目前，国内服装吊挂系统与国外相比, 还很落后[1-2], 主要表现在传输设备柔性度不高、工作站与上位机之间接线繁琐、上位机对生产线管理效率低等方面.因此提高生产线信息化管理水平和加工效率, 成为服装吊挂系统生产线的重点改进方向.
射频识别(Radio Frequency Identification, RFID), 是一种利用射频信号通过电磁场空间耦合原理识别电子标签并读写相关数据的技术, 具有非接触、传输速度快和多目标识别等特点[3-4]. ZigBee技术是一种短距离、低功耗、低复杂度的双向无线通信技术, 具有自组网能力强、网络容量大等特点, 主要用于在距离短、功耗低、网络节点多的电子设备之间传输数据[5-6].文献[7]给出了基于模型的优化方法，根据实际生产时间对工序进行重新编排，提高了流水线的工作效率，但未结合静态与动态两方面进行流水线建模与工序优公调度.文献[8]分析传统服装生产过程存在的缺点及成因，应用专家系统解决服装生产管理效率较低等问题，但未给出流水线上的具体生产工艺优化方法.文献[9-10]在分析服装生产流水线各组成部分工作原理和特点的基础上，提出基于遗传算法的流水线优化, 但未探究系统各部分之间信息传递模块的硬件组成及结构优化.文献[11]建立了服装吊挂系统生产线的Petri网模型, 对缝制生产过程进行动态控制, 有效地实现了生产线平衡, 但未对各工作站实时生产状态监控进行研究.文献[12]应用ProModel仿真软件对服装生产流水线进行动态仿真, 最后得出最佳的流水线编排方式, 但不能及时解决物料供应短缺等因素带来的对生产线平衡的影响.文献[13]设计并实现了基于以太网和RS485总线的服装吊挂生产线控制系统, 所设计的系统通信方式成本低, 数据转换效果理想, 但中转器与各工作站之间的RS485有线通信方式, 导致生产厂房布线繁琐.文献[14-15]提出了基于ZigBee网络和RFID技术的装备管理系统, 连接ZigBee终端节点与RFID读写器作为特殊的标签, 完成对装备的定位及监控管理.文献[16]将RFID和ZigBee技术相融合, 设计并实现了基于ZigBee无线网络的射频识别系统, 提高了幼儿园幼儿安全管理效率.文献[17-18]对ZigBee射频模块进行了改进, 构建出灵敏度高、传输距离长的无线通信网络.文献[19]设计了基于STM32硬件平台, 结合ZigBee网络、数据库技术与服装加工特性的工作站管理系统, 将该系统应用在服装加工生产线上, 可根据订单需要任意调整工作站数量, 具有良好的推广价值.
根据RFID和ZigBee技术在装备生产管理领域的成功应用，结合服装加工生产线的实际需求, 应用RFID技术和ZigBee网络对服装吊挂系统生产线进行改进, 建立基于ZigBee网络的RFID系统.以无线数据传输的方式实现上位机与工作站之间的实时通信, 提高生产线加工效率和信息化水平.
1 系统总体结构设计服装吊挂系统是由一套悬空的物件传输生产线构成的柔性制造系统, 通过上位机控制挂有不同裁片或半成品的衣架在各工作站之间传输, 完成服装的批量加工.整个系统由射频识别、ZigBee网络、上位机监控终端和后台数据库4部分组成.本研究在各工作站内放置超高频RFID读写器, 用来收集生产线上各工作站中需要处理的裁片信息, 即获取电子标签中存储的衣架序列号.将所得信息以串口方式发送给ZigBee终端节点, 再经由无线网络传送给ZigBee协调器, 协调器将吊挂系统上所有工作站的衣架信息汇总, 通过RS232与上位机监控终端通信.调用后台数据库, 在界面上显示序列号对应的服装裁片信息, 达到实时监控生产线工作状态及流水线是否平衡的目的.系统整体结构如图 1所示.
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| 图 1 系统整体结构 Fig.1 System structure |
系统硬件部分主要包括RFID读写器和ZigBee无线通信模块.在传统服装吊挂系统工作站的基础上增加射频识别功能, 设计识别范围在3 m~5 m的超高频(UHF)RFID读写器, 读取工作站区域中衣架上的电子标签.将ZigBee终端节点和协调器分别放置在读写器和上位机处, 组成覆盖加工厂房的ZigBee无线通信网络.
2.1 RFID读写器设计916MHz的固定式RFID读写器, 其硬件由主控制模块、射频发射链路、射频接收链路、通信接口模块及电源系统组成[20], 如图 2所示.选用STM32F107单片机作为主控模块的控制核心, 完成读写指令控制、收发信号编解码及与ZigBee终端节点通信.
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| 图 2 UHF RFID读写器硬件系统框图 Fig.2 The block diagram of UHF RFID reader hardware system |
以CC1101芯片作为射频发射链路的核心, CC1101芯片是一款低成本、低功耗的无线数传芯片, 工作频率低于1 GHz, 芯片在916 MHz时最大输出功率为11 dbm, 满足EPC Class1 Gen2协议中的调制解调方式.射频接收模块采用分立元件搭建, 接收通路分为3部分, 零中频接收机、差分放大电路及模数转换电路.本设计采用能产生差分信号的两通道接收机方案, 每个通道上放置S1046BA1肖特基二极管作为单端混频器.选用LMV762作为模数转换电路的核心芯片, 模拟信号经转换后进入STM32完成指令的传输.
2.2 ZigBee无线通信模块ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议, ZigBee无线通信模块采用CC2530芯片, 其工作频率为2.4 GHz, 结合了IEEE802.15.4兼容的无线收发器, 增强型8051CPU, 8 KB的RAM和256 KB闪存等功能. ZigBee无线通信模块核心板电路原理如图 3所示.
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| 图 3 ZigBee模块核心板原理图 Fig.3 The core board schematic diagram of ZigBee module |
系统软件部分包括RFID读写器上的嵌入式程序、ZigBee无线通信网络程序、上位机界面和后台数据库.图 4为系统主程序流程.系统主程序首先完成STM32F107、CC2530及外围模块接口、ZigBee协议栈初始化工作.然后终端节点加入由协调器建立的ZigBee网络, 读写器接收上位机消息并发出寻卡指令, 在3 m~5 m工作区域内的标签响应并将EPC号返回给读写器, 读写器将EPC号生成的数据帧通过ZigBee网络传送给上位机.最后上位机界面程序调用SQL Server数据库显示与标签EPC号对应的衣架信息.
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| 图 4 系统主程序流程 Fig.4 Main program flow of the system |
本设计在μC/OS-Ⅱ操作系统上进行RFID读写器软件开发, 建立“读取电子标签数据”、“将采集到的数据发送给ZigBee终端节点”、“接收处理ZigBee终端节点传送的指令”这3项基本任务.初始化RFID读写器的通信模块并置于接收状态上, 驱动射频发射模块发射电磁波并激活工作区域内的电子标签.接收电子标签反馈回的数据并储存在临时存储空间中, 设置定时器触发发送任务, 将读取到的数据、存储地址和发送命令封装成数据块, 通过RS232串口发送给ZigBee终端节点.当ZigBee终端节点给RFID读写器传输指令时, 通过串口触发中断对数据进行保存, 直至中断程序完成对数据的检测后, 触发“接收处理ZigBee终端节点传送的指令”任务, 对接收到的数据进行相应的操作.
3.2 ZigBee网络的组建和通信ZigBee网络节点上的嵌入式设计采用在Z-Stack协议栈的应用层上开发程序, 完成网络的建立[16]. 图 5为ZigBee网络的组建流程.实验采用星型拓扑结构组建网络, 系统中的终端节点称为精简功能设备(RFD), 负责接收工作站中RFID读写器传送的数据, 可以与所有终端节点通信的协调器称为全功能设备(FFD).终端节点只能与协调器进行通信, 相互之间的通信是禁止的.
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| 图 5 ZigBee网络组建流程 Fig.5 The construction process of ZigBee network |
使用Visual Studio 2010作为开发工具, 以C++作为上位机软件开发语言, 其结构包括界面设计模块、串口通信模块和数据处理模块.创建“读写器连接”、“参数设置”、“读写ISO18000-6C标签测试”3个窗口, 并建立与之相关的窗口类及“CConnectReader”、“CReaderParameter”、“CEPCC1G2Test”3个负责通信和数据处理的类.上位机通过RS232串口接收协调器收集到的ZigBee网络中的数据, 通过界面实时呈现给用户.
RFID电子标签的EPC号由24位的16进制数组成, 每4位作为一组可分成6组, 从高位到低位分别为区域① ~⑥.区域⑤的两个低位16进制数用来标记加工进行的工序数, 区域⑥用来区分裁片的种类.以加工两种款式的衬衫[3]为例, 生产本例中的两款服装共需12种裁片.由于同一工作站内挂有相同裁片的衣架不唯一, 实验中每种裁片用4个相邻EPC号的标签表示, 共有48个标签可供读写.衣架在循环导轨上运行至每个工作站, 进站时进站读写器读取该工作站中所有衣架的信息, 并通过ZigBee网络传送给上位机, 出站时出站读写器写入该衣架经过的工序操作, 以标记裁片的加工状态.每件衣服的加工顺序是固定的, 所以只需获取某个衣架区域⑤的16进制数, 即可得知该衣架上裁片的加工进行状态.
本设计使用SQL Server 2008关系型数据库管理系统, 建立数据库Garment Production, 在该数据库下创建表“RFID标签信息”, 设置EPC号和裁片两列信息, 存储标签EPC编号与裁片之间的对应关系. 表 1为本实验48个标签与裁片的对应关系.
| EPC编号 | 裁片 | EPC编号 | 裁片 |
| 300833B2DDD9014000000000~ 300833B2DDD9014000000003 |
前衣片 | 300833B2DDD9014000000010~ 300833B2DDD9014000000013 |
后衣片 |
| 300833B2DDD9014000000020~ 300833B2DDD9014000000023 |
门里襟 | 300833B2DDD9014000000030~ 300833B2DDD9014000000033 |
胸袋 |
| … | … | … | … |
| 300833B2DDD90140000000A0~ 300833B2DDD90140000000A3 |
翻领 | 300833B2DDD90140000000B0~ 300833B2DDD90140000000B3 |
口袋 |
在实验室对系统进行测试, 主要测试超高频RFID读写器的读写距离、采集多标签信息的效率, 及融合RFID的ZigBee网络的可靠性等.测试实验采用1台PC机, 4个RFID读写器, 设置5个ZigBee模块, 其中包含1个协调器和4个终端节点.为每个RFID读写器配备一个ZigBee终端节点, 并将其整体作为一个工作站的通信模块.硬件测试结果表明135 cm为RFID读写器有效读取范围, 读取8个标签用时0.05 s, 识别率100%, 30 cm为有效写入范围.系统整体测试结果表明终端节点可自动加入ZigBee网络, 上位机接收到ZigBee网络中的数据帧, 根据其EPC号调用数据库中与之对应的裁片类型.经反复试验, 基于ZigBee的RFID网络稳定, 标签识别准确率高, 无线通信距离可达100 m, 可以较好的满足对服装吊挂系统生产线上各工作站衣架信息的管理.系统上位机监控界面如图 6所示.
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| 图 6 上位机监控界面 Fig.6 Host computer monitoring interface |
通过融合RFID和ZigBee技术, 建立基于ZigBee的RFID网络, 联系服装加工流程和数据库技术, 实现了改进服装吊挂系统生产线的设计.采用ZigBee无线传输的方法, 连接并扩展了RFID系统, 提高了工作站与上位机之间的通信便捷度, 改善了传统服装企业厂房布线繁琐等缺点.上位机监控界面调用数据库实时监控工作站的加工进行状态, 便于控制服装生产进度及调节生产线的平衡, 整个系统运行可靠.在RFID读写器的硬件结构部分增加ZigBee通信模块, 减少两者之间的有线连接, 并提高系统的稳定性, 将是下一步的研究目标.
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