基于RFID和PLC的仓储物品信息监控系统设计

史艳红，刘汉林

(1.中国民航大学 电子信息与自动化学院，天津 300300；2.青岛国际机场集团有限公司，山东 青岛 266108)

0 引言

随着现代科技的发展，生产自动化程度飞速提高。很多生产过程的自动化离不开物品信息的准确获取与传输，因此高效、准确地获取物品信息极其关键。以仓储物品信息检测为例，常见的自动物品信息存储和检测手段有基于条形码技术和无线射频识别(RFID)技术两种。条形码是“可视技术”，条形码扫描仪只能接收它视野范围内的条形码，条形码一旦被划破、污染或者脱落，扫描仪就无法辨认目标，且条形码信息不能更改。RFID技术是一种无线的、非接触方式识别技术，具有读取距离大、读取信息方便迅速、识别灵敏、标签存入的数据可动态更改、数据存储量大、防水、防磁、耐高温、使用寿命长、更安全、动态实时通信等优点，可以在不需要人为干预的情况下完成对相应标签的读取、识别工作，并能保证其信息的准确性[1]。其标签内部的电子芯片不会轻易受到外部环境的影响、不易损伤。随着科技的进步，RFID技术已经广泛地应用于电子防盗、食品安全、医疗、物流、仓库等各个领域当中，以提高工作效率，实现自动化目标[2-4]。

在工业控制机器方面，相对于其他控制器，PLC具有免硬件开发、结构灵活、不易受外界环境影响、传输质量高、速度快、系统稳定、成本较低、可靠性高、开发周期短等优点，在自动化领域应用广泛。

本文综合RFID技术和PLC技术的优点，将PLC与RFID技术结合，设计实现仓储物品信息自动检测与监控管理系统，可节省更多的人力物力，提高生产与管理的自动化水平。这有利于民航航材和仓储物流领域的物品存储与管理，有较高的应用价值。

1 系统总体结构设计

在仓储物品的信息检测方面，应该满足以下几个要求。

(1)物品信息检测的准确性：克服传统物品信息检测自动化程度低、人为干扰因素大、准确度低的缺点，开发自动化、集成度和准确性高的系统，降低人为干扰因素，满足行业的工作需求。

(2)物品信息的检测效率：适应物品信息检测数量剧增的发展趋势，开发高效的物品信息检测系统，提高工作效率以及生产管理的自动化水平。

(3)物品信息检测数据的多样化：针对物品的多样性、复杂性，开发能够适应多行业的物品信息检测系统，实现快速准确识别，完成数据的记录采集与精细管理，使工作更加方便快捷。

(4)物料信息检测环境的适应性：克服传统的物品信息检测手段因易受到油污、灰尘、水或者某些化学药品、天气等影响，使其记录的数据易受损的缺点，开发环境适应性强、抗污染力强、稳定、耐久的检测系统。

针对上述要求，研究开发设计了基于RFID和PLC技术的物品信息检测系统，实现物品信息的高效、准确、快速检测与存储管理，系统具有稳定性高、适应性强的特点。系统的总体结构如图1所示。系统的工作流程是：当携带有电子标签的出/入仓储物品进入读写器读写范围时，读写器在PLC控制下获取电子标签信息并通过通信网络传输至PLC，PLC获取数据并处理后，将电子标签中有关物品信息传输至上位PC，在PC界面进行物品出/入库状态显示和数据记录管理。

图1 系统总体结构

2 RFID系统设计

RFID最基本的系统是由电子标签(Tag)、读写器(Reader)、天线(Antenna)三部分组成的。当电子标签移动到读写器的天线磁场范围当中时，若接收到读写器发出的特有射频信号，便可以借着由感应电流所获取的能量发送出存储于芯片内部的物料信息，读写器读取信息后将其解码，解码信息可通过通信端口进行传输。

本设计选用型号为G20R的超高频RFID一体式读写器，其工作频率为902～928 MHz，有广式跳频(FHSS)和定频发射两种工作方式，天线配置选择8 dBi/12 dBi，最大输出功率30 dBm。它支持的电子标签标准有ISO18000-6B和EPC CLASS1 G2，典型读取距离为3～6 m/15 m，工作模式有主动方式和交互应答方式，采用+9 V或+12 V电源供电，支持RS232、RS485、韦根接口输出。

本文选用的电子标签标准是EPC CLASS1 G2。因读写器在主动模式下仅执行读标签操作，在交互应答模式下可以对标签进行读、写操作，考虑到使用场合的广泛性和应用灵活性，设置读写器工作在交互应答模式下，利用RS232接口通过串行通信方式实现与控制主机数据传输。在交互应答模式下，设定PLC以1 s时间间隔向读写器定时发出读取物品标签信息指令。

EPC C1 G2标签有四个存储区，EPC区、TID区、User区和保留区(密码区)。本设计用到了该类型标签的EPC区和User区。利用RFID设置软件将标签EPC卡号修改为标签占用编码，如1234567812345678，替代购买时默认的EPC卡号，表征此标签已被专门使用，其取值范围是4字十六进制数据。User区域存储容量为32个字，可读可写，用来存放用户写入的数据信息。利用User区域存储自定义的物品信息。自定义的每个物品信息包含四部分内容，每部分占用4位十六进制即1个字的存储空间，这样每个物品占用4字存储空间，留有28字空间未定义供后续扩展用，可根据需要灵活细化编码。自定义编码信息如表1所示。

表1 仓储物品信息自定义编码

如当定义的信息是0002000300040001时，它的含义是存储在仓库H2，行号为H3、列号为H4货架位置的电脑(H1)。

3 PLC系统设计

PLC具有灵活性好、通用性强、体积小、功耗低、接口简单、维护方便特点，具有很高的可靠性和抗干扰能力，完全适合物品信息检测所提出的四方面要求，是一种很好的实现方式和手段。

3.1 PLC主机选择与模块扩展

本设计选用了型号为FPG-C24R2HTM的松下PLC。本PLC通过配备32位的RISC处理器来实现小型PLC的超高速运算处理，使得基本指令和高级指令高速化，缩短了扫描时间。它拥有大容量的程序存储器，充分满足定位、通信、数字量、模拟量等控制；它支持串口通信，可通过扩展通信模块单元，方便与外部设备通信；通过编程口能与上位PC通信，实现人机界面的交互需求和数据管理要求。

在实验室条件下，为实现PLC与RFID读写器通信，扩展了一块型号为AFPG801的通信插件，通过RS232C串行通信接口，实现电子标签数据传输。PLC与RFID读写器的通信参数均设置为：波特率9 600 b/s,数据长度8位，停止位1，无奇偶校验，无结束符，无STX。

3.2 PLC控制程序设计

本设计中，为了满足广泛适用性，将RFID读写器工作模式设置为应答模式，PLC通过发送命令给读写器的方式，控制读写器完成读写电子标签信息操作。即PLC发送命令给读写器，读写器将命令执行结果状态和数据发送回给PLC，PLC再进行分析处理[5-7]。读写器只有将一条命令执行完毕后，才可执行下一条命令。

3.2.1物料信息检测主程序设计

如上所述，在电子标签User区已预先存入物品所在仓库号、行号、列号以及类别代码。系统的工作流程是，在物品出/入库时，利用PLC控制RFID读写器获取电子标签内预先存入的预置物品信息的User区数据，进行提取、变换后存储在数据寄存器中。通过判定仓库号、行号、列号数值，在PC主机人机界面以点亮对应存储位指示灯的方式加以指示，同时对物品出/入库数据库记录进行更新。可见系统正确工作的关键在于正确获取电子标签的数据信息，而它需要分为两步进行。首先，通过串行通信方式，PLC向读写器发送读取标签EPC号的指令，PLC在获取标签的正确EPC号后，以此EPC号标签为读取目标，向读写器发送读取该电子标签USER区信息指令，读写器返回USER区信息数据，PLC进行数据判别处理。即PLC先确定读取目标，然后再确定读取目标的哪个区域数据。物品信息检测主程序流图如图2所示。

图2 物料信息检测的主程序流图

3.2.2CRC循环冗余校验码生成程序设计

实现PLC与RFID读写器可靠数据通信，获取物品准确信息，关键在于以RFID读写器约定的通信协议和命令格式编程。在约定的RFID读写器提供的通信协议的命令格式中，命令段末尾均需附加欲传输数据的循环冗余校验码(CRC16)。两者通信是否成功、传输的数据是否正确需要通过计算数据的CRC校验码来进行比对判定。这里读写器约定的CRC校验码的生成多项式是H8408。CRC冗余校验码算法PLC程序以子程序方式设计实现，在需要使用CRC校验码时，通过子程序调用进行计算。程序设计流程图如图3所示。

图3 CRC16冗余校验码算法流图

4 组态监控设计

上位PC监控界面采用Force Control V7.1力控组态监控软件设计。Force Control V7.1是一个完全集成化的工控软件，完全兼容微软的一些操作系统，广泛适用于化学工业、环境保护、建筑管理等行业。该软件采用了可靠、灵便、多功能的监控系统平台，可以和PLC或其他的工业生产过程进行信息之间的交换与传递，从而实现监测和控制的目的[8-9]。

4.1 I/O设备组态的建立

Force Control V7.1软件可以与多种多样类型的设备互相通信，对使用了不同通信协议的I/O设备来说，该软件是能够提供相应的I/O驱动的。而只有定义了I/O设备后，软件才能够通过数据库组态当中的变量与相应的I/O设备进行数据方面的传递和交换。

在本设计中，PLC通过编程口与PC的USB转串口连接进行通信，参数设置为：PLC设备地址1，RS232C串行通信方式、串口COM7、波特率9 600 b/s、数据位8位、奇校验、停止位1位。

4.2 数据库组态变量定义

DBManager是建立数据库组态的重要工具。通过此工具可以实现数据连接组态、点参数组态等重要功能。为了完成对I/O设备的监视与控制，建立与PLC的数据连接，在力控数据库组态时，选择合适的区域和单元添加变量、创建数字I/O点和模拟I/O点，并将其与对应的PLC寄存器单元内容连接，实现主机和PLC的信息共享和数据传递。典型的数据库组态的模拟I/O点如表2所示。

表2 模拟I/O点

4.3 出/入库记录数据库设计

在仓储物品出/入库时，需要对物品信息数据进行记录，以便于核对信息、查找错误时有所依据。本数据库设计采用力控软件中基于ADO组件的数据库方法实现。首先需要通过开放式的数据库互联(ODBC)创建一个数据源。ODBC相对于一个中间层，它可以链接数据库，方便管理。数据源建立后，在力控的工程项目中添加ActiveX数据对象(ADO)组件。它能够访问关系类型的数据库或者非关系类型的数据库。本文选用Acess数据库，并在“数据表管理”的选项中绑定自定义的数据表。所设计的数据库记录包含的内容有：设备的序号、时间、仓库号、行、列、名称代码、出库、入库信息等。

4.4 组态监控界面设计

人机交互界面设计由登录界面、物料入库界面、物料出库界面三个部分组成。

物品出入库界面，用到了工具栏中的文本工具、按钮工具、标准图库中的指示灯以及常用工具当中的专家报表。当物品标签进入到读写器的读取范围内，读卡器会将读取到的信息传送到PLC当中。经过数据的处理之后，在PC监控界面，相对应物品信息如仓库号、货架行列号、物品类别代码会以文字方式显示，物品位置指示则以变换行列式货架的位置指示灯颜色表示。常态下，指示灯为红色，当读取到物品的位置信息后，相应位置的指示灯会由红色变为绿色，以此来显示物品的来源存入位置。每次出入库物品信息还将被自动记录到数据报表中。数据报表以Excel表格的形式存入到用户所欲存储的位置，供后续数据管理用。

5 结论

基于RFID、PLC和组态监控技术的仓储物品信息检测系统，实现了出/入库仓储物品信息的准确快速识别和物品信息的有效管理。利用RFID技术实现出入库物品信息存储，具有可反复使用、可靠性高、抗污染力强、稳定耐久、经济实用的特点。利用PLC和组态监控技术实现仓储物品信息快速检测、显示、记录和数据管理。试验表明，该系统具有物品信息检测准确、效率高、环境适应性强特点，且只要在此基础上加以相应变动，就可以满足多场合、多行业的物品信息多样性、复杂性的检测要求，具有很高的实用价值和现实意义。