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基于NFC技術(shù)的生產(chǎn)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
1.引言
我國(guó)是勞動(dòng)密集型生產(chǎn)企業(yè)集中的大國(guó)，勞動(dòng)密集型生產(chǎn)企業(yè)一直存在人員眾多，管理復(fù)雜，工序繁瑣等問題。在日常的管理工作中，需要投入大量的人力和物力來(lái)管理員工每日的工作，統(tǒng)計(jì)每日的工作量、檢查工作進(jìn)度、檢查工作質(zhì)量、上報(bào)工作情況等。目前大多數(shù)企業(yè)都是以辦公軟件和統(tǒng)計(jì)軟件相結(jié)合來(lái)完成這些工作，效率低下而且打印量較多，人工成本和耗材成本較高。研究初期，我們提出了一種基于射頻識(shí)別RFID_UIM技術(shù)的生產(chǎn)管理計(jì)件計(jì)量系統(tǒng)，生產(chǎn)員工配備RFID_UIM卡的手機(jī)，每個(gè)生產(chǎn)組配一個(gè)電腦、一個(gè)應(yīng)用接收機(jī)具、一個(gè)條碼掃描槍。生產(chǎn)組長(zhǎng)用條碼掃描槍讀取計(jì)件物料編號(hào)，生產(chǎn)組員通過RFID_UIM卡手機(jī)刷應(yīng)用接收端機(jī)具領(lǐng)取物料，生產(chǎn)組長(zhǎng)確認(rèn)刷卡后，該記錄生成，作為系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)的原始記錄。從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)廠家了解總體生產(chǎn)情況、成本支出的目的，為企業(yè)改善生產(chǎn)效率提供了科學(xué)依據(jù)。但是在采用基于RFID_UIM技術(shù)的生產(chǎn)管理計(jì)件計(jì)量系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用過程中，應(yīng)用接收端機(jī)具與掃描槍的使用，大大限制了使用場(chǎng)景，增加了用戶使用成本。為解決這一問題，我們對(duì)靜距離無(wú)線通信NFC技術(shù)開展了研究，設(shè)計(jì)了基于NFC技術(shù)的生產(chǎn)管理系統(tǒng)，利用支持NFC功能的手機(jī)終端實(shí)現(xiàn)了原有應(yīng)用接收端機(jī)具與掃描槍的功能，降低了客戶使用成本。
2.技術(shù)基礎(chǔ)(Technological base)
NFC(Near Field Communication)是一種非接觸感應(yīng)和識(shí)別技術(shù)，允許電子設(shè)備之間進(jìn)行非接觸式點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸來(lái)交換數(shù)據(jù)，在以13.56MHz頻率運(yùn)行于20厘米的距離內(nèi)。由非接觸式射頻識(shí)別(RFID)演變而來(lái)，由飛利浦、諾基亞和索尼共同研制開發(fā)，其基礎(chǔ)是RFID及互連技術(shù)。在單一芯片上結(jié)合感應(yīng)式讀卡器、感應(yīng)式卡片和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的功能，能在短距離內(nèi)與兼容設(shè)備進(jìn)行識(shí)別和數(shù)據(jù)交換。
NFC包含三種工作模式：卡模式、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式與讀卡器模式?？Ｊ?Card emulation)：這個(gè)模式其實(shí)就是相當(dāng)于一張采用RFID技術(shù)的IC卡?？梢蕴娲F(xiàn)在大量的IC卡場(chǎng)合，如商場(chǎng)刷卡、公交卡、門禁管制、車票、門票等等。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式(P2P mode)：這個(gè)模式和紅外線差不多，可用于數(shù)據(jù)交換，傳輸距離較短，傳輸速度較快、功耗低。能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸，如下載音樂、交換圖片或者同步設(shè)備地址簿。讀卡器模式(Reader/writer mode)：作為非接觸讀卡器使用，比如從海報(bào)或者展覽信息電子標(biāo)簽上讀取相關(guān)信息。本方案采用讀卡器模式來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、計(jì)件計(jì)量等生產(chǎn)管理功能。
與RFID一樣，NFC信息也是通過頻譜中無(wú)線頻率部分的電磁感應(yīng)耦合方式傳遞，但NFC技術(shù)與RFID技術(shù)還是存在著很大的區(qū)別。第一，NFC將非接觸讀卡器、非接觸卡和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)功能整合進(jìn)一塊單芯片，而RFID必須由閱讀器和標(biāo)簽組成。第二，NFC傳輸范圍比RFID小，RFID的傳輸范圍可以達(dá)到幾米，甚至幾十米，但由于NFC采取了獨(dú)特的信號(hào)衰減技術(shù)，相對(duì)于RFID來(lái)說NFC具有距離近、帶寬高、能耗低等特點(diǎn)。正由于NFC的這些特性，我們?cè)O(shè)計(jì)的生產(chǎn)管理系統(tǒng)才采用了NFC技術(shù)來(lái)替代原有RFID_UIM技術(shù)，達(dá)到減少設(shè)備投入，便捷客戶使用的目的。
3.系統(tǒng)架構(gòu)(System architecture)
生產(chǎn)管理系統(tǒng)涉及三個(gè)對(duì)象：生產(chǎn)工人、生產(chǎn)車間組長(zhǎng)和IE部門。IE部門負(fù)責(zé)對(duì)生產(chǎn)工序的編輯及生成控制，充當(dāng)標(biāo)簽管理者的角色。IE部門將計(jì)件信息簽名后寫入NFC計(jì)件標(biāo)簽，生產(chǎn)車間組長(zhǎng)將安裝好計(jì)件讀取模塊的NFC移動(dòng)通信終端靠近NFC計(jì)件標(biāo)簽獲取計(jì)件物品數(shù)據(jù)信息，靠近生產(chǎn)組員NFC移動(dòng)通信終端或IC卡確認(rèn)身份并允許領(lǐng)取計(jì)件物品，并通過移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)將信息發(fā)送至生產(chǎn)管理系統(tǒng)后臺(tái);生產(chǎn)管理系統(tǒng)后臺(tái)獲取上述移動(dòng)通信終端發(fā)送的數(shù)據(jù)信息及移動(dòng)通信終端的用戶信息，根據(jù)生產(chǎn)管理規(guī)則進(jìn)行分析判斷處理。
以上是從系統(tǒng)角色分配上給出的系統(tǒng)介紹，下面從系統(tǒng)應(yīng)用模塊的技術(shù)實(shí)現(xiàn)上分析系統(tǒng)架構(gòu)(圖1)?；贜FC技術(shù)的生產(chǎn)管理系統(tǒng)主要由生產(chǎn)管理系統(tǒng)后臺(tái)、移動(dòng)通信終端、NFC標(biāo)簽以及移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。
圖1 系統(tǒng)架構(gòu)
Fig.1 System architecture
生產(chǎn)管理系統(tǒng)后臺(tái)采用B/S結(jié)構(gòu)，在J2EE平臺(tái)上進(jìn)行開發(fā)，它包含相應(yīng)的管理軟件和后臺(tái)管理數(shù)據(jù)庫(kù)。在功能上包括標(biāo)簽管理子系統(tǒng)、IE子系統(tǒng)、查詢子系統(tǒng)以及管控子系統(tǒng)。標(biāo)簽管理子系統(tǒng)提供編碼的增、刪、改、查功能，同時(shí)提供IE部門管理員將計(jì)件信息封裝為NFC計(jì)件標(biāo)簽的格式并寫入標(biāo)簽的功能;IE子系統(tǒng)負(fù)責(zé)工序流程表的輸入、輸出，以及模板導(dǎo)入功能;查詢子系統(tǒng)提供生產(chǎn)組長(zhǎng)查看該組當(dāng)天、當(dāng)月的計(jì)件計(jì)量完成情況的功能;管控子系統(tǒng)提供管理員就生產(chǎn)完成情況生成每個(gè)員工、每組的各類報(bào)表的功能。
在移動(dòng)通信終端上分為四層，分別是NFC硬件通信層、適配層、NFC探測(cè)解析開發(fā)包以及計(jì)件信息讀取模塊。NFC硬件通信層主要由NFC控制器、安全單元和天線構(gòu)成。NFC天線接收外部的NFC標(biāo)簽發(fā)出的NFC數(shù)據(jù)信號(hào)，NFC控制器將上述接收到的NFC數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)模式轉(zhuǎn)換，將NFC射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，安全單元在本系統(tǒng)中采用的是電信C網(wǎng)，選擇的是UIM芯片。NFC控制器通過單線通信協(xié)議(SWP)與UIM卡之間進(jìn)行通信。架構(gòu)上層NFC探測(cè)解析開發(fā)包則提供關(guān)于NDEF(NFC data exchange format, NFC數(shù)據(jù)交換格式)的探測(cè)與解析方法。系統(tǒng)的計(jì)件信息讀取模塊安裝在用戶的智能手機(jī)客戶端中，當(dāng)移動(dòng)通信終端掃描到帶有NDEF的數(shù)據(jù)標(biāo)簽時(shí)，基于Android的NFC探測(cè)解析開發(fā)包會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)標(biāo)簽進(jìn)行讀取操作。
4.關(guān)鍵技術(shù)(Key technologies)
4.1 產(chǎn)品編碼的實(shí)現(xiàn)
生產(chǎn)管理系統(tǒng)中，NFC計(jì)件標(biāo)簽采用EPC-96編碼生成計(jì)件物品編碼，EPC是存儲(chǔ)在NFC標(biāo)簽中的唯一信息，且已經(jīng)得到UCC和國(guó)際EAN兩個(gè)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的主要監(jiān)督機(jī)構(gòu)的支持。該編碼由一個(gè)版本號(hào)和另外三段數(shù)據(jù)(依次為域名管理、對(duì)象種類、序列號(hào))組成。各字段含義如圖2所示，其中版本號(hào)即標(biāo)志EPC的版本與結(jié)構(gòu);域名管理是描述與此EPC相關(guān)的生產(chǎn)廠商的信息;對(duì)象種類記錄計(jì)件物品的精確類型;序列號(hào)唯一標(biāo)識(shí)計(jì)件物品的不同批次。
圖2 EPC-96編碼含義
Fig.2 EPC-96 coding meaning
4.2 NFC計(jì)件標(biāo)簽類型的選擇
2006年6月，NFC論壇推出了NFC兼容裝置的標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)架構(gòu)、初始規(guī)范和標(biāo)簽格式，所有NFC兼容的裝置必須支持四種標(biāo)簽格式的初始設(shè)置，四種標(biāo)簽類型為ISO1443-A,B、MIFARE、TOPAZ和Felica。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要仔細(xì)考慮每種標(biāo)簽類型的相對(duì)優(yōu)缺點(diǎn)，在滿足需要的同時(shí)兼顧成本和性能的平衡，確定標(biāo)簽格式。
在生產(chǎn)管理系統(tǒng)應(yīng)用中，標(biāo)簽提供的讀取速率是需考慮的重要因素。讀取速率越高，發(fā)生讀寫“中斷”的可能就越小。發(fā)生讀寫中斷時(shí)，盡管標(biāo)簽和讀取器在近距離內(nèi)，數(shù)據(jù)卻仍不能完整地或準(zhǔn)確地傳輸。因此，讀取速率對(duì)系統(tǒng)可靠性和用戶體驗(yàn)有著直接影響。ISO1443-A專有的“全部讀”命令能夠一次性讀取標(biāo)簽上的所有內(nèi)容，而不必一次讀取一個(gè)內(nèi)存塊，這在一定程度上改善了讀取性能。同時(shí)由于系統(tǒng)中NFC標(biāo)簽的讀寫器是手機(jī)，不需要遠(yuǎn)距離識(shí)別，并且考慮計(jì)件產(chǎn)品的唯一編碼的長(zhǎng)度采用的是EPC編碼，只需要96位，綜合以上性能與價(jià)格成本等多種因素，本系統(tǒng)選擇的是ISO1443-A標(biāo)簽標(biāo)準(zhǔn)，106kbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，約10cm的識(shí)別距離，標(biāo)簽內(nèi)存512 位。
4.3 NFC計(jì)件標(biāo)簽的調(diào)度
Android手機(jī)客戶端在本系統(tǒng)中是作為通信中的發(fā)起者，也就是作為NFC計(jì)件標(biāo)簽的讀寫器。Android設(shè)備的NFC即使在屏幕鎖定的狀態(tài)下也可以處理標(biāo)簽的請(qǐng)求，除非在NFC設(shè)備的設(shè)置菜單中禁用。NFC計(jì)件標(biāo)簽上數(shù)據(jù)的主要格式是NDEF，當(dāng)Android設(shè)備發(fā)現(xiàn)了一個(gè)NFC標(biāo)簽，將提供一個(gè)特殊的標(biāo)簽調(diào)度系統(tǒng)掃描NFC標(biāo)簽并進(jìn)行分析、解析，并試圖找出適合的應(yīng)用程序來(lái)處理。Android對(duì)NFC的支持主要在 android.nfc和android.nfc.tech兩個(gè)包中。通過使用getTechList()方法來(lái)判斷NFC標(biāo)簽所支持的技術(shù)，并且用android.nfc.tech提供的一個(gè)類來(lái)創(chuàng)建對(duì)應(yīng)的TagTechnology對(duì)象。
5.結(jié)論(Conclusion)
基于NFC技術(shù)的生產(chǎn)管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了利用支持NFC功能的手機(jī)終端代替應(yīng)用接收端機(jī)具與掃描槍的功能，其產(chǎn)品編碼的實(shí)現(xiàn)采用的是EPC-96編碼;NFC標(biāo)簽類型的選擇采用的是ISO14443-A標(biāo)準(zhǔn);NFC標(biāo)簽的調(diào)度使用的是Android標(biāo)簽調(diào)度開發(fā)包。目前基于NFC技術(shù)的生產(chǎn)管理系統(tǒng)已在多家服裝生產(chǎn)企業(yè)使用，切實(shí)降低了客戶使用門檻，減少了系統(tǒng)部署成本。
基于NFC技術(shù)的生產(chǎn)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，為今后NFC技術(shù)的嵌入消費(fèi)管理系統(tǒng)、客戶管理系統(tǒng)、商業(yè)促銷系統(tǒng)、物流管理系統(tǒng)、資產(chǎn)管理系統(tǒng)等各類系統(tǒng)開辟了廣闊的應(yīng)用前景。在未來(lái)2—5年，基于NFC技術(shù)的各類系統(tǒng)的革新與升級(jí)必將給人們的生活帶來(lái)巨大的變革，引領(lǐng)近距離感應(yīng)科技的發(fā)展方向，成為信息時(shí)代的又一個(gè)亮點(diǎn)。