RFID标签彩色印刷写卡一体机控制系统设计及软件开发

杨志杰,王 菲,郑 勇

(1.上海联物信息科技有限公司,上海 闵行区 201100;2.南京工程学院,江苏 南京 211100)

0 引言

据IDC数据显示,2020年全球物联网市场规模约达1.36万亿美元。与全球相比,我国在物联网产业规模、网络覆盖范围、连接规模和网络质量等多方面取得一定领先,物联网产业发展总体向好,已形成较为完整的产业链[1]。随着物流运输、医疗技术、仓储管理技术的逐步发展,射频识别(RFID)技术已成为了物联网的主流应用之一[2],凭借其强大的渗透力,快速与传统产业融合,呈现出爆炸式增长。

随着电子标签的生产效率、外形设计、扩展信息等方面的要求越来越高,标签生产常出现小批量、多品类的情况,这种现象导致了人力资源的浪费、生产效率的降低,因此产业的当务之急是解决标签印写一体化这一问题。同时,市面上的标签打印机多无法满足彩色打印要求,限制了标签外观的设计。如何打印硬质材料的RFID彩色标签已成为行业“卡脖子”难题。

本次设计针对的设备,结合了智能传感器、UV印刷、读写芯片数据、分析检测技术和人工智能,依次实现RFID空白标签上料、彩色印刷、RFID数据写入、数据校验、下料等工序,进而完成标签彩色印刷、信息录入校核功能。

1 系统需求和总体设计

1.1 系统需求

RFID标签打印机由4个部分组成:上料模块、机械臂模块、打印机模块及写卡器模块。总体需求是设计一体机的人机操作界面及控制系统,通过软件操作实现UHF RFID标签上料、彩色印刷、写卡、验证、下料全过程自动化,同时实现模块单独运行功能,便于后期维护。

1.2 总体设计

根据总体需求,软件需要包括的功能有机械臂设置、标签设置、打印机设置、自动运行、状态监控等,上下位机通过串口连接,下位机控制系统分别采用运动控制卡、Arduino板、USB进行连接控制。系统整体框架图如图 1所示。

图1 系统架构图

2 控制系统的设计与实现

RFID标签印刷写卡一体机的控制系统主要由打印机控制、上料机构控制、机械臂控制3个部分组成。系统框架如图2所示。

图2 控制系统架构图

打印机控制系统利用打印机主板配合脱机、联机行程开关控制打印机模块自动运行,通过对爱普生1390打印机进行改装,加装UV打印机头,运用Arduino进行二次开发,实现自动复位及彩色印刷功能。

上料机构控制系统以Arduino板编程控制作为核心,利用上下限位及光电感应元件控制上料机构运动,编写上料模块控制指令供上位机使用。

机械臂控制系统选用五轴机械臂运动控制卡,控制机械臂移动点位,实现标签工作位置移动,机械臂末端设置吸盘、气泵搭配电磁阀,对机械臂运动控制板进行扩展,实现标签抓取功能。

下位机与上位机通过串口进行通讯。打印机模块由打印主板接口与上位机连接,上料机构由Arduino控制板与上位机连接,机械臂模块由运动控制卡接口与上位机连接,写卡模块直接经USB接口联通上位机。

3 软件功能的设计与实现

RFID标签印刷写卡一体机的软件采用C#语言开发,整个程序采用模块化设计,主要包括系统串口连接、模块运行、自动运行、数据采集、状态监控等部分。

3.1 串口连接的设计与实现

该模块是整体设备运行的前提,模块运行和自动运行均需要先进行串口连接。此界面可实现串口的扫描,刷新上位机连接的串口信息,同时控制串口的连接与断开,并能够对串口信息进行保存,当程序启动时,页面可自动加载,便于用户操作。串口连接界面如图3所示。

图3 串口连接界面

3.2 模块运行的设计与实现

模块运行界面主要包括上料模块、机械臂模块、打印机模块、写卡模块。模块运行界面主要控制4个机械结构单独运行。4个模块的运行界面如图4所示。

图4 模块界面

上料模块包含开机自检、上升、下降、停止4个功能,用于控制上料平台运动。机械臂模块包含开机自检、移动到点、单步运行3个功能,用于控制机械臂运动到指定点。打印机界面能够选择标签文件,指定打印机并设置标签参数。

(1)上料模块运行的实现

上料机构利用上下限位控制上料平台的位置,当平台到达上限位时电机反转,平台下降;当平台到达下限位时,电机停转,平台停止运动。在上限位下方设置光电感应,识别标签是否到达上料点。利用Arduino进行编程,对上料机构进行控制。

上位机通过串口发送指令,控制平台运动,控制指令见表1。

表1 上料机构指令表

(2)机械臂模块运行的实现

机械臂结构由运动控制卡控制,点击相应按钮,通过串口发送相应指令到运动控制卡,驱动机械臂及电磁阀运动。控制指令见表2和表3。

表2 机械臂指令表

表3 气泵指令表

(3)写卡模块运行的实现

写卡模块包含盘点和写入功能。写卡模块基本工作流程如图5所示。

图5 写卡模块运行流程图

写卡模块首先需打开模块,配置读写器,其中包括天线、频率、盘点时间等参数。盘点功能直接调用盘点的API函数,获取读取范围内的标签数据。写入功能首先需要设置待写入的标签编号,对写入信息进行限制,接着调用写入API函数,进行写数据操作。

(4)打印机模块运行的实现

打印机模块选用爱普生1390打印机配合UV打印头进行改装。将打印机控制主板复位功能转接到Arduino板进行编程,实现上位机控制打印机自动复位功能。在脱机点及联机点安装限位开关,用于判断打印机当前状态。

3.3 自动运行的设计与实现

自动运行模块主要包括参数设置和自动程序运行。其中,参数设置包括机械臂设置、标签设置、打印机设置;自动程序主要实现一体机印写自动化功能。自动运行界面如图6所示。

图6 自动运行界面

(1)参数设置

机械臂设置用于录入关键点坐标,包括原点、休息点、上料点、写卡点,同时能够设置机械臂运动速度。标签设置用于选择标签文件夹,录入标签信息并分装,页面下方可设置标签打印参数,通过算法自动排版。打印设置用于选择打印机,选择页面大小、方向、页边距。

(2)自动程序运行

自动运行程序以连接模块为前提,综合了各个模块的功能。参数设置完毕,开始自动运行,在自动运行界面显示当前任务数以及任务完成情况,随着设备运行进度的更新,任务完成情况也实施更新,并添加到操作日志中。自动运行流程图如图7所示。

图7 自动运行流程图

4 样机调试

样机测试现场如图8所示。

图8 现场测试图

本次测试主要包括模块测试和自动程序测试两个方面。涉及的项目如下:机械臂重复定位测试;读写器盘点、写入功能测试;上料机构响应测试;系统整体测试。最终测试结果:各单元模块能够进行参数配置,接收到上位机发送的命令后,能够正确响应;自动程序整体流程能够按照既定目标连贯完成。

5 结语

本研究实现了标签自动排版功能,弥补了市面上桌面标签打印机无法彩色打印的不足,设计的样机满足了标签上下料、印刷、写卡一体化的需求,节约了人力资源,提高了生产效率及质量。但设计中仍存在不足,如:设备运行稳定性不足;程序自动计算的机械臂打印点位的坐标实际数据与理论数据误差较大,将在后续的工作中进一步完善。