、超视距识别以及装载、搬运和自动入库的功能，系统工作效率高、较灵活、易扩展、有较高的可靠性，可以广泛应用于物料配送行业。
参考文献
[1] 楼小栋.移动卸料装置在散物料运输中的应用研究[J].科技资讯，2014（22）：100.
[2] 张小刚.物料输送技术与设备[J].黑龙江冶金，2013（2）：33?34.
[3] 赵文婧，厉丹，黄为勇，等.RFID电子车牌用树脂缝隙天线的设计[J].现代电子技术，2016，39（5）：73?77.
[4] 姚荣彬，郭洁.基于RFID的员工考勤系统设计[J].现代电子技术，2016，39（1）：122?124.
[5] 廖星星，金钢，陈孝光.一种基于RFID的设备定位可视化方法[J].现代电子技术，2016，39（6）：77?81.
[6] 吴焱明，沈颍，张栋，等.激光导引AGV车载控制系统[J].起重运输机械，2007（12）：16?18.
[7] 王宏玉.自动导引车产品介绍[J].机器人技术与应用，2007（5）：15?17.
[8] 王永鼎，杨家朋.RFID和AGV集成系统及其在配送中心的应用[J].计算机系统应用，2011（11）：131?134.
[9] 鲍勇.光电与RFID导引物流机器人设计[J].科技风，2009（17）：269.
[10] 窦桂华. RFID技术在仓储管理中的应用[J].仪器仪表与分析监测，2010（2）：23?24.
[11] 张晓煜，陈书宏，陈平.基于AGV的变速箱装配生产线计算机控制系统[J].工业控制计算机，2005（5）：21?22.
[12] 张勇，杨海燕，赵宏伟.RFID技术在物流配送中的应用模型研究[J].桂林航天工业高等专科学校学报，2007（4）：20?22.
[13] FINKENZELLER K. RFID handbook： fundamentals and applications in contactless smart cards， radio frequency identification and near?field communication [M]. 3rd ed. Chichester： John Wiley & Sons， Ltd.， 2010.
摘 要： 为满足现代物料搬运系统的特点，克服传统条形码技术的缺陷，将物联网RFID技术集成于AGV自动导引系统。采用节点导向法，以LPC2210微处理器为控制核心，由RFID系统来完成目标物料信息的存储、读取和数据处理工作，利用RFID标签定位功能增强AGV的自主引导能力，通过设计标签导向系统，实现物料的多目标、超视距识别以及装载、搬运和自动入库的功能，提高系统的灵活性。最后，利用FlexSim模型进行系统仿真，仿真结果证明该系统获取与传输数据速率较快，系统等待时间较短，提高了工作效率和经济效益。
关键词： 导引系统； RFID技术； AGV； 电子标签
中图分类号： TN876?34； TH132 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）19?0022?03
Design and research of guidance system based on RFID technology of Internet of Things
ZENG Shixian， XUE Rui， CHEN Jiangbo
（Qingdao Huanghai College， Qingdao 266427， China）
Abstract： In order to meet the characteristics of modern material handling system and overcome the shortcomings of traditional barcode technology， the RFID technology of Internet of Things （IoT） is integrated into the AGV automatic guidance system. The RFID system is adopted to accomplish the storage， reading and data processing of the target material information， in which the node?oriented method is used， and LPC2210 microprocessor is taken as the central control unit. The RFID tag positioning function is utilized to enhance the autonomous guidance capability of AGV. The functions of multi?objective and beyond?visual?range identification， loading and automatic warehousing of materials can be realized and the system flexibility can be improved by means of the tag?oriented system. The FlexSim model is used for system simulation. The results show that the system has high efficiency in data acquisition and transmission， and the waiting time of the system is shorter， which improves the work efficiency and economic benefits.
Keywords： guidance system； RFID technology； AGV； electronic tag
0 引 言
目前，在港口的物料运输中较为常见的装卸搬运的运输装备是带式输送机和叉车[1]，在工作过程中不仅需要耗费大量人力，而且对技术操作人员的要求相对来说较高，所以，此类设备制约了企业经济效率的提高[2]。随着AGV（Automated Guided Vehicle）导引和RFID技术的快速发展和应用，使得高效柔性搬运及运输在物料搬运企业中得到了广阔的发展[3?4]。文中通过了解港口搬运的环境特点，对物料的柔性化、自动化、智能化运输过程进行研究，基于RFID技术对AGV导引系统做整体设计，该系统不仅降低了人力物力，而且大大地减少了工作时间，提高了效率[5]。
1 系统设计
1.1 总体设计
本文中的导引系统主要由电源部分、系统本体、驱动部分、无线通信系统、控制系统、定位系统等组成[6]。由控制中心发出指令，系统上位机自动按照规划的路径执行相应指令，从而实现系统的高效运行。该导引系统在设计、控制管理与执行机构三个方面完成功能目标，这三层构架相互协调。系统层次结构如图1所示。
1.2 硬件设计
系统硬件包含多个不同的子模块，具体为上位机、无线传输网络、驱动器、各种传感器、控制中心、电源等。硬件的各模块的组成如图2所示。
整个硬件系统采用标准服务器，同时装有软件系统，其职责为给AGV系统下达指令。此系统中顶层信息和中间层信息的传递通过无线局域网络进行，不同的网络包含不同的通信协议，为此需要在相应的通信协议下进行通信[7]。直流电机的工作在系统的运动控制中发挥作用，驱动器主要通过判断H桥的PWM波来控制车速，主要采用超声波避障传感器、红外光电传感器等 [8]。
1.3 软件设计
导引软件部分分为顶层PC软件和中间层的系统软件。系统以顶层的PC控制系统为核心[9]，对导引系统进行路径规划，并实时储存系统的状态参数。
2 RFID和AGV的集成设计
2.1 RFID概述
RFID（Radio Frequency Identification，射频识别技术）系统整体结构原理图如图3所示。通常RFID系统主要包含RFID阅读器、RFID电子标签两部分[10]，系统由电子标签和阅读器来完成目标信息的存储、读取和数据处理。RFID系统是计算机的必要组成部分，并且配套使用。
2.2 RFID与AGV的集成系统
集成系统以LPC2210微处理器为核心控制单元，实现数据的处理，存储数据及连接系统的各个接口，对系统进行控制等功能。系统通过集成RFID和AGV，从而使得系统的导引效果得到提高。如图4所示为集成系统的构成框图，在RFID阅读器和AGV控制系统的串口中实现通信，将采集到的数据传送给控制系统，由上位机完成采集和分析工作，实现系统的集成化[11]。
3 RFID标签导向设计
3.1 前端电路
电子标签由RFID电路和天线组成，主要分为有源式與无源式。无源式标签在工作中无需电源，成本低、可靠性较高[12]；有源式标签未被激发时为待机状态，正常工作为通信状态。RFID标签可以按照系统工作频率分类，研究发现有源式标签对于定位与信息的处理更有优势，稳定性更高[11]。标签射频前端电路图如图5所示。
3.2 标签软件设计
射频收发芯片在数据的接收和发送阶段起到至关重要的作用，软件可以根据寄存器配置实现多种功能[11]。每个数据包都有相应的编号，当系统地址匹配、CRC正确时，数据将被存入状态寄存器RX_FIFO中。IRQ是否有效是由状态寄存器的位置高低来控制。当指令使系统自动有效时，接收应答信号将会被返回。微程序控制器的CE为低时，控制系统将进入低功耗模式，此时，系统将在低电流下进行指令的读取与存储等。文中所述标签指令工作的发送与接收流程图分别如图6和图7所示，微控制器在过程中执行读与写操作，这对于RFID工作中相关信息的准确处理起着关键的作用。
判定指令的传输效果主要通过接收应答信号，若系统收到相应的应答信号，数据便从TX FIFO中删除，此时说明指令传送成功；相反，数据则一直传输，即自动重传的状态有效。电子标签读写器在接收标签信息后，发送“PWR_UP=0”，此时，电子标签进入掉电模式，整个过程高效、稳定地完成了数据信息的传输。
3.3 系统仿真与测试
文中采用的仿真系统为Flexsim Software Production公司出品的FlexSim，该软件系统广泛应用于加工制造、物流运输等领域，通过面向对象的技术，较为真实地模拟显示设定环境[13]。如图8所示，为集成系统的FlexSim模型，整个仿真过程对实际生产有较好的指导意义。
对于系统的测试，主要为通信测试。将系统复位，把计算机的COM口的DART串行通信模块设置为与预先配置参数相同的波特率，在物流追踪系统PC端软件的设备管理中设置串口波特率为9 600 b/s，并连接到相应的COM口。若RFID读写器有应答说明通信成功，若通信质量较差，需要循环调试参数，直至正常通信。
通过仿真与测试可知，RFID和AGV集成系统的数据获取与传输速率快，系统等待反馈的时间较短，大大提高了系统的运营效率。这得益于AGV设计的智能特性，系统对劳动力的要求大大降低，而且对于运输控制的精度进一步提升，对提高经济效益有较大的帮助。
4 结 语
本文设计了一种基于物联网RFID技术和AGV相结合的集成系统，根据RFID和AGV集成系统的设计特点，同时结合RFID标签的导向技术，从而实现了物料的多目标、超视距识别以及装载、搬运和自动入库的功能，系统工作效率高、较灵活、易扩展、有较高的可靠性，可以广泛应用于物料配送行业。
参考文献
[1] 楼小栋.移动卸料装置在散物料运输中的应用研究[J].科技资讯，2014（22）：100.
[2] 张小刚.物料输送技术与设备[J].黑龙江冶金，2013（2）：33?34.
[3] 赵文婧，厉丹，黄为勇，等.RFID电子车牌用树脂缝隙天线的设计[J].现代电子技术，2016，39（5）：73?77.
[4] 姚荣彬，郭洁.基于RFID的员工考勤系统设计[J].现代电子技术，2016，39（1）：122?124.
[5] 廖星星，金钢，陈孝光.一种基于RFID的设备定位可视化方法[J].现代电子技术，2016，39（6）：77?81.
[6] 吴焱明，沈颍，张栋，等.激光导引AGV车载控制系统[J].起重运输机械，2007（12）：16?18.
[7] 王宏玉.自动导引车产品介绍[J].机器人技术与应用，2007（5）：15?17.
[8] 王永鼎，杨家朋.RFID和AGV集成系统及其在配送中心的应用[J].计算机系统应用，2011（11）：131?134.
[9] 鲍勇.光电与RFID导引物流机器人设计[J].科技风，2009（17）：269.
[10] 窦桂华. RFID技术在仓储管理中的应用[J].仪器仪表与分析监测，2010（2）：23?24.
[11] 张晓煜，陈书宏，陈平.基于AGV的变速箱装配生产线计算机控制系统[J].工业控制计算机，2005（5）：21?22.
[12] 张勇，杨海燕，赵宏伟.RFID技术在物流配送中的应用模型研究[J].桂林航天工业高等专科学校学报，2007（4）：20?22.
[13] FINKENZELLER K. RFID handbook： fundamentals and applications in contactless smart cards， radio frequency identification and near?field communication [M]. 3rd ed. Chichester： John Wiley & Sons， Ltd.， 2010.
