一种基于rfid数据采集功能的工业智能终端的制作方法

专利名称：一种基于rfid数据采集功能的工业智能终端的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种生产物流跟踪管理自动控制领域的工业智能终端 技术，具体地说是一种基于RFID数据釆集功能的工业智能终端。
背景技术：
生产物流跟踪管理与电子看板技术是构建现代制造执行系统的重要环 节和关键技术，它主要实现工件/物料在各道工序间流转过程的跟踪及其相 关业务的协调控制，包括对工件/物料的加工状态、完工数量、质量及原辅 料/备品备件供应等实时信息的釆集，计划执行进度的跟踪记录，各工序间 生产作业过程的有效控制和协同。
随着制造企业从大规模生产向精益生产方式的转变，对物流跟踪与作 业管理工作提出了新的挑战，特别是在复杂产品/大型设备加工、装配过程 中，由于产品结构复杂、零部件种类繁多、工艺路线和设备配置灵活，要 求在制品跟踪与监控更加趋于准时化、柔性化和复杂化。传统的在制品数 据釆集与管理方式无法快速跟踪在制品状态和流转活动的相关数据，导致 信息响应程度不够、信息滞后或丢失现象，计划调度人员难以及时掌握现 场的生产进度和作业活动，进而难以实现对全流程各工序进行高效协调、 控制和管理，因此在实时性和精度方面均无法满足ERP/MES系统的要求， (ERP: Enterprise Resourse Planning,企业资源规划；MES: manufacturing execution systems,制造执行系统)该问题已成为当前制约离散制造业信息 化发展的瓶颈。这就需要组建一个数据釆集手段更高效的、更智能化的、 兼容多种总线接口 、能够与其他高层通信网络互联的现场工业智能节点系 统，需具有信息实时显示、实时任务调度等功能，以便解决实时、集中控 制，实现ERP/MES计划调度信息的定点发布和在制品状态的实时反馈，以 提高生产决策的正确性、实时性与科学性。而目前尚未出现此类现场工业 智能终端。

实用新型内容
针对现有技术中存在的上述诸多不足，本实用新型要解决的技术问题 是提供一种效率更高、智能化程度更高的基于RFID数据采集功能的工业智
能终端。
为解决上述技术问题，本实用新型釆用的技术方案是 本实用新型工业智能终端具有
控制单元，为核心控制部分，提供交互界面显示接口、输入输出接口； 射频数据釆集单元，集成RFID读写控制模块，前端输入为射频前端电
路，输出端与控制单元的总线接口相连；
存储单元，包括闪存、SDRAM以及外扩存储卡，通过数据线接至控制 单元，其中闪存用于存储操作系统的引导程序、操作系统内核产用户应用 程序，SDRAM作为系统运行时的内存空间，存储系统及用户数据和堆栈，
外扩存储卡用于存放釆集的数据信息；
网络传输单元，具有以太网接口及CAN总线接口，通过网络切换电路 切换，用于控制单元与监控终端的通讯连接；
显示单元，与控制单元的显示数据输出端相连，用于显示用户界面；
电源管理单元，为其他各用电单元提供多种等级的稳定电压，受控于 控制单元内部的电源管理软件。
本实用新型还具有接口扩展单元，与控制单元的总线接口相连，具有 多种总线接口，用于扩展多种接口的外围设备。
本实用新型还具有录入单元，包括输入控制模块、键盘及触摸屏，由 控制单元的底层驱动程序通过输入控制模块对键盘与触摸屏输入进行数据 处理。
所述射频前端电路包括射频滤波器，其将天线釆集的信号进行滤波处 理后送至射频模块前端匹配电路，再经射频收发控制模块及基带信号接口
与射频数据釆集单元中的RFID读写控制模块相连；射频模块前端匹配电路 的回馈信号经功率放大器回送至射频滤波器。 本实用新型具有以下有益效果及优点
1. 增强了系统处理复杂事件的能力。本实用新型针对现有数据釆集技 术的缺陷，解决了射频前端电路及其内部射频模块匹配电路的设计不仅实 现了 RFID数据的实时主动批量釆集、分析、处理及存储，同时也提出了将 多线程与软件状态机设计相结合的复杂逻辑控制方法，增强了系统处理复 杂事件的能力。
2. 功能多，兼容性强。本实用新型釆用RFID数据釆集手段，有效解 决了在制造业物中流数据釆集效率低、实时性差的问题，釆用多线程与软 件状态机设计相结合的复杂逻辑控制，兼容多种网络总线，实现了网络切 换功能及网络异常处理，支持多种总线网络，使其适合多节点的大型工业 现场数据釆集及实时传送，保障数据更安全更可靠；其坚固的金属外壳适 合各种工业环境的安装使用，丰富的接口适合多动作的系统操控，大屏幕 用户界面方便对现场人员的信息反馈。
3. 应用广泛。本实用新型主要应用于制造业中在制品生产线的数据采 集、监控和管理，同时也应用于粉尘、油污等较为恶劣工业现场环境中完 成对现场数据的釆集、运算与管理。


图i为本实用新型硬件总体框图2A为本实用新型的射频前端电路原理图2B为本实用新型的射频模块前端匹配电路原理图3为本实用新型系统模块图4为本实用新型的数据釆集状态机的状态设计图5为本实用新型的网络切换功能控制的数据传输流程图6为本实用新型釆用的控制方法主线程控制状态机流程图。
具体实施方式
本实用新型为一种工业智能终端，其釆用RFID技术作为现场数据釆集 手段，如图1所示，包括控制单元(本实施例釆用MCU (微处理器))为 本实用新型的核心控制部分，提供交互界面显示接口、输入输出接口；射 频数据釆集单元集成了 RFID读写控制模块，前端输入为射频前端电路，输 出端与控制单元MCU的总线接口相连，上述RFID (Radio Frequency Identification)即射频识别技术；存储单元包括闪存、SDRAM以及外扩存 储卡，通过数据线接至控制单元MCU，其中闪存用于存储操作系统的引导 程序、操作系统内核及用户应用程序，SDRAM作为系统运行时的内存空间， 存储系统及用户数据缓存和堆栈，外扩存储卡用于存放釆集的数据信息； 网络传输单元具有以太网接口及C AN总线接口 ，通过网络切换电路切换用 于控制单元MCU与监控终端的通讯连接；显示单元与控制单元MCU的显 示数据输出端相连，用于显示用户界面；电源管理单元为其他各用电单元 提供多种等级的稳定电压，受控于控制单元MCU内部的电源管理软件；还 具有接口扩展单元，其与控制单元MCU的总线接口相连，具有多种总线接 口，用于扩展多种接口的外围设备；录入单元包括输入控制模块、键盘及 触摸屏，由控制单元MCU的底层驱动程序通过输入控制模块对键盘与触摸 屏输入进行数据处理。
控制单元、射频数据釆集单元、存储单元、网络传输单元、电源管理 单元以及接口扩展单元置于机壳内，显示单元的LCD液晶屏、录入单元的 自定义功能键盘以及触摸屏置于机壳上。
电源管理单元提供12V、 5V、 3.3V、 1.8V稳压电压，其中12V为液晶 显示背光驱动电源，5V为LCD逻辑电平，3.3V为最小系统外围期间和各 单元数字芯片提供电源，1.8V为MCU内核电源。电源单元釆用了3级电 平转换芯片，釆用了滤波去干扰电路，增强了输出电源的稳定性；MCU内 部有电源管理系统，可通过软件设置，当无任务处理时处理器处于低功耗 睡眠运行状态， 一旦外部触发便重新进入工作状态。
控制单元MCU为核心控制部分，本实施例釆用AT91RM9200微处理 器，是一款基于ARM920T内核的高性价比、低功耗、32位的ARM芯片， 时钟频率为180MHz,运算速度可以达到200MIPS，它集成了 USB控制器、 以太网控制器及CAN总线控制器，具有UART、 USB、 SPI、 12C等丰富的 外围接口。
存储单元包括FLASH、 SDRAM、外扩存储卡。嵌入式操作系统安装
在FLASH上，釆用FLASH解压缩启动方式；FLASH划分为三层，分别存 储操作系统的引导程序、搡作系统内核和用户应用程序；SDRAM存储器 作为系统运行时的内存空间，系统及用户数据、堆栈均存储于SDRAM存 储器；釆集的数据信息存放在CF卡上，当需要存储海量数据时，可选择扩 展存储器；需要故障分析与调试时，通过串行接口使用现场调试终端。
接口扩展单元提供了多种总线接口 USB、 RS232、 SPI、 I2C、 RS485,
可扩展多种接口的外围设备。
射频数据釆集单元集成RFID读写控制模块，前端输入为射频匹配电 路。MCU通过总线接口采用轮询方式实现对电子标签卡信息的采集；RFID 釆集模块内部实现了防冲突算法，可根据需要设置识别多个电子标签。
录入显示单元提供了液晶屏显示、键盘与触摸屏，通过MCU的底层驱 动程序对键盘与触摸屏输入进行数据处理，并显示用户界面。
本实用新型工业智能终端通过网络传输单元的以太网接口或CAN总线 与监控终端进行通信，同时兼容LAN和CAN总线，可根据实际情况进行 切换。
图2A为射频前端电路原理图。射频前端电路是射频数据釆集单元电路 的核心部分，其工作过程如下该系统工作在915MHZ频段上，在接收阶 段，天线釆集射频信号，经射频滤波器处理过的接收信号进入射频收发控 制模块进行处理，由基带信号接口进入集成的RFID读写控制模块进行编解 码处理、协议解析，最后釆集数据进入MCU控制单元。在发射阶段，基带 信号经射频收发控制模块调制，经过功率放大及射频滤波后，最后经天线 发射出去。
射频前端电路的硬件选择方案如下
1 )射频前端电路的核心即射频收发控制模块釆用ADF7020，它是一款 低功耗集FSK/GFSK/ ASK/OOK/GOOK为 一体的射频收发芯片，其芯片主 要参数为工作频率915M;数据速率为0.15-64kbps， ASK;可编程的输出 功为-16—13dBm;接收灵敏度为一106.5dBm at 9.6 kbps， ASK;利用芯片本 身集成的调制解调、滤波放大、数字信号处理等功能，可搭建收发一体的 射频前端模块。由于该芯片高度集成化，使得射频前端模块电路设计简单， 系统工作稳定。
2)功率放大器釆用RF2173，其参数为3.5V电源下最大增益32dB, 输出功率36dBm,工作频率800-950MHZ。射频滤波器釆用陶瓷微波滤波器 LFL1892MTC1A052，滤波带宽为905-930MHZ。以上器件参数完全满足系 统设计需求。
图2B为射频模块前端匹配电路，它是整个射频数据采集单元前端硬件 设计的难点，射频模块前端匹配电路的电容电感参数必须通过仿真并反复 试验才能给出。该电路釆用LC电路匹配技术，C2、 Ll组成负载输出匹配 电路，Cl、 L2组成负载输入匹配电路，C3为旁路电容，其中Cl、 C2、 Ll、
L2具为射频专用器件，工作频率为915M，由0欧电阻R1、 C4(10nf)、 C5 (5.1pf)组成电源滤波电路，其电路设计的关键为参数Cl、 L2、 C2、 Ll值的确定，
本实施例中元件参数的确定过程如下选用阻抗50欧的天线Yl，射 频芯片ADF7020的输入阻抗为24-J60 (欧)，输出阻抗为39+J60 (欧)，根 据阻抗匹配仿真和实际电路校正后确定匹配电路的元件参数为8.7pf， 4.3np, 8.2pf， 8.3np。实际测试证明该匹配电路参数的选取合理，满足射频 电路的匹配要求。
图3表述了本实用新型釆用的控制方法中软件的建立模式和各个模块 之间的关联关系。由Linux与嵌入式图形引擎系统搭建了软件的平台，在应 用程序层，数据釆集状态机模块实现采集数据的逻辑控制，通信协议解析 模块将网络传输的数据进行协议解析与格式化，通过多线程任务调度处理 模块将数据进行整合并在用户交互界面上显示出来；在内核驱动层，底层 操作数据被封装成模块接口，向上层提供封装接口，其中键盘驱动模块扫 描底层键盘的按键动作；以太网驱动模块完成对以太网控制器的初始化与 配置，实现数据通信功能；串口驱动模块实现RS232接口通信协议；存储 驱动模块提供存储器的读写时序转换；显示驱动模块与RFID接口驱动模块 分别提供了数据显示接口与RFID数据读写接口；此外，系统使用共享数据 缓存作为应用程序数据转发的存储空间，提高系统的工作效率。
如图6所示，本实用新型工业智能终端釆用的控制方法包括数据釆集 过程和数据传输过程，二者通过主线程控制状态机协调工作，其中主线程 状态机包括以下步骤
系统上电后，进入初始化状态；
内部初始化状态设置，执行初始化，初始化内部变量和相应的设备；
进入数据传输状态设置，启动数据传输线程，进行数据传输过程；
线程启动成功进入数据釆集状态设置，启动数据釆集线程，进行数据 釆集过禾呈.
进入;肖息循环处理状态，创建交互界面，显示主窗口界面；
消息读取；
如嚴有输乂消息，进入消息处理状态，实现对消息的解析处理；
如果处理完成，进入数据釆集处理状态；
如果釆集处理完成，进入通信实时监听状态；
如果通信完成进入异常处理状态；
如果无异常处理，进入屏幕输出状态，进入下一次消息循环。
图4为数据釆集模块状态机的状态设计图，软件状态机的每个状态执 行由两部分组成状态设置、状态执行，只有在当前状态执行完才能进入 下一个执行状态，当执行完后所有流程状态进入下次状态机循环，其中每 个状态由差错控制来处理异常状态。系统总体分为启动检测状态、工作状态。上电后，系统进入自检状态
设置，执行自检，检测是否有可用的RFID读写控制模块，判断状态机执行 标志，该状态结束后，进入RFID模块校验状态设置，执行校验，如果状态 执行失败，表示当前釆集模块处于非工作状态，重新进行配置搡作；成功 则表示启动检测状态全部结束，进入工作状态。
系统首先进入数据釆集状态设置，阻塞釆集数据，在该状态中有超时 判断，当经过一段时间没有釆集数据，会将状态机的报警状态位置位。釆 集到数据后，进入数据解析状态设置，数据解析处理，在该状态中判断釆 集数据是否符合相关协议，并进行消息传递，如果不符合传输协议，则重 新开始工作状态循环。如果符合协议，进入线程间同步等待状态，等待主 线程的空闲状态，发送数据釆集消息，进入下一次工作状态循环。
该釆集模块釆用的状态机设计实现了最优化釆集逻辑控制，有效解决 了对事件的有序处理。
图5为本实用新型工业智能终端的网络切换功能控制的数据传输流程 图，首先设置网络类型和初始化环境变量，本实施例中首先默认设置为以 太网络类型；检测当前设置网络类型状态是否可用，如果以太网络不可用， 则切换至CAN网络总线类型进行CAN总线控制器初始化，建立CAN网络 节点的数据连接，传输小量的控制量信息，如发送报警通知数据、网络切 换通知等通知上位机，接收并处理解析上位机指令数据，最后向主线程发 送事件消息；如果以太网络可用，则建立以太网络套接字连接，然后查询 主线程的执行状态、设置执行命令，根据主线程的执行命令进行数据的发 送与接受，数据经过解析、处理与存储后，通过与主线程的信息传递实现 了任务的实时显示与数据传输。
下面以生产车间的应用为例，描述本实用新型工业智能终端的工作过
程
将本实用新型工业智能终端安装在生产车间的工位现场上，接入车间 的MES系统中，需实时釆集工位在制品的电子标签信息，操作者在智能终 端上进行登陆获得任务列表，在交互界面上进行工序搡作，并提供现场信 息通过网络发送给MES系统数据库。具体步骤如下
系统上电后，进入初始化状态，首先启动数据传输线程。数据传输线 程首先识别网络接口类型，以确定釆用以太网络传输模式还是釆用CAN总 线传输模式。经识别釆用以太网络传输模式，进入数据传输线程，启动网 络初始化设置，进行数据共享缓存初始化后，进入后台循环处理状态识 别操作状态、网络通信、协议解析、数据封装与处理、线程通信等。
然后，系统启动数据釆集线程，线程首先检测RFID数据釆集模块，进 行模块设置校验。确认模块的工作状态后，设置釆集模块为阻塞釆集状态， 监听数据，然后进入后台循环处理数据校验、数据处理、釆集设置、监 听数据等。
当数据传输线程与数据釆集线程启动后，主线程创建交互界面，提取
数据显示在主窗口中，然后进入消息循环处理状态循环获取消息，响应
对应操作事件。
在主线程的消息循环中，当由键盘指令输入，或者触摸屏的功能键触 发时，响应输入事件，确认是界面搡作，比如登记加工信息、零件质量参
数、错误报警信息等，系统确认后，将数据封装，通过网络发送至上层MES
y 在数据釆集处理状态中，RFID数据釆集单元采集电子标签信息，通过 调用解析处理程序，对釆集的数据进行协议解析，提取标签的序列号信息、 数据信息，将数据结果送给主线程显示区和数据传输区，通过显示模块显 示在界面上，通过数据传输程序，发送至上层数据库。
对上层MES系统传输过来的数据，调用解析处理程序，进行数据提取、 处理整合，将处理好的数据存储在大容量存储器(SDRAM)中，供查看工 艺参数、加工指令、任务列表等信息。
在通信实时监听状态中，系统实时识别通信状态，驱动网络通信协议， 保持与远端监控中心建立的连接；判断数据缓存中是否有未发送数据，根 据协议读取数据备份并发送；同时实时发送釆集数据。
在运行过程中，与外界的通信连接中断，釆集数据不能实时发送，则 根据协议将数据格式化，存储在本地存储器中备份。
在异常处理状态中，如果工作异常，如数据釆集失败、网络终端等情 况，系统发出信号驱动报警灯报警，同时将报警信息存入本地曰志。
最后系统通过屏幕输出将各种信息通过交互界面显示出来。
本实用新型主要应用于制造业中在制品生产线的数据釆集、监控和管 理，同时也应用于粉尘、油污等较为恶劣工业现场环境中完成对现场数据 的釆集、运算与管理。它釆用RFID数据釆集手段，有效解决了在制造业物 中流数据釆集效率低、实时性差的问题，釆用多线程与软件状态机设计相 结合的复杂逻辑控制；兼容多种网络总线，有网络切换功能，使其适合多 节点的大型工业现场数据釆集及实时传送。
权利要求1. 一种基于RFID数据采集功能的工业智能终端，其特征在于具有:控制单元，为核心控制部分，提供交互界面显示接口、输入输出接口；射频数据采集单元，集成RFID读写控制模块，前端输入为射频前端电路，输出端与控制单元的总线接口相连；存储单元，包括闪存、SDRAM以及外扩存储卡，通过数据线接至控制单元；网络传输单元，具有以太网接口及CAN总线接口，通过网络切换电路切换，实现控制单元与监控终端的通讯连接；显示单元，与控制单元的显示数据输出端相连，用于显示用户界面；电源管理单元，为其他各用电单元提供多种等级的稳定电压，受控于控制单元内部的电源管理软件。
2. 按权利要求1所述的基于RFID数据釆集功能的工业智能终端，其特 征在于还具有接口扩展单元，与控制单元的总线接口相连，具有多种总 线接口，用于扩展多种接口的外围设备。
3. 按权利要求1所述的基于RFID数据釆集功能的工业智能终端，其特 征在于还具有录入单元，包括输入控制模块、键盘及触摸屏，由控制单 元的底层驱动程序通过输入控制模块对键盘与触摸屏输入进行数据处理。
4. 按权利要求1所述的基于RFID数据采集功能的工业智能终端，其 特征在于所述射频前端电路包括射频滤波器，其将天线釆集的信号进行 滤波处理后送至射频模块前端匹配电路，再经射频收发控制模块及基带信 号接口与射频数据釆集单元中的RFID读写控制模块相连；射频模块前端匹 配电路的回馈信号经功率放大器回送至射频滤波器。
专利摘要本实用新型涉及一种基于RFID数据采集功能的工业智能终端，包括控制单元，提供交互界面显示接口、输入输出接口；射频数据采集单元，集成RFID读写控制模块，前端输入为射频前端电路，输出端与控制单元的总线接口相连；存储单元，包括闪存、SDRAM以及外扩存储卡，通过数据线接至控制单元；网络传输单元，具有以太网接口及CAN总线接口，通过网络切换电路切换实现控制单元与监控终端的通讯连接；显示单元，与控制单元的显示数据输出端相连，显示用户界面；电源管理单元，为其他电单元提供多等级的稳定电压，受控于控制单元内部的电源管理软件。本实用新型增强了系统处理复杂事件的能力，功能多，兼容性强。
文档编号G05B19/418GK201203774SQ20082001360
公开日2009年3月4日 申请日期2008年6月20日 优先权日2008年6月20日
发明者刘忠强, 孟宪明, 磊 张, 胡琨元, 苏卫星, 马连博 申请人:中国科学院沈阳自动化研究所