基于RFID的混凝土管桩生产管理系统

张聪， 钱松荣

(复旦大学 信息科学与工程学院，上海 200433)

0 引言

混凝土管桩是施工现场实施安装前常用的装配式预制构件，其产品在施工前预先完成，具有安全、耐用、环保、可维护等优点。但在实际过程中，由于建筑行业施工环境复杂，对混凝土管桩的生产缺乏有效管理，导致管桩质量得不到有效保证(如钢筋强度不合格，养护时间不足等)，给施工带来安全隐患；此外由于管理落后等问题，大部分企业生产自动化程度不高，仍是劳动密集型的生产管理结构，造成人力物力的极大浪费，不利于企业在市场化环境下的成长。

随着信息技术和物联网技术的发展，人们开始探寻通过RFID(Radio Frequency Identification，射频识别)技术解决上述问题[1]。RFID技术是自动识别技术的一种，利用无线射频方式进行数据通信，对目标加以识别并获取相关数据；RFID技术可以在无需人工干预的情况下完成信息输入和处理，同时具有非接触识别、抗污染性和耐久性的优点，目前已广泛应用于仓储管理、畜牧管理以及交通运输控制等诸多领域[2]。本文便是在这一基础上，设计了基于RFID的混凝土管桩生产管理系统：通过在混凝土管桩内埋设无源RFID标签，结合物联网及相关数据采集、处理技术，对混凝土管桩的生产、安装、运输等过程进行有效管理，完成混凝土管桩全生命周期的信息采集和溯源[3]。

1 系统架构

考虑到实际的生产环境，本系统主要由RFID电子标签、信息采集层和应用服务层3部分组成[4]，系统整体架构，如图1所示。

RFID电子标签由IC芯片和无线通信天线组成，其内部存储着被识别物品的相关信息。在这里我们把RFID电子标签植入混凝土管桩中，作为管桩的ID身份标识用于信息采集。由于管桩内部为钢结构且外壁混凝土层有一定厚度，我们采用了125 kHz低频电子标签作为工作标签，以满足抗金属干扰、穿透性的要求；同时标签外部包裹一层陶瓷外壳，可以有效防止生产过程中高温、震动等复杂外在环境的干扰。

信息采集层主要实现调制/解调、编解码，逻辑控制，时序控制，通信控制的功能，是整个系统的硬件组成部分。信息采集层一方面为电子标签供能，提供时钟同步，采集管桩的身份信息；另一方面与后台应用服务系统通信，完成信息的上传和查询。

应用服务层是系统的核心部分，由系统功能模块和SQL Server数据库组成。该层涵盖管桩生产的整个生命周期，包括人员管理、物资管理、生产信息管理、质量检验和产成品出运等，可实现管桩信息的实时录入和查询；此外，通过对信息采集层数据的集中统计和处理，系统可以获取实际的物资消耗、生产进度、出运状况等动态数据，便于企业实现智能化分析决策。

2 系统信息采集层设计

信息采集层用于获取RFID电子标签的身份信息，并与后台应用服务层进行数据通信，包括RFID读卡器的硬件设计和嵌入式软件编程两部分。

2.1 RFID读卡器硬件设计

由于现场生产环境复杂，系统采用的RFID读卡器必须满足大功率、远距离的通信要求，同时为方便工人操作，读卡器必须是手持式的。在上述条件下，本系统读卡器硬件架构主要由射频接口，逻辑控制单元以及通信模块组成，如图2所示。

图2 RFID读卡器硬件结构图

2.1.1 射频接口

射频接口模块用于完成读卡器前端与标签的通信，通过时钟发生器产生固定频率的激活场为电子标签提供能量，读取返回的信息，完成必要的解调检波工作。为满足实际生产过程中对读写距离的要求，系统采用分离元件搭建了D类功率放大电路，该功率放大电路工作于开关状态，相比于传统的A、B类功放电路，具有极高的效率，电池能量转换率理论上可达90%。在实际测试中通过外加9 V锂电池供电，读卡器有效识别距离在30 cm以上，可以完全满足现场生产的要求。

2.1.2 逻辑控制单元

逻辑控制单元采用AVR单片机Atmega64作为主控芯片MCU，实现生成/捕获中断、控制上位机通信、读取射频接口返回的电子标签信息，发送指令等功能。ATmega64是高性能、低功耗的8位AVR微处理器，采用先进的RISC结构，符合便携式读卡器对功能、性能的要求。在信息采集时，射频接口模块将前端天线信号经解调、滤波、整流等处理后送入ATmega64的T3/IC3端口，通过定时/计数器的捕获功能完成标签信息的解码。

2.1.3 通信模块

通信接口模块用于完成与上位机的通信，将读取到的电子标签信息传送到后台应用信息服务层中。系统采用RS232接口完成设备间通信，MAX232作为串口芯片实现必要电平转换。

2.2 RFID读卡器软件设计

RFID读卡器软件采用嵌入式C语言编程，使用AVR Studio和Win AVR作为编译调试软件。读卡器软件与硬件平台相结合，用于实现必要的中断控制，逻辑控制，通信控制，定时计数器捕获，编解码、数据校验等功能。读卡器软件工作基本流程，如图3所示。

3 系统应用服务层设计

应用服务层是生产管理系统的核心部分，该层将读卡器采集到的RFID电子标签信息与混凝土管桩的实际生产参数绑定，通过功能模块录入系统数据库，完成数据汇总、处理、分析和查询功能[5]。出于稳定性和安全性的考虑，应用服务层采用了C/S架构，使用Visual Studio 2010与SQL Server 2008 R2开发，C#和SQL语言进行编写。应用服务层自企业的人员管理、物资管理开始，到混凝土管桩的流水线生产、质量检验、产成品出运为止，涵盖了产品的整个生命周期，能实时监控每道工序的生产情况，完成责任归属和信息溯源。系统应用服务层功能模块架构，如图4所示。

考虑到企业的实际需要，应用服务层整体共分为人事管理、物资管理、生产管理、产成品管理、质量检验、综合查询、信息公告、基础管理设置和系统管理9大模块。

人事管理和物资管理模块属于系统的初期阶段，这一阶段主要是对人员信息的配置和工程物资的准备。通过系统可将相关信息提前录入，方便后期产品与人员和物资信息进行一一绑定，当出现质量问题时，可以通过查询系统数据有效追溯到施工责任人和物资供应商。此外，通过对生产进度的监控，系统可以预估物资使用情况，方便管理人员完成物资的动态调度。

生产管理、产成品管理和质量检验模块是系统的中后期阶段，在这一阶段产品开始正式进入车间流水线生产。为方便施工人员操作，系统采用了Surface Pro作为智能便携终端与手持式读卡器相连，用于车间现场完成RFID电子标签信息的采集和生产数据的录入，并针对Surface Pro做了界面和功能上的优化和适配。在生产的第一阶段——钢筋笼制作工序中，我们将专用混凝土RFID电子标签绑扎到钢筋笼上作为身份标识，通过读卡器扫描录入，完成与混凝土管桩的绑定和信息的初始化，实际操作如图5所示。

在其后的每道工序中，施工人员都通过系统实时记录生产信息和人员信息，这样当产品完成生产、检验、出运时，所有工序生产数据都已存储到系统数据库中，完成了在产品全生命周期的信息溯源。在各生产功能模块中，系统可以通过C#的Reporting Service功能根据生产数据完成报表打印功能，有效摆脱了过去人工录入填写的不便；同时管理人员能通过时间、报表ID等字段对各生产报表完成集中查询，方便信息的检索和归档；当数据库存储的生产信息积累到一定量级时，更能通过对生产参数、工作进度等数据进行深度挖掘和分析，为企业生产智能化决策提供有力帮助。

图4 系统应用服务层架构图

图5 现场车间RFID标签信息采集

综合查询和信息公告模块是系统的辅助部分，施工人员可以通过综合查询完成对数据的实时查询，包括单根管桩的基本生产信息(如钢筋笼绑扎时间、普养温度、离心转速、张拉强度等)以及统计信息(如管桩日生产量、日出运量，产品检验合格率等)等。信息公告模块用于发布公告消息等指导工人完成生产调度、班次交接等工作。

基础管理设置模块用于生产的集中管理，其中生产权限管理功能可以对施工班次、员工工种进行规范，做到一岗一人权责分明。实际生产状况、生产指令管理功能可以方便管理人员下达任务安排，对每日生产进度状况进行实时监控；工期预警管理功能可以根据现阶段生产量完成情况，对下一阶段生产量进行预测，当生产米数和根数等不符合进度要求时将在系统内发出预警信息。

系统管理模块包含数据库备份/恢复、系统帮助等功能，用于对生产管理系统本身进行技术支持和维护。

4 总结

本文在RFID、物联网等相关技术的基础上，设计并开发了一套基于RFID的混凝土管桩生产管理系统，用于企业生产信息的智能采集和产品的自动化管理。针对实际的生产需求，系统选取了符合环境要求的RFID电子标签，设计了便携式RFID读卡器手持机模型以及涵盖管桩全生产周期的软件应用服务系统。经试运行发现，该系统能有效完成生产信息的采集、录入、查询和分析，有助于企业提高生产效率，优化内部人力物力资源，完成对生产过程的实时化、集中化管理。系统数据完成积累后也可用作进一步的深度挖掘，帮助企业进行战略分析和决策。总的来看，该系统有助于企业生产力和管理水平的提高，符合中国制造2025和工业4.0的要求，具有良好的推广前景和应用价值。