基于RFID技术的危险化学品智能仓储管理系统.doc

基于RFID技术的危险化学品智能仓储管理系统.doc 分类号:620.3030 密级: 天津理工大学研究生学位论文 基于 RFID技术的危险化学品智能仓储 管理系统 (申请硕士学位) 学科专业:安全技术及工程 研究方向:化学品安全监测与控制工程 作者姓名:杨飞龙 指导教师:张嘉琪教授 2015年 1月 Thesis Submitted to Tianjin University of Technology for the Master’s Degree Warehouse Management System Of Hazardous Chemicals Based On RFID Technology By Yang Feilong Supervisor Prof. Zhang Jiaqi Jan. 2015 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他 或 人已经发或撰写过的研究成果，也不包含为获得 天津理工大学 其他教育机构的学位或证书而使用过的。与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名: 签字日期: 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 天津理工大学有关保留、使用学位论文 的规定。特授权 天津理工大学可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编， 以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子 文件。 (保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名: 导师签名: 签字日期: 签字日期: 年 月 日 年 月 日 摘要 危险化学品种类繁多，并且具有易燃、易爆、腐蚀、毒害等特性，尤其是在危险化 学品的仓储管理环节，过快的工业发展使得危险化学品的使用量和存放量不断增大，导 致传统的化学品仓储管理效率日渐低下。针对这样的问题，本文设计了一种基于无线射 频识别(RFID)技术的危险化学品智能仓储管理系统，本研究旨在提高危险化学品仓储 管理的智能化水平，降低化学品被盗和混存现象的发生概率。 本文首先分析了国内外危险化学品仓储业的管理现状，研究了 RFID技术、无线充 电技术、ZigBee技术和步进电机技术在危险化学品仓储管理系统中的综合应用，最终构 建了智能化的危险化学品仓储管理系统。论文介绍了电机控制模块、精确定位装置、无 线充电装置、RFID读写模块等系统各部分硬件的结构和工作原理，在分析了RFID电子 标签存储结构的基础上，对如何存储化学品仓储信息进行了细致的规划。结合 ZigBee 无线网络通信技术实现上位机与系统硬件部分的无线通信，提高了系统传输的可靠性。 软件部分采用LabVIEW软件开发平台编写，完成了功能齐全、界面友好的危险化学品智 能仓储管理系统。论文介绍了虚拟仪器技术，对软件部分中前面板的设计做了详细介绍， 阐述了软件各部分功能的实现过程，其中用户登录及注册功能、化学品信息搜索引擎、 信息查阅功能、信息修改功能等不仅加强了信息的安全性，同时也使用户查阅信息更加 方便，大大提高了危险化学品仓储管理系统的自动化和智能化水平。最后本文对系统进 行了简单测试，测试结果表明，该系统在稳定性与能耗等方面满足预期的指标要求，能 够应用于危险化学品仓库的日常监管中。 关键词:危险化学品;智能仓储管理系统;RFID;LabVIEW;无线充电 Abstract The hazardous chemicals which have many categories are always flammable, explosive, erosive, poisonous, and so on, especially in warehouse management link of hazardous chemicals, rapid industrial development makes the increasing amount of usage and storage of hazardous chemicals, which leads to low efficiency of traditional chemical warehouse management. Concerning this phenomenon, an intelligent monitoring system based on radio frequency identification (RFID) technology was designed. The purpose of this study was to improve intelligence level of hazardous chemicals storage management, and reduce the probability of theft and chemical coexist phenomenon. Firstly, the paper analyzed the research and application of hazardous chemical storage industry management at home and abroad. And then studied the RFID technology, wireless charging technology, ZigBee technology and integrated stepper motor technology for applications in hazardous chemicals in the warehouse management system. Finally build intelligent warehouse management system of hazardous chemicals. This paper introduces the motor control module, the precise positioning structure, wireless charging devices, RFID reader module and other parts of the hardware system and working principle. Based on the analysis of RFID tag storage structure, make a detailed plan on how to store chemical storage information. Combined with ZigBee wireless network communication technology, achieve wireless communication with the host computer and hardware, and improve the reliability of the transmission. Software part is written in LabVIEW software development platform, complete full-featured, user-friendly intelligent hazardous chemicals warehouse management system. This paper introduced the virtual instrument technology, and made a detailed presentation of the front panel design, described the implementation process of the various parts of the software functions. In this part, users login and registration functions, chemical information search engine, information access capabilities, information modification functions and others from this kinds of section not only strengthen the security of information, but also allow users to access information more easily, and greatly improve the automation and intelligence level of hazardous chemicals warehouse management system. The paper made a simple test to this system at last. The results indicate that this system meets the expected requirements of stability and energy consumption, can be applied to the hazardous chemicals warehouse daily supervision. Keywords: Hazardous chemicals; intelligent warehouse management system; RFID; stepper motor; wireless charging 目 录 第一章绪论.............................................................................................................................. 1 1.1课题研究背景及研究意义.......................................................................................... 1 1.2国内外研究现状.......................................................................................................... 2 1.2.1国外危险化学品仓储管理现状........................................................................ 2 1.2.2国内危险化学品仓储管理现状........................................................................ 3 1.3系统关键技术分析...................................................................................................... 3 1.3.1 RFID技术介绍................................................................................................... 3 1.3.2 RFID应用于危化品仓储业的可行性分析....................................................... 7 1.4论文的主要内容及结构.............................................................................................. 7 1.3.1论文的主要工作................................................................................................ 7 1.3.2论文的创新点.................................................................................................... 8 1.3.3论文的章节安排................................................................................................ 8 1.4本章小结...................................................................................................................... 8 第二章仓储管理系统总体设计.............................................................................................. 9 2.1系统总体结构设计...................................................................................................... 9 2.2 ZigBee网络的组建 ...................................................................................................... 9 2.3无线充电方案设计.................................................................................................... 10 2.3.1无线充电方式的选择...................................................................................... 10 2.3.2磁耦合共振式无线充电原理.......................................................................... 12 2.4步进电机定位系统.................................................................................................... 13 2.5化学品信息采集系统................................................................................................ 14 2.5.1化学品信息采集系统方案设计...................................................................... 14 2.5.2化学品信息采集系统工作原理...................................................................... 14 2.6本章小结.................................................................................................................... 15 第三章仓储管理系统硬件设计............................................................................................ 16 3.1电机控制模块............................................................................................................. 16 3.1.1电机控制模块工作原理.................................................................................. 16 3.1.2步进电机控制器.............................................................................................. 16 3.1.3步进电机驱动器.............................................................................................. 16 3.2精确定位装置............................................................................................................ 17 3.2.1精确定位装置工作原理.................................................................................. 17 3.2.2步进电机的选择.............................................................................................. 17 3.3无线充电装置............................................................................................................ 18 3.3.1无线充电装置工作原理.................................................................................. 18 3.3.2无线充电装置具体实施方式.......................................................................... 19 i 3.4 RFID读写模块........................................................................................................... 20 3.4.1 RFID读写模块的选择..................................................................................... 20 3.4.2 RFID电子标签................................................................................................. 21 3.4.3标签存储结构.................................................................................................. 22 3.4.4化学品信息存储结构划分.............................................................................. 22 3.5系统硬件结构运行方式............................................................................................ 23 3.6本章小结.................................................................................................................... 26 第四章仓储管理系统软件设计............................................................................................ 27 4.1虚拟仪器技术介绍.................................................................................................... 27 4.1.1虚拟仪器的基本概念...................................................................................... 27 4.1.2虚拟仪器的特点.............................................................................................. 27 4.1.3虚拟仪器的分类.............................................................................................. 28 4.2本系统软件设计........................................................................................................ 28 4.3软件前面板界面设计................................................................................................ 29 4.3.1系统控制界面.................................................................................................. 30 4.3.2信息管理界面.................................................................................................. 31 4.3.3步进电机参数设定界面.................................................................................. 32 4.4软件功能程序框图的实现........................................................................................ 32 4.4.1用户登录及注册功能...................................................................................... 32 4.4.2化学品信息搜索引擎...................................................................................... 34 4.4.3信息查询功能.................................................................................................. 34 4.4.4信息修改功能.................................................................................................. 38 4.5本章小结.................................................................................................................... 39 第五章系统测试.................................................................................................................... 40 5.1系统测试环境............................................................................................................ 40 5.1.1硬件测试环境.................................................................................................. 40 5.1.2软件测试环境.................................................................................................. 40 5.2系统测试内容............................................................................................................ 40 5.2.1步进电机操控测试.......................................................................................... 40 5.2.2 RFID模块信息读写测试................................................................................. 42 5.3本章小结.................................................................................................................... 45 第六章与展望................................................................................................................ 46 6.1全文总结.................................................................................................................... 46 6.2工作展望.................................................................................................................... 46 参考文献.................................................................................................................................. 47 发表论文和科研情况说明...................................................................................................... 49 致 谢.................................................................................................................................. 50 ii 第一章绪论 第一章绪论 1.1课题研究背景及研究意义 本课题的研究基于我国危险化学品事故发生率每年都在不断上升，危险等级也在逐 年递增，危险化学品仓库管理方式滞后，导致其周边地区存在重大安全隐患，严重威胁 到人身及财产安全的背景需求下展开。 在我国化工产业飞速发展的大背景下，危险化学品的使用量与存储量都在不断增加。 作为一种特殊商品，危险化学品自身具有很强的易爆、易燃、毒害、腐蚀、放射等性质 [1] ，但是危险化学品安全管理水平并没有得到长足的发展，导致其在生产、经营、存储、 运输、使用、废弃处理的过程中安全事故频繁出现。在危险化学品安全管理的诸多环节 中，危险化学品仓储管理环节的化学品存储量大，事故波及范围广，因此很多情况下 [2] 危险化学品仓储环节的事故隐患比在生产、运输、使用、废弃处理等环节中的要大很多。 而在危险化学品仓储环节的管理中，混存问题和防盗问题是引起重大安全隐患的两大主 要原因。混存问题引发事故的经典案例是 1993年 8月5日，深圳清水河危险化学品仓 库发生重大火灾，并且发生连续爆炸，事故导致15人死亡，800余人受伤，建筑物毁坏 面积3.9万平方米，直接经济损失2.5 亿元。事故原因是由于硫化碱和过硫酸铵混存， [3] 导致过硫酸铵发热起火造成的。由于防盗措施不当引发的安全事故也是时有发生，如发 生于 2013年 4月的复旦大学投毒案，因为实验室的防盗措施不够完善，使得犯罪嫌疑 人有机会将剧毒化学品N-二甲亚硝胺带出实验室并实施犯罪。因此，危险化学品仓储业 的健康发展对整个危险化学品安全生产事业具有重要的作用。 随着科技的发展，利用先进的自动化控制技术和计算机信息技术提高危险化学品全 生命周期监管的工作效率已然成为促进危险化学品安全生产事业良性发展的大趋势。作 为启动21世纪的十大重要技术之一，无线射频识别(Radio-FrequencyIdentification， [5] [4] 已经广泛应用于工业自动化、物流管理和交通运输控制等领域。其优点是: RFID)技术 [6] 1)RFID能识别单一产品; 2)RFID在被非金属物体覆盖时能够穿透障碍物进行通信; 。近年来由于生产规模 3)RFID可以一次性对多个电子标签进行识别并完成同步通信 的不断扩大以及电路集成技术的不断发展，促使射频识别产品的成本不断降低，再加之 此项技术的诸多优点，使得 RFID技术已经越来越多的应用于危险化学品领域。为了解 决危险化学品仓储管理中的混存和防盗问题，需要定时对危险化学品仓库进行巡检工作， 但目前在危险化学品仓储业，RFID技术主要还只是应用在化学品的出入库登记环节，而 在日常的化学品仓储管理中无法对化学品进行实时监控，需要仓库管理员定时对化学品 库进行人工巡检，因此管理员不能直接获得实时的化学品仓储状态，使得管理员对仓库 中化学品被盗及混存问题的发现存在一定的滞后性。同时，在管理员进入仓库并进行巡 检工作时，管理员与化学危险品接触几率升高，增加了安全隐患。 针对此类问题，以提高危险化学品仓库管理智能化为目的，本文提出了一种以RFID 技术为核心并结合步进电机精确定位技术、ZigBee无线传感网络技术、无线充电技术和 1 第一章绪论 LabVIEW软件开发平台的化学品仓储管理方案，RFID技术用于读写危险化学品的信息， 步进电机精确定位技术用于精确定位目标位置，ZigBee无线传感网络技术用于无线传输 数据和上位机指令，无线充电技术用于对工作平台上的电子元件供电，上位机控制系统 在LabVIEW软件开发平台的支持下对整个危险化学品仓库实时监控。 本文通过集成多种技术实时获取化学品仓库中每个化学品的存储状态，大大减少了 人工劳动，降低了运营成本，提高了管理效率。融合多种先进技术的化学品仓储管理系 统的研发与测试，具有重要的实践意义。 1.2国内外研究现状 危险化学品仓储工作的产生是为了适应危险化学品商品流通和产品剩余的需要， [7] 随着危险化学品行业的飞速发展，危险化学品仓储管理经历了传统仓储管理和现代仓储 管理阶段。传统的危险化学品仓储管理注重降低仓库内部的库存量，并且尽量避免缺货 问题的出现等风险，传统危险化学品仓储管理应用的技术主要有经济批量订货法(EOQ)、 ABC法管理法、需求预测、MRP/MRP ?等。伴随着经济全球化的大趋势和供应链经营的 [8] 逐步形成，传统危险化学品仓储管理渐渐被供应链生产方式所淘汰，加之物联网技术的 完善，使得现代危险化学品仓储管理应运而生，并通过科学的管理方法和先进的管理技 术对危险化学品的进出库、分类、存储等一系列作业流程进行控制与管理，使危险化学 品仓储管理更加高效，现代危险化学品仓储管理应用的先进技术主要有二维条形码技术、 射频识别技术，并借助计算机系统辅助仓库进行管理。传统仓储和现代仓储的本质不同 在于仓储管理的侧重点不同，传统危险化学品仓储管理侧重空间管理，而现代危险化学 品仓储管理则更侧重于时间管理。 [9] 1.2.1国外危险化学品仓储管理现状 20世纪60年代以来，世界经济和现代化科学技术飞速发展，由于企、事业单位对 危险化学品仓储管理提出了更高的要求，再加上科技发展不断地完善危险化学品库的仓 [10] 储管理技术，这些都使得危险化学品仓储业的发展产生了本质上的变革 。国外危险化 学品仓储业起步较早，到如今已经基本上实现了化学品仓储作业的自动化和无纸化，在 日益成熟的互联网技术和计算机信息技术的推动下，危险化学品仓储的信息化得到了很 大的普及和推广，发达国家的危险化学品仓储业都已经普遍采取了信息化的管理技术， 如企业资源(Enterprise Resource Planning, ERP)、物料需求计划(Material RequirementsPlanning,MRP)，并开发了仓储管理系统(WarehouseManagementSystem, WMS)、VMI管理系统等借助计算机辅助管理系统。加上现代危险化学品仓储管理中的二 维条形码技术、射频识别技术等与计算机系统结合的典型应用方式的普及，使得发达国 [11] 家的危险化学品仓储业得到了很好的发展 。 发达国家的危险化学品仓储业已经发展到了相对较高的水准，除了应用高新技术不 断完善和升级仓库管理设备，还注重培养大量危险化学品仓库管理的应用人才，并修订 2 第一章绪论 [12] 相关法律法规对行业进行规范化管理 ，这促使国外企业的危险化学品仓储效率大大提 高。 1.2.2国内危险化学品仓储管理现状 我国从20世纪70年代开始，危险化学品仓库管理渐渐引进计算机辅助管理的模式， 目前我国存储危险化学品的仓库主要有储罐式仓库、平方仓库、立体式仓库、货棚和货 [13] 场五种类型，其中平方仓库占总比例的60%以上 。我国国有危险化学品仓库以及一些 大中型企业的危险化学品仓库管理水平相对较高，大部分符合现代化标准，其仓储信息 [14] 管理系统落实的比较到位，主要是引入了现代ERP系统 ，基本实现了危险化学品仓储 管理的无纸化。 虽然目前我国自动化立体式仓库有近300座，但很多中小企业的危险化学品仓储管 理，仅仅停留在对危险化学品进行存储，主要是在化学品的数量上保证准确性，而在危 险化学品仓储管理系统的引用方面却很少实施，以人工操作的管理系统为主，进行较为 简易的危险化学品仓储操作，这样的管理模式比较费时费力，且容易产生人为失误，导 [15] 致危险化学品仓储管理效率低下 。另外，基于条形码的危险化学品仓储管理模式也是 近年来中小企业普遍应用的一类管理模式，条形码技术在一定程度上提高了危险化学品 仓储管理的自动化水平，但由于条形码自身易磨损，再加上某些化学品存在腐蚀性的 [16] 特点，使得基于条形码的危险化学品仓储管理模式在数据的录入和读取方面会受到一定 的困扰，条形码的寿命也将受到一定程度的影响，最终导致危险化学品仓储管理的操作 效率较低。 总的来讲，目前我国危险化学品仓储业的管理现状呈现以部门管理为主的管理模式， 并且在改进危险化学品仓库自动化方面取得了显著进步，但依然存在如化学品存储量大 而布局不够合理、危险化学品仓储管理人才短缺、危险化学品仓储管理技术发展不完善、 危险化学品仓储管理方面的法律法规不健全等问题。 1.3系统关键技术分析 1.3.1 RFID技术介绍 RFID是Radio Frequency Identification的缩写，即无线射频识别技术。该项技 术从20世纪90年代开始兴起，属于自动识别技术的一种高级形式，利用空间电磁波的 耦合或传播进行通信，无需直接接触就可以对一个或者多个物体进行自动识别和数据采 [17][18] 集，无论该物体是静止状态还是处在高速运动之中，并且可以工作于各种恶略环境 。 一、RFID技术工作原理 无线射频识别系统主要由RFID电子标签(Tag)、RFID读写模块(Reader)和上位机控 3 第一章绪论 [19] 制系统三部分组成 ，其工作原理如图1-1所示。在 RFID系统中，RFID读写模块通过 发射天线将电流信号转换成电磁波发送出读写信号，当 RFID电子标签进入到读写模块 的感应范围时，电子标签便收到读写信号，并将芯片内存储的数据信息通过电子标签的 [20] 内置天线以电磁波的形式发送回读写模块 ，RFID读写模块中的天线接收到电磁波信号 后转换成电流信号并传送至上位机控制系统进行数据信息的处理，完成标签的识别，并 [21] 通过控制RFID读写模块完成不同的读写操作。 数据 RFID读 天线 天线 电子标签 写模块 能量 上位机控制系统 图1-1 RFID系统工作原理图 Fig. 1-1 The working principle of the RFID system diagram 二、RFID系统相关组成分析 (1)RFID电子标签 RFID电子标签是RFID无线射频识别系统主要的数据载体。通常情况下，电子标签 由耦合天线和存储芯片组成。根据供电方式的不同，可将电子标签分为有源电子标签 [22] (Active Tag)和无源电子标签(Passive Tag)两大类 。有源电子标签自身带有电源， 其工作电能完全由内部电源供给，与此同时电子标签的电能也有部分转化为电子标签与 RFID读写模块射频通讯时所需的能量，因此在频率一定时，有源电子标签可执行距离相 对较远的读写任务。无源电子标签自身不具备电源，工作时不能由自身产生能量为其供 电。当无源电子标签进入到阅读器读写范围内时，通过天线接收到读写模块微波信号后， 以将部分微波能量转化为直流电的方式为自己提供工作电能，因而其读写模块的微波发 射频率一般较大。相对于有源电子标签而言，无源电子标签仅含有一个芯片和一个印制 [23] 天线，因而其外形更加小巧，成本较低，且使用寿命长，但其感应距离相对较近。 有源电子标签与无源电子标签相应特点见表1-1所示。 4 第一章绪论 表1-1有源与无源电子标签区别 Tab. 1-1 The difference between active and passive RFID tags 有源电子标签 无源电子标签 从阅读器获取 标签能源 自带 被阅读器激活时可用 标签能量可用性 持续可用 所需阅读器信号强度 强 弱 标签到阅读器可用的信号强度 信号强 信号弱 感应范围 距离远 距离近 多标签扫描 1个阅读器可扫描数千标签 1个阅读器可扫描100标签 被阅读器激活时监控 传感器性能 持续监控 量大 量小 数据容量 根据工作频率的不同，电子标签可分为低频率 (125-134kHz)电子标签、高频率 [24] (13.56MHz)电子标签、超高频率(868-915MHz)电子标签和微波(2.4-5.8GHz)电子标签 。 低频率电子标签探测范围一般在1cm左右，每秒信息传输量小于1kbit，微波通讯可穿 透水和普通非金属物质，不可穿透金属，一般用于动物项圈的识别。高频电子标签探测 范围一般不超过 7cm，每秒信息传输量可达 25kbits，微波通讯可穿透非金属物质，不 [25] 可穿透金属，常用于追踪和安全领域 。超高频电子标签最大探测距离可达5m，每秒信 息传输量100kbits，不可穿透金属和水主要应用在物流和供应管理。微波电子标签探测 距离可达10m，每秒信息传输量100kbits，不可穿透金属和水主要应用在不停车收费等 领域。各频率波段的标签特点如表1-2所示。 [26] 表1-2电子标签分类及特性 Tab. 1-2 Classification and characteristics of tags 低频率 高频率 超高频率 微波 125-134kHz 13.56MHz 868-915MHz 波段范围 2.4-5.8GHz 读取距离 1cm 7cm 5m 10m 速度 慢 中等 快 非常快 环境影响 无影响 无影响 影响较大 影响较大 全球接收频率 是 是 部分(欧美) 部分(非欧盟) (2)RFID读写模块 RFID读写模块是读取(或写入)标签信息的设备，包含射频模块(发送器以及接收 器)、微处理器和与上位机连接的接口模块，可自动无接触地读取或写入电子标签相应 5 第一章绪论 信息，并且通过计算机网络对电子标签内的信息进行数据处理和远程数据传送等任务， 其在RFID系统中承担着采集、处理、分析和传送电子标签识别信息的管理职能。 [27][28][29] 阅读器对电子标签的操作主要有识别电子标签 ID号、读取电子标签信息、写入电 子标签信息三大类。典型的阅读器可分为手持式和固定式两种，很多阅读器还带有附加 接口，如USB、RS232、RS485、CF、以太网等接口，使获取的数据更方便的传输到控制 系统中。和电子标签类似，阅读器也分为不同的工作频率，且阅读器要对应与其工作频 [27][30] 率相同的电子标签方可正常工作。 (3)中间件 中间件是位于 RFID读写模块与计算机控制系统之间的程序，主要作用是用来连接 [31] 读写模块和上位机控制系统，是 RFID系统的中枢。中间件的作用是将不同硬件设备 的差异屏蔽掉，使构建 RFID系统的复杂性降低。此外，中间件还可以协同其他应用层 共同工作，将阅读器获取的数据传输到系统数据库当中。当前许多企业通过开发性能更 [17] 好的中间件来提高获取信息的效率，以此来更好的管理RFID数据。 (4)上位机控制系统 应用软件主要是指 RFID系统的信息管理软件系统，负责数据信息的管理，并且与 用户进行互动。虽然许多应用 RFID系统的企业是由用户自己开发的应用软件，但是已 有越来越多的大型应用系统外资开发商在其产品中融入支持 RFID系统的技术，来满足 [21] 未来在这一领域的高需求，如SAP、Oracle、Microsoft等公司。 三、RFID技术标准化 各个国际化组织对于RFID的空中接口形成了多种标准，国际上的RFID标准大致分 [19] 为三年大系列，即ISO系列、EPC系列以及UID系列。除了RFID系统存在不同的工作 频段外，在相同频率下，RFID技术也存在许多不同的标准，例如在13.56MHz的频率下， 有ISO14443 Type A、ISO14443 Type B、ISO15693以及ISO18000-3等标准存在。由于 不同标准的RFID所采用的基带编码格式、无限调试方式和传输等存在一定的差异， 因此即使在相同工作频率下，不同标准的电子标签与读写模块之间也是无法互通的。 四、RFID技术主要应用 早在20世纪 40年代，英国空军就率先将 RFID技术应用到自己的飞机上，自此以 后，RFID技术蓬勃发展，现在其应用领域已经遍布各行各业。例如RFID技术在美国首 [32] 先被应用到了高速公路收费系统中 ，随后，零售业巨头沃尔玛公司开始引入 RFID技 术，不仅在大型超市内应用电子标签和RFID门禁，而且要求其供应商将RFID技术应用 [33] 。在医疗保健方面，smart sponge system(智能海绵系统)通过 到货箱和托盘上 [18] 6 第一章绪论 RFID技术对手术中所使用的纱布和海绵进行探测和统计，降低了手术医生的负担，使手 术的进行更加安全。 RFID技术尽管在我国起步较晚，但近年来中国也逐渐意识到此项技术的优越性和发 展潜力，不仅开始参与到RFID标准的建立中，而且逐步将RFID技术推广到更多的领域。 如在图书馆管理、票证防伪、不停车收费等领域，而在我国的二代身份证中应用 RFID 技术则成为我国应用RFID技术最经典的应用案例。 1.3.2 RFID应用于危化品仓储业的可行性分析 目前，可以说无论是国内还是国外，将 RFID技术应用于危险化学品领域已经出现 了许多成功的案例，尤其是在危险化学品领域中的运输环节应用 RFID技术，结合 GIS 技术和GPS导航系统对化学品的地理位置信息进行实时跟踪，例如上海市的百万危险品 [34] 钢瓶 RFID项，将每个钢瓶附上唯一的电子标签，通过手持终端对信息进行读取。 目 而对于 RFID与危化品仓储业的融合，各国都还没有太多值得借鉴的成功案例，并且研 究二者的结合也是对RFID和危化品仓储业各自领域的延伸和扩展。 RFID技术自身的特点使其应用在危险化学品仓储管理中具有一定的优势，首先RFID 电子标签的环境耐性较好，结实耐用，不易磨损，少量的油污或者不具腐蚀性的化学品 不会对其正常工作构成影响;其次 RFID标签的使用寿命长，每一个电子标签的芯片都 可以被复写 10万次以上;RFID电子标签的数据存储容量大，其内存可达 1Kb，远远大 于条形码标签，可存储更多仓储信息;再有RFID阅读器的穿透能力较强，RFID阅读器 发出的电磁波可以穿透木材、纸张、玻璃等非金属材料，因此常规的塑料或木制货架架 台不会影响RFID阅读器的正常工作。 1.4论文的主要内容及结构 1.3.1论文的主要工作 本文的研究重点是设计研发一套基于 RFID技术的危险化学品安全管理系统，该系 统结合了化学品信息采集系统、ZigBee无线传感网络以及上位机控制系统。其中化学品 信息采集系统应用了基于步进电机技术的定位系统，用于精确定位目标位置。借助集成 了 RFID无线射频识别技术、步进电机精确定位技术、无线充电技术的化学品信息采集 系统对仓库内的危险化学品进行巡检和排查，通过 ZigBee无线传感网络将数据传送至 基于LabVIEW软件开发平台的上位机控制系统，该上位机控制系统是危险化学品仓储管 理系统的“大脑”，是整个系统的组织核心，智能控制化学品信息采集系统，并将危险 化学品的存储状态以数据的形式自动存储在系统数据库中。当危险化学品仓库内出现化 学品混存或被盗情况时自动开启警报，通知相关人员及时处理。 7 第一章绪论 1.3.2论文的创新点 本文的创新点在于提出将RFID技术、ZigBee无线传感网络技术、步进电机精确定 位技术、无线充电技术等多项技术相融合应用到危险化学品仓储管理中，巧妙地将RFID 技术应用至危险化学品仓库日常的实时监控中，有效地以装置的智能巡检代替了管理员 的人工排查，克服了应用单一技术造成的局限性，使 RFID技术的应用范围得到了推广 和延伸。该系统大大减少了仓库管理员与危险化学品接触的几率，降低了安全隐患。 1.3.3论文的章节安排 第一章绪论简要说明了构建基于RFID技术的危险化学品仓储管理系统的目的和意 义，分析了国内外危险化学品仓储管理的研究现状，并且说明了论文的主要研究内容。 第二章介绍了基于RFID技术的危险化学品仓储管理系统的总体设计方案，并且阐 述了系统各个部分的构建思路和工作原理。 第三章介绍了基于RFID技术的危险化学品仓储管理系统的硬件组成部分，详细阐 述了电机控制模块、精确定位装置以及 RFID读写模块的结构、原理和连接过程。分析 了RFID电子标签的存储结构，并规划了危险化学品仓储信息。 第四章介绍了基于RFID技术的危险化学品仓储管理系统的软件设计，简要概述了 虚拟仪器技术，并对本系统软件的界面、功能和实现方式做了详细的介绍。 第五章基于RFID技术的危险化学品仓储管理系统测试对系统的软、硬件进行调试， zhi ku quan 20150721 通过步进电机驱动测试和RFID读写模块的检验测试证实该设计方案的可行性。 第六章总结了论文的主要内容，并提出了未来工作的改进方向。 1.4本章小结 本章说明了构建基于 RFID技术的危险化学品仓储管理系统的目的和意义，并介绍 了目前国内外危险化学品仓储管理领域应用的技术方法和存在的不足，提出了将 RFID 技术、ZigBee无线传感网络技术、步进电机精确定位技术、无线充电技术等多项技术相 融合应用到危险化学品仓储管理中的思路。分析了RFID应用于危化品仓储业的可行性， 并说明了本论文的主要内容和构架安排。 8 第二章仓储管理系统总体设计 第二章仓储管理系统总体设计 2.1系统总体结构设计 智能危险化学品仓储管理系统主要由RFID读写模块、步进电机控制器与驱动器、 同步带滑台和上位机系统构成。将RFID无线射频识别技术、ZigBee无线传感网络技术、 步进电机精确定位技术、虚拟仪器技术以及无线充电技术等有机结合，构成基于RFID 的危险化学品仓储管理多技术集成系统。 [35] 该系统由硬件和软件两部分组成。硬件部分将步进电机技术应用在同步带滑台 上，组成精确定位装置，该装置固定在化学品货架底部，并与 RFID读写模块相结合， 运行过程中装置精确定位化学品的摆放位置，通过读写模块获取化学品的存储状态信息。 软件部分通过ZigBee网络与硬件部分联系，操控精确定位装置和RFID读写模块，该系 统软件具有数据管理功能，管理员可查询仓库中化学品的信息、参数和各类指标。系统 总体结构如图2-1所示。 底部装有 电子标签 的化学品 zhi ku quan 20150721 节点 精确定位 终端 PC机 装置 节点 RFID读写 模块 图2-1系统总体结构图 Fig. 2-1 The overall structure of the system 2.2 ZigBee网络的组建 考虑到化学品仓库存储量大且药品摆放位置密集的特点，为了简化系统在安装和维 护过程中的难度，该系统采用无线通信技术实现数据的传输。与现有的各类无线通信技 [36] 术相比较，ZigBee无线通信技术有较高的信息处理速度 ，而且成本低、功耗小，适合 于构建无线传感网络，因此选择ZigBee组建系统内部网络。基于此本文设计了基于 802.15.4无线标准网络协议，以2.4GHz ISM频段的无线收发模块SZ02-RS232-2K为通 9 第二章仓储管理系统总体设计 信模块的无线传感器节点。该节点发送功率25dbm，峰值电流250mA，接收灵敏度-105dbm; 采用平面式通信体系结构，通过“多级跳”的数据传输方式将监控区域内的数据传输至 终端，经测试数据有效传输距离为600m。无线数据传输原理如图2-4所示。 监控区域 终端 节点 图2-4 ZigBee数据传输原理 Fig. 2-4 The principle of ZigBee data transmission zhi ku quan 20150721 2.3无线充电方案设计 由于系统在运行过程中 RFID读写模块需要不断地进行直线方向的位移运动，因此 为了保证系统在运行中的灵活性，采用无线充电方式代替传统的有线电源方式为读写模 块和ZigBee节点供电。 [37] 无线充电技术(Wireless Power Transmission—WPT) 早在 1840年电磁感应定律 被发现以来，人们便已经开始了对它的研究。虽然能量的无线传输技术在上个世纪发展 的比较缓慢，以至于如今的充电方式或电力传输方式几乎都是依靠电线电缆等有形介质 来实现的，即便是台灯、电视等短距离的电力传输也占用了很大的空间，并在一定程度 上增加了布线的复杂程度，但是近些年伴随着手机、平板电脑等移动设备产业的蓬勃发 展，无线充电技术已然成为顺应市场需求的重要技术，因此无线充电再一次受到了世人 的关注，已被各大厂商提到了十分重要的战略地位。 2.3.1无线充电方式的选择 1889年物理学家兼电气工程师尼古拉•特斯拉(Nikola Tesla)开创了无限输电方法 [38] ，他的构想思路是将普通低频高压电流转化成为高频电流，然后将地球作为内导体， 地球电离层作为外导体，借助空气作为传输媒介，将发射机放大以径向电磁波震荡模式， 10 第二章仓储管理系统总体设计 在电离层与地球之间形成8Hz的低频共振，最后通过环绕在地球周围的表面电磁波来传 输能量。 根据无线能量传输的特点，目前存在的无限能量传输方式可分为三大类:电磁波无 [39] 线能量传输方式、感应式无线能量传输方式、磁耦合共振式无线能量传输方式 。 (1)电磁波无线能量传输 由于电磁波能量可以直接通过天线进行发送和接收任务，因此电磁波无线能量传输 就是利用电磁波转换装置把直流电转换成电磁波，然后从天线发射出去，经过电磁波整 [40] 流器处理之后重新转换为直流电，完成能量的无线传输。微博无线传输技术 就是典型 的应用电磁波无线能量传输原理进行电力传输的技术，它以微波束代替输电导线，通过 空气介质把电能从一处传送到另一处。该项技术能产生极大功率的电能输送，但是在电 能传输的过程中，无法绕开障碍物，并且受到方向的限制，微波在空气中传输的耗能比 较大，效率较低，对人体和环境也存在一定的伤害，因此该项技术目前的应用领域并不 是很广。 (2)感应式无线能量传输 感应式无线能量传输技术(Inductive Power Transfer-IPT)主要是应用电磁感应原 或松耦合变压器实现对电能从一处到另一处的无线传输。 理，通过利用可分离变压器 zhi ku quan 20150721 [41] [42] 通过整流滤波的处理，将输入的电能转化为直流电压输出，然后高频逆变为交流电压信 号，通过变压器的线圈扎数比并且再经过一次整流滤波得到我们需要的直流电压。一般 情况下，变压器的感应距离越小，电能的传输效率就越高，因此，这一点也充分说明了 感应式无线能量传输技术的感应距离非常近，大概在几毫米左右。 (3)磁耦合共振式无线能量传输 磁耦合共振式无线能量传输技术(Magnetic Resonant Wireless Power Transfer) 最早是由麻省理工学院(MIT)物理系助理教授MarlinSoljacic的科研小组于2006年11 [43] 月在美国AIP工业物理论坛中提出的 ，磁耦合共振式无线能量传输技术通过磁场的进 场耦合，从而使得发射线圈和接收线圈产生共振，以此将电能从一处传输到另一处。 磁耦合共振式无线能量传输技术应用了共振原理，这也是该技术与感应式无线能量 传输技术最大的区别。磁耦合技术使得电能的传输距离增大，提高了电能传输的效率， 与此同时，由于人体是非磁性物质，在强磁场环境中暴露不会受到任何影响，因此，该 项技术不会对人体造成伤害，再则，对于共振作用，只有共振频率相同的物体才会受到 影响，所以该技术对周围环境也不会造成很大影响。综上所述，本设计采用磁耦合共振 式无线充电方式为系统中各元器件的储能装置充电。 11 第二章仓储管理系统总体设计 2.3.2磁耦合共振式无线充电原理 (1)共振 共振是一种物理现象，它指的是一个物理系统在其自然的振动频率(即共振频率) [44] 下趋于从周围环境吸收更多能量的趋势 。其外在表现是在发生共振现象时，具有相同 共振频率的物体之间会发生巨大的能量转移，但不具有相同共振频率的物体则几乎不会 出现能量的转移。由于物理系统中存在振动的能量，因此在共振频率下，即便是很小的 外在驱动力也能产生很大的振动效果。 (2)电磁感应定律 闭合电路的一部分导体在磁场里做切割磁感线的运动时，导体中就会产生电流，现 象而闭合回路的面积不变，改变磁场强度，导体中也会有电流产生。这种因磁通量变化 [45] 产生感应电动势的现象，叫电磁感应现象，产生的电流称为感应电流 。感应电动势的 大小由法拉第电磁感应定律确定，即: Δφ (2-1) ε = n Δt zhi ku quan 20150721 其中，ε为感应电动势，单位为伏特(V);n为感应线圈扎数;Δφ为磁通量变化量， 单位为韦伯(Wb);Δt为发生变化所用的时间，单位为秒(s)。 (3)磁耦合 一个线圈的电流变化，在相邻的线圈产生感应电动势，它们在电的方面彼此独立，而 [43] 彼此之间的影响是靠磁场作用联系起来的，此类物理现象在电学上称之为磁耦合 。电 能的传输效率由偶和效率决定，与此同时偶和效率也影响着电能的传输距离。互感磁通 链和自感磁通链共同构成耦合线圈中的磁通链，是由各个施感电流所产生的磁通链叠加 [39] 而成，因此施感电流与耦合线圈中的磁通链存在线性关系 。如果两个耦合的电感 和L2中电流不稳定，则各个电感中的磁通链就会随电路的变化而变化。设L1 L1和 L2的 电压和电流分别为 u1、u2和 i1、i2，互感系数为 M，则耦合电感之间的电压与电流之 间的关系如2-2式所示: u1=L1di1dt u2=L2di2dt (2-2) ?Mdi2dt ?Mdi1dt 12 第二章仓储管理系统总体设计 (4)传输原理 如图2-5所示，发射电路的高频振荡激励源通过功率放大电路连接源线圈S，线圈 S与发射线圈耦合，接收线圈与设备接收端电路线圈 D耦合，接收电路中的线圈D通过 整流滤波电路与电阻负载电感连接。在内部的分布电容和分布电感的作用下，发射线圈 与接收线圈达到共振。电能通过发射电路与发射线圈的耦合实现传递，发射线圈与接收 线圈因为具有相同的共振频率，在磁场的作用下产生共振，同理，接收线圈与接收电路 通过耦合将电能输送到各个元器件供电，线圈S与发射线圈以及接收线圈与线圈D都属 于近距离耦合，发射线圈与接收线圈属于远距离的磁耦合共振。 共振耦合 接 发 线 线 收 整流滤波 高频振荡 功率放大 射 圈 负载 圈 激励源 电路 线 电路 线 S D 圈 圈 发射电路 接收电路 图2-5磁耦合共振原理 zhi ku quan 20150721 Fig. 2-5 Magnetic coupling resonance principle 2.4步进电机定位系统 步进电机定位系统由装备有步进电机和皮带滑道的同步带滑台、步进电机控制器和 步进电机驱动器组成。系统通过 ZigBee搭建的自组网进行指令传输，将上位机发出的 电机启停等控制命令通过ZigBee终端发出，ZigBee节点与步进电机控制器以导线的形 式相联接，并将接收到的指令传递给步进电机控制器，步进电机控制器收到信号后向步 进电机驱动器输出信号。步进电机驱动器起到驱动步进电机和细分电机步数的作用，使 步进电机运行更加平稳。电机与皮带滑轨连接，皮带上固定一个滑块，使安置在滑块上 的RFID读写模块精确定位到正对化学品包装底部镶嵌有RFID电子标签的位置。步进电 机定位模块工作原理如图2-6所示。 13 第二章仓储管理系统总体设计 步进电机控制器 ZigBee节点 步进电机驱动器 控制 ZigBee终端 步进电机 0 1 5 PC机 控制 a1 Vcc1 b1 6 2 a2 b2 7 3 a3 b3 4 8 a4 GND b4 0 皮带滑轨传动装置 RFID读写模块 图2-6步进电机定位模块工作原理 Fig. 2-6 The working principle of stepper motor positioning module 2.5化学品信息采集系统 2.5.1化学品信息采集系统方案设计 zhi ku quan 20150721 化学品信息采集系统主要由RFID读写模块、RFID电子标签以及系统数据库构成， 其中RFID读写模块与ZigBee节点以电路方式联接。在步进电机定位系统将 RFID读写 模块传送到指定位置后，上位机通过 ZigBee无线传感网络终端发出读取、修改或写入 命令，ZigBee节点将接收到的指令传输给RFID读写模块，使读写模块对电子标签进行 读取、修改或写入等操作，操作结束后读写模块通过 ZigBee节点将获取的电子标签信 息传送到与ZigBee终端联接的上位机控制系统，并最终存储到系统数据库中。 2.5.2化学品信息采集系统工作原理 化学品信息获取由 RFID读写模块进行，通过微型天线发出具有一定频率的无线电 信号。当读写模块移动至化学品包装底部时，其与 RFID电子标签的距离处在读写模块 感应范围以内，此时电子标签将会被读写模块产生的感应电流激活，并通过内置天线发 送自己的 ID号。在读写模块天线获得载波信号之后，电子标签通过天线调谐器将信号 发送至读写模块，从而获得标签中记录的化学品基本信息，如化学品名称、摆放位置、 进库时间、是否在库等。读写模块对此信号进行解调和解码后发送至上位机系统。 14 第二章仓储管理系统总体设计 2.6本章小结 本章介绍了仓储管理系统的整体设计方案，分析了系统应具备的功能，阐述了系统 中无线通信、无线充电、步进电机定位、化学品信息采集等各个部分的构建思路。介绍 了系统各部分的工作原理，以此证明系统运行的可行性。本章方案的提出和工作原理的 分析为后文系统软硬件的提出做出了理论的准备工作。 zhi ku quan 20150721 15 第三章仓储管理系统硬件设计 第三章仓储管理系统硬件设计 3.1电机控制模块 3.1.1电机控制模块工作原理 电机控制模块主要由步进电机控制器和步进电机驱动器组成。其中步进电机控制器 的主要工作是接收上位机系统发出的指令，并将指令信号进一步转换;步进电机驱动器 的主要任务是根据步进电机控制器传输的信号控制步进电机的运行。 3.1.2步进电机控制器 本设计使用的是应用于 PC上位机的 5轴步进电机控制器，该步进电机控制器采用 STM32F101T6型单片机，5V/24V供电电源。本系统中步进电机控制器通过 ZigBee无线 传感网络接收上位机系统发送的信号指令，该信号以电信号的形式传输，然后步进电机 控制器将此电信号转化为脉冲信号，并最终输送给步进电机驱动器。 3.1.3步进电机驱动器 本设计使用的步进电机驱动器为M542H型256细分步进电机驱动器，该步进电机驱 [46] 动器的驱动方式采用高低压驱动 ，平均电流控制，两相正弦电流驱动输出，最大供电 电压为24VDC，输出电流平均值为3.2A，峰值能够达到4.5A，静止时电流减半，符合本 系统的指标要求。其电气指标如表3-1所示。该步进电机驱动器采用高速光耦隔离信号 输入方式，因此具有一定的抗高频干扰能力，细分精度为2、4、8、16、32、64、128、 256、5、10、25、50、100、125、250细分，具备过压、欠压、过流、相间短路等保护 功能。 表3-1步进电机驱动器电气指标 Tab. 3-1 Stepper motor drive electric index 说明 最小值 典型值 最大值 单位 1.5 — 4.5(均值3) A 输出电流 18 120(含纹波) 输入电源电压 50-80 VDC 逻辑输入电流 10 16 mA 7 步进脉冲频率 0 — 300 KHz 绝缘电阻 MΩ 500 16 第三章仓储管理系统硬件设计 在控制过程中，当步进电机驱动器接收到一个脉冲信号，步进电机就将按照预先设 [47] 定好的方向转动相应的角度 。其中，位移量由脉冲的个数决定，位移速度由脉冲的频 率决定。与此同时，通过脉冲频率也可控制电机转动的速度和加速度，实现速度的可调 控制。 3.2精确定位装置 3.2.1精确定位装置工作原理 精确定位装置由装备有步进电机和皮带滑道的同步带滑台构成。同步带滑台的皮带 滑道上安置有一个滑块，该滑块与皮带相连接，并且能沿着轨道在直线方向上来回移动。 步进电机的丝杆连接滑轨的皮带轮，电机运行时丝杆带动皮带运动，将步进电机运行时 的旋转运动转化为滑块在轨道上的直线运动。滑块上安置有RFID读写模块，通过步进 电机的精确运行，使皮带上的滑块在直线方向上准确锁定目标位置，从而将 RFID模块 精准运送到指定的位置，实现精确定位的功能。步进电机精确定位装置的实物图如图3-1 所示。 图3-1精确定位装置实物图 Fig. 3-1 The physical map of accurate positioning device 3.2.2步进电机的选择 步进电机作为系统执行元件，能够将输入的电脉冲信号转变为直线位移或者角位移 信号。 [48] 目前市场上出现的步进电机品种多样，性能特性也存在一定的差异，但根据步进电 17 第三章仓储管理系统硬件设计 机的本体结构和工作原理，大致可将其分成三大类:磁阻式步进电机(反应式步进电机)， 即VR型(VariableReluctance);永磁式步进电机(爪极式步进电机)，即PM型(Permanent [49] Magnet);混合式步进电机，即HB型(Hybird) 。 (1)磁阻式步进电机 磁阻式步进电机也叫做反应式步进电机，该类步进电机由凸极转子和绕有绕组的定 [50] 子构成，转子由铁磁体材料制成 。磁阻式步进电机的优点是结构简单，便于维护和修 理;缺点是没有定位转矩，且功率消耗比较大。 (2)永磁式步进电机 永磁式步进电机的结构与磁阻式步进电机相似，但永磁式步进电机的转子采用S极、 [51] N极相间的永磁钢,由于定子设计为爪型，因此该类步进电机又叫做爪极式步进电机 。 与磁阻式步进电机相比,永磁式步进电机的功率消耗更小，在断电时具有自定位转矩， 并且在工作时振动较小，噪音也比较低。但是由于永磁式步进电机自身结构的原因，其 工作的步距角一般情况下比较大，这也是该类步进电机最大的缺点。 (3)混合式步进电机 混合式步进电机结合了磁阻式和永磁式步进电机的特点，和磁阻式步进电动机结构 [48] 类似，其转子和定子的铁芯均采用齿状结构,其中转子上加了一块带有永磁钢 ,此类特 征与永磁式步进电机的转子特征相似，因此混合式步进电动机可看作磁阻式和永磁式步 进电机二者的融合。因此，该类步进电机不仅同时兼备磁阻式和永磁式步进电机的优势， 也自身结构的特点巧妙地弥补了以上两类步进电机的不足，所以混合式步进电机已然成 为了步进电机市场的主流。 综上所述，并结合本系统各部分的工作原理和功能要求，本设计采用两相混合式步 进电机，型号为PYH-42H47H，电机电压为24V，输入电流为1.7A，电机转矩为4.2Kg/cm， 电感为5H，电阻为3.85Ω。皮带上的滑块的最大负载为15Kg，滑块运行速度为1~600mm/s。 3.3无线充电装置 3.3.1无线充电装置工作原理 由于系统在运行过程中RFID读写模块需要不断地进行直线方向的位移运动，因此 为了保证系统在运行中的灵活性，采用无线充电方式代替传统的有线电源方式为RFID 读写模块供电。如前文所述，本设计的无线充电采用“磁耦合共振”技术，储能部分采 用超级电容。无线充电装置的工作流程如图3-2所示。 18 第三章仓储管理系统硬件设计 超级电容 超级电容 供电 感应线圈 并联 发射模块 RFID读写模块 超级电容 超级电容 超级电容组 图3-2无线充电装置工作流程 Fig. 3-2 The wireless charging device workflow 无线充电装置包括设置在自动巡检装置初始端的无线充电发射模块、设置在电路板 上的超级电容和感应线圈，超级电容和感应线圈通过电路板的电路进行连接，所述超级 电容通过电路板的电路分别与射频识别读写模块和 ZigBee无线传感网络节点连接并为 它们提供工作电压，无线充电发射模块产生电磁信号，感应线圈在无线充电发射模块的 感应范围内接收电磁信号从而产生电流给超级电容充电。 3.3.2无线充电装置具体实施方式 如图3-3(a)所示，无线充电发射模块固定在同步带滑台运动的初始端，当系统处于 非工作状态时 RFID读写模块在滑台初始端，使连接超级电容的线圈进入到发射模块的 感应区域，此时发射模块对超级电容充电;当系统处于工作状态时，精确定位装置上的 滑块开始运行，连接超级电容的感应线圈远离发射模块的感应区域，这时已充电的超级 电容为 RFID读写模块和 ZigBee无线传感网络节点供电，使其正常工作。如图 3-3(b) 所示。其中发射模块输入电压为5V时，输出功率最大为5W。电容选择16V 20F的超级 电容，为了保证 RFID读写模块长时间不间断工作，本系统的超级电容采用高电压并进 行数字降压的方式工作。 19 第三章仓储管理系统硬件设计 (a)非工作状态系统工作方式 (a) Non-operating of the system working mode (b)工作状态下系统工作方式 (b) Operating of the system working mode 图3-3无线充电装置具体工作方式 Fig. 3-3 The working way of wireless charging device 3.4 RFID读写模块 3.4.1 RFID读写模块的选择 化学品信息获取由 RFID读写模块进行，在读写模块天线获得载波信号之后，电子 标签通过天线调谐器将信号发送至读写模块，从而获得标签中记录的化学品基本信息， 20 第三章仓储管理系统硬件设计 如化学品名称、摆放位置、进库时间、是否在库等。读写模块对此信号进行解调和解码 后发送至上位机系统。本系统采用 MIFARE522型 RFID模块，该模块供电电压为直流 3.3~12V，UART TTL电平输出。工作电流13~26mA，空闲电流10~13mA，休眠电流小于 [52] 80µA，峰值电流不大于 30mA，工作频率为 13.56MHz，读卡距离为 0~65mm。其中引脚 VCC5.0连接电源正极，引脚 TXD为模块数据输出，连接 ZigBee节点模块的 RXD，引脚 RXD为模块数据输入，连接ZigBee节点模块的TXD，引脚GND为电源接地。模块实物图 及机械结构图如图3-4所示。 (a)RFID模块实物图 (b)RFID模块机械结构图 (a) RFID module physical map (b) RFID module mechanical structure diagram 图3-4 RFID读写模块实物结构图 Fig. 3-4 The physical structure of RFID reader module 3.4.2 RFID电子标签 RFID电子标签应用FM1108型非接触式电子标签，采用FM1108型芯片，标签存取容 量为 8Kbits，工作频率为与读写模块相同的 13.56MHz，以 ISO14443 TYPE A协议为标 准。标签内径为18mm、外径为22mm、厚度为0.2mm，属于无源电子标签，将该电子标签 镶嵌于化学品包装的底部。如图3-5所示。 (a)RFID电子标签实物图 (b)镶嵌有RFID电子标签的化学品包装 (a) RFID tags physical map (b) Chemicals packaging inlaid with RFID tag 图3-5 RFID电子标签 Fig. 3-5 RFID tags 21 第三章仓储管理系统硬件设计 3.4.3标签存储结构 该型号电子标签分为16个扇区，扇区被定义为扇区0至扇区15，每扇区两组密码 并包含4个块，每个扇区的块被分为块0至块3，整个标签共有64个数据块，总共16 个扇区的64个数据块按绝对地址编址为0—63。每个数据块具有16个字节的存储容量， 每个扇区的第4个数据块(即块3)为控制块，用来存储该扇区的访问密码，此密码的 作用是提供读取该扇区数据的访问权限，增加了标签信息的安全，控制块不能用来存储 数据(如块3、7、11„„)。每个扇区的块0、块1、块2为存储信息的数据块，可用于 存贮数据。整个电子标签共有16个块3，根据绝对地址编址，这些密码块可被编为块3 (在扇区0中)，块7(在扇区1中)，块11(在扇区2中)，以及块63(在扇区15中) 等等。扇区0中的块0记录了该标签的序列号及生产厂商的标志信息等，这些信息在出 厂时已被固化，不能更改。因此该块不能再复用为应用数据块。FM1108型非接触式电子 标签的信息存储结构如表3-2所示。 表3-2 RFID电子标签存储结构 Tab. 3-2 RFID tag storage structure 扇区号 相对块地址 绝对块地址 块0 数据块0 扇区0 块1 数据块1 块2 数据块2 块3 控制块3 密码A 存取控制 密码B 块0 数据块4 扇区1 块1 数据块5 块2 数据块6 密码A 密码B 块3 控制块7 存取控制 : : : : : : : : : : : : 扇区15 块0 数据块60 块1 数据块61 块2 数据块62 块3 控制块63 密码A 存取控制 密码B 3.4.4化学品信息存储结构划分 将电子标签镶嵌于化学品包装底部，并将化学品基本信息存入标签，如化学品编号、 22 第三章仓储管理系统硬件设计 名称等。待化学品入库验收后，仓库管理员将管理信息写入标签，如摆放位置、进库日 期等。综合考虑存储信息与 FM1108型电子标签的存储结构，设计了化学品仓储信息存 储结构，如表3-3所示。其中存储信息中的前9项由供应商在化学品出厂前存入电子标 签指定位置，存储信息中的“摆放位置”和“进库时间”由仓库管理员在化学品入库后 写入标签，“出库时间”和“领取员工编号”在化学品出库时由仓库管理员写入电子标 签。为防止存储密码的控制块被错误篡改导致该扇区不可用，或出现特种危险化学品需 要对其添加备注等情况的出现，预留4个扇区(扇区12—15)作为备选扇区。 表3-3化学品仓储信息存储结构分布 Tab. 3-3 Chemical storage information storage structure distribution 存储信息 预期字节个数 扇区号 数据块绝对地址 化学品编号 扇区0 块1,2 供应商提供 20 化学品名称 96 扇区1,2 块4,5,6,8,9,10 危险性类别 35 扇区3 块12,13,14 化学式 28 块16,17 扇区4 34 化学事故应急咨询电话 扇区4,5 块18,20,21 供应商 48 扇区5,6 块22,24,25 24 扇区6,7 块26,28,29 供应商电话 供应商地址 37 扇区7,8 块30,32,33 供应商邮编 18 扇区8,9 块34,36 摆放位置 21 扇区9 仓库存储 块37,38 24 进库日期 扇区10 块40,41 32 扇区10,11 出库时间 块42,44 20 扇区11 领取员工编号 块45,46 3.5系统硬件结构运行方式 本系统的最终目标是实现危险化学品仓储管理的自动化和无纸化，并通过采用将 RFID技术、ZigBee技术、无线充电技术、步进电机技术和同步带滑轨技术等多种技术 的集成来完成的。结合上述各功能组件，整个系统的具体工作过程如下: (1)如前文所述，精确定位装置上的可移动滑块位于同步带滑台的初始端，连接 超级电容组的感应线圈位于无线充电发射模块的感应区域内，此时无线充电发射模块对 超级电容组充电; (2)上位机控制系统通过ZigBee无线传感网络终端发出巡检指令，ZigBee无线传 感网络节点接收指令，并将其发送至步进电机控制器; 23 第三章仓储管理系统硬件设计 (3)步进电机控制器将指令信号转化为脉冲信号传输至步进电机驱动器，所述步 进电机驱动器控制步进电机运行，使可移动滑块在直线方向上向系统指定的位置移动， 感应线圈随可移动滑块移动至无线充电发射模块的感应范围外后，已充电的超级电容组 为射频识别读写模块和ZigBee无线传感网络节点供电; (4)可移动滑块移动到指定化学品包装正下方后停止，上位机控制系统通过ZigBee 无线传感网络终端发出查询命令，ZigBee无线传感网络节点接收指令，并将其发送至 RFID读写模块; (5)RFID读写模块读取镶嵌于化学品包装的底部的射频识别电子标签的信息，并 将获取数据通过ZigBee无线传感网络节点发出，ZigBee无线传感网络终端接收数据后 将其传输至上位机控制系统，上位机控制系统将获得的数据存储到数据库中。 图3-6系统信息采集模块 Fig. 3-6 System information collection module 其中RFID信息采集部分的硬件结构如图3-6所示，为了使RFID信息采集任务顺利 进行，需要通过各个功能模块的相互协调工作来完成，本文采用将RFID读写模块、ZigBee 无线传感网络模块、超级电容组以及 12V转 5V稳压模块等模块集成在一个电路板上的 形式实现的。 为了确保RFID读写模块与RFID电子标签之间的距离处在二者感应范围以内，本文 将RFID读写模块架高以缩短与RFID电子标签的距离，12V转5V稳压模块的作用是将系 统的工作电压转换为稳定的 5V电压供电路板上的各个模块工作。图 3-7和图 3-8分别 为电路板的线路原理图和电路板的机械结构图，图3-9为电路板的三维示意图以上所介 绍的系统各部分硬件装置相互协同作用，共同实现了整个系统的正常运行。 24 第三章仓储管理系统硬件设计 图3-7电路板线路原理图 Fig.3-7 The circuit board wiring diagram 图3-8电路板机械结构图 Fig. 3-8 The mechanical structure of the circuit board 25 第三章仓储管理系统硬件设计 图3-9电路板三维示意图 Fig. 3-9 Schematic three-dimensional circuit board 3.6本章小结 本章着重介绍了危险化学品仓储管理系统的硬件设计，阐述了系统中硬件部分的工 作原理，包括电机控制模块、精确定位装置、无线充电装置、RFID读写模块。分析了步 进电机、步进电机控制器、步进电机驱动器等硬件中主要元器件的功能特性。详细介绍 了 RFID电子标签的存储结构，并根据标签自身的存储结构设计了应用于化学品仓储管 理的RFID电子标签信息存储方式。最后概述了整个硬件系统的运行方式。 26 第四章仓储管理系统软件设计 第四章仓储管理系统软件设计 4.1虚拟仪器技术介绍 自十九世纪以来，电子仪器和电子测量技术进入到了高速发展得快车道，在先后经 历了模拟仪器、电子仪器、数字仪器、智能仪器和单台仪器、叠层式仪器系统等阶段后， 于二十世纪 90年代进入到了虚拟仪器系统时代。伴随着测控技术的进步和计算机技术 的高速发展，虚拟仪器技术的功能日渐强大，应用的领域也越来越广。 4.1.1虚拟仪器的基本概念 任何一台传统仪器都是由信号的采集与控制、信号的处理和分析以及分析结果的输 出和显示三大功能模块构成的。并且这些功能模块都是以硬件或者固化软件的形式存 [53] 在。而虚拟仪器则是仪器技术和现代计算机技术深层次结合的产物，通过高速发展的计 算机技术实现和增加仪器的功能，并将仪器的各种功能和任务放到计算机中来完成。它 本质上是一个开放式的体系,用户根据自己的需要可以自行定义仪器的功能和操控方式。 虚拟仪器通过计算机软件发送指令和接收数据，随即对联接的硬件进行控制或测试，并 对接受的数据进行处理和分析。 所谓虚拟仪器中的“虚拟”主要体现在两个方面:第一，直接面向用户的前面板和 前面板上的控件是通过软件来实现的，用户可根据自己的操控习惯自行设计前面板的形 式和控件的布局，并通过键盘或鼠标操作自定义的前面板，从而完成对联接装置的操控; 第二，虚拟仪器的控制、测试以及数据的处理和分析等功能是通过软件编程实现的，这 是虚拟仪器与传统仪器最大的区别，用户可以按照自己的需求编写软件，从而使仪器具 备所需的功能，编写不同的程序就可以构建不同的虚拟仪器。 4.1.2虚拟仪器的特点 [54] 虚拟仪器区别于其他传统仪器的最显著的特点主要由以下四方面: (1)性能全面 虚拟仪器技术是在传统仪器技术和现代计算机技术的基础上发展起来的，因此在一 定程度上继承了一些以计算机技术为主导的特点，其中最突出的两项功能是文件I/O和 功能强大的处理器，强大的处理器能够在高速传送数据的同时进行大量的数据分析。除 此之外，网际网络技术的飞速发展也对虚拟仪器的不断进步起到积极的推动作用。 27 第四章仓储管理系统软件设计 (2)扩展性好 由于软件的灵活性，在升级一整套已经组建成功的虚拟仪器系统时，只需要更新必 要的硬件部分，并对软件部分稍稍加以修改就能够改进整个系统。将这些升级后的产品 集成到现有的测控设备上，就可以最终降低系统的研发成本。 (3)节省研发时间 虚拟仪器的初衷是为了方便用户的开发和操作，因此虚拟仪器高效的软件架构能够 与计算机、仪器仪表以及各类通讯设备的最新技术相结合，并且在虚拟仪器极具灵活性 的强大功能下，用户可以轻松地对测量控制方案进行配置、创建和维护。因此，大大降 低了用户研发系统所用时间。 (4)集成能力强 由于市场的需求，使得产品的功能日益复杂化，因此要实现完整的功能需要连接多 个测试设备。而虚拟仪器软件平台几乎为所有的I/O设备都提供了标准的接口，用户可 以将多个设备集成到一个单个系统上，在减少任务复杂性的同时实现了强大的功能。 4.1.3虚拟仪器的分类 目前,虚拟仪器分为两大类:一类虚拟仪器是基于CPCI/PXI和VXI模块的测试系统。 采用此类结构的系统可以构建用于生产测试的数据采集系统、自动测试设备(ATE)以及 高性能专用测试系统。另一类虚拟仪器是基于计算机技术的虚拟仪器，也是目前应用较 为广泛的一类虚拟仪器。它主要是由计算机、相关的应用软件(如 LabVIEW、 LabWindows/CVI、HP-VEE、TestPoint等)以及能插入计算机箱的模块或插卡所构成， 其中软件系统是此类虚拟仪器的技术核心。采用此类虚拟仪器可以组建基于 PC机的示 波器、逻辑分析仪、函数发生器、任意波形发生器、波形分析仪、电压表和各类数据采 集设备等。 4.2本系统软件设计 本系统采用美国国家仪器有限公司(NationalInstruments)的LabVIEW软件平台 进行开发，该平台是在测量测试及控制领域使用非常广泛的一种编程工具软件，LabVIEW 采用图形化的编程语言，又称为G语言。使用这种语言编程时，基本上不用写程序代码， 取而代之的是流程图。它尽可能利用了技术人员、科学家、工程师所熟悉的术语、图标 和概念，因此LabVIEW是一个面向最终用户的工具。使用它进行原理研究、设计、测试 [55—57] 并实现仪器系统时，可大大提高工作效率。 28 第四章仓储管理系统软件设计 软件采用数据流编程的方式，使得化学品信息的采集、数据处理、信号输出和控制 变得快速准确。其主要流程为:启动程序后，系统首先初始化各个参数，包括各类模块、 有关变量、I/O输入输出端口等。在确认权限的情况下，通过上位机进行操作，将数据 回馈上位机化学品安全管理系统软件进行处理，并对可疑的信息采取报警措施，如系统 检测到化学品丢失、药品混存的情况等。该系统软件具有控制系统硬件、管理数据库、 设定参数阈值等功能，实现了对化学品库的实时监控。程序主要流程图如图 4-1所示。 开始 串口初始化 N 是否拥有权限, Y Y 数据操作 修改信息 数据库查询 N 读写数据成功, Y N 向上位机方发 送数据 数据是否可疑, N Y 报警 是否结束或退出, Y 结束 图4-1软件程序流程 Fig. 4-1 The software program flow 4.3软件前面板界面设计 该危险化学品智能仓储管理系统软件应用 LabVIEW 2012软件品台进行编程开发， 接下来对整个系统进行全面介绍。 29 第四章仓储管理系统软件设计 4.3.1系统控制界面 在系统控制界面中，通过设定区设置相应的巡检方式，包括常规巡检、位置搜索、 化学品名称搜索。目的是采用系统的自动化工作机制代替仓库管理员的人工巡检任务。 常规巡检模式是最常用的一种巡检方式，管理员可以设定每次巡检之间的间隔时间，系 统每隔此间隔时间对库房中的所有化学品巡检一次，管理员可在操作区控制精确定位装 置的运行，系统自动将巡检时间和此时化学品的存储状态发送至数据库。该模式模拟了 管理员的日常巡检工作，使管理员不需要踏入库房半步就能够开展对库房化学品的安全 检查工作。 位置搜索和名称搜索两类搜索模式用来对仓库内指定的化学品进行查找和检查，在 这两项精确定位模式下，查询项列表栏将显示相应化学品的名称和摆放位置，供管理员 选择。完成巡检方式设定后可在操作区对步进电机定位模块和读写模块进行操作控制。 每一次巡检进程结束后巡检信息查询一栏显示检查化学品的详细存储状态。化学品位置 搜索功能和化学品名称搜索功能使得管理员在检查指定位置或指定名称的化学品时，无 需对整个化学品仓库进行全面巡检，只需启动相应位置的硬件设备对指定的化学品进行 检查，提高了仓库管理员的工作效率。 通过这三种巡检模式对化学品仓库进行检查时，若系统发现化学品被盗或摆放位置 出错时，系统会自动报警，以此来通知相关工作人员采取措施。 以上所介绍的系统控制界面的工作机制不仅满足《危险化学品安全管理条例》(国务院 第591号令)的要求，同时也体现了系统智能化的特点。图4-2所示为化学品名称搜索 模式下，查询所有甲醇的存储情况。 图4-2系统控制界面 Fig. 4-2 System control interface 30 第四章仓储管理系统软件设计 4.3.2信息管理界面 药品管理查询一栏为化学品数据库中的查询项，列表栏可显示所有记录在案的化学 品的详细存储状态。通过选择查询项目(包括化学品名称、药品标签编号、摆放位置) 可缩小查询范围，在此基础上可设定查找在库药品或已出库药品，使查找范围更加精确。 图4-3(a)显示为在化学品名称查询模式下，查询全部丙烯腈的存储状态，从中可以获得 所有丙烯腈的摆放位置、进库时间、出库时间、负责管理该化学品的管理员编号以及在 化学品出库时领取该化学品的员工编号等信息。 (a)药品管理查询 (a) Drug management query (b)药品档案查询 (b) Drug file query 图4-3信息查询界面 Fig. 4-3 Information query interface 在图4-3(b)药品档案查询一栏中通过查询项目的设置，可显示所要查询化学品的各 31 第四章仓储管理系统软件设计 类参数指标和说明信息，以及该化学品安全技术说明书中的所有内容。为危险化学品的 仓储管理提供安全监控的依据。 4.3.3步进电机参数设定界面 图4-4为步进电机运行参数设定区域，该模块属于系统硬件部分设定模块，不仅可 以对步进电机进行相应的细分精度、步距角、齿轮比的阈值参数设定，还可以对电机在 运动过程中的状态参数，如运行距离、启动方向、运行速度等进行预先设定，并以存档 文件的形式组成在不同情况下的运行方案，操作过程中管理员可方便地根据情况直接调 用相应的运行方案，此项功能简化了操作流程，提高了系统的工作效率。该模块的建立 为用户提供了设定系统硬件运行状态的可能，使用户能够根据自己的习惯对运行参数进 行设置，增强了系统运行的灵活性，体现了系统人性化的特点。 图4-4步进电机参数设置 Fig.4-4 Stepper motor parameter setting 4.4软件功能程序框图的实现 4.4.1用户登录及注册功能 为了确保化学品仓库管理的安全性和可靠性，需要对使用此安全管理系统的工作人 员的使用权限进行严格的控制。因此，用户在进入系统前需要进行系统登录，用户名和 密码输入正确方可进入系统，否则系统会自动提示用户名或密码输入错误。对于尚未在 系统中存档的新用户，需要先注册再登录，在注册功能模块中，新用户需要输入职工编 号、部门、证件号、联系电话、电子邮箱等基础信息并保存。图 4-5(a)和图 4-5(b)分 别为用户登录以及注册功能的程序框图。 32 第四章仓储管理系统软件设计 (a)用户登录程序框图 (a) The user login program diagram (b)新用户注册程序框图 (b) The new user registration program diagram 图4-5用户登录及注册程序框图 Fig. 4-5 User login and registration program diagram 新用户注册功能模块采用叠层式顺序结构，将证件号码的审核机制与密码确认的审 核机制分别放置在叠层式顺序结构的两个帧当中，按先后顺序执行两段代码，如图4-6 所示。运用这种方式大大简化了程序的复杂程度，避免所编写的程序框图占用过多的空 间，节省了系统内存。 图4-6叠层顺序结构 Fig. 4-6 Stacked sequence structure 33 第四章仓储管理系统软件设计 4.4.2化学品信息搜索引擎 用户在对仓库中化学品信息进行查询的时候，通过化学品信息搜索引擎可以更加灵 活地查找所需的化学品信息，缩小查找范围，提高了查阅信息的效率。用户可以通过标 签查询项目、文本下拉列表、文本输入框、查找模式、库存状态、以及确定搜索按钮六 个控件定义查找范围。 其中查询项目包括化学品名称、化学品标签编号、化学品摆放位置三个选项，选择 其中一项后，文本下拉列表就会显示相应的内容，例如选择查询项目中的化学品名称， 文本下拉列表则会显示化学品仓库中所有化学品的名称。查找模式分为精确查找和模糊 查找，此功能对应文本输入框共同使用，在精确查找模式下搜索引擎只搜索全部包含文 本输入框内容的信息，模糊查找模式下搜索引擎会自动搜索文本输入框中的关键字，并 找出包含此关键字的仓库内所有化学品信息。库存状态选项可选择查阅全部入库化学品、 目前在库的化学品以及已经出库的化学品信息。图 4-7为化学品信息搜索引擎的界面。 图4-7化学品信息搜索引擎 Fig. 4-7 Chemical information search engine 该搜索功能的后台程序采用簇捆绑的形式，将标签查询项目、文本下拉列表、文本 输入框、查找模式、库存状态、以及确定搜索按钮六个功能控件全部以簇的形式捆绑在 一起，并与预先设定的初始化簇中的元素一一比较，若出现不同则开始搜索。本系统搜 索引擎的另外一个特点是各个功能控件之间是相互联系和相互对应的，例如在通过化学 品名称查询时，如果文本下拉列表已经精确地显示出准确的化学品名称，文本输入框则 会自动显示该化学品名称，无需用户自行输入名称，使得搜索效率大大提升，此功能是 通过字符串属性和局部变量实现的，文本下拉列表的字符串属性截取文本下拉列表中已 经选定的字符串，然后以索引数组的方式将数据流传输到文本输入框的局部变量中实现 上述功能。 4.4.3信息查询功能 用户通过搜索引擎确定信息查找范围并发出搜索指令，系统自动对已经存入数据库 中的信息进行过滤和筛选。本系统的信息查询功能可以对仓库化学品的仓储管理信息、 化学品的档案信息以及员工的档案信息进行查询，其中员工的档案信息包括领取化学品 的员工和化学品仓库管理员的档案信息。该功能实现了化学品从入库到出库的全程信息 追踪，为追查化学品的来源和去向提供了有力的数据保障。 34 第四章仓储管理系统软件设计 (1)化学品仓储管理信息查询 查询化学品仓储管理信息的程序框图如图4-8所示，该段程序的查询过程主要以索 引数组的形式进行，将整个查询过程分为按先后顺序执行的两个部分，这两个部分分别 放置在叠层式顺序结构的两个帧当中。首先在第一个帧当中，通过化学品名称、摆放位 置或化学品标签编号三种方式中的任意一种筛选数据库信息，并以二维数组的形式保存， 如图4-8(a)所示。 (a)化学品信息筛选 (a) Chemical Information Screening (b)库存状态查询 (b) Inventory Status 图4-8化学品仓储管理信息查询 Fig. 4-8 Chemical warehouse management information query 随后经过一次筛选的二维数组信息进入到第二帧，该段程序用来查询已筛选化学品 的库存状态，根据库存状态编写查找全部化学品、查找在库化学品以及查找已出库化学 品三段程序，并将其放置在条件结构中。最后将查找结果以二维数组的形式传输到表格 中，如图4-8(b)所示。 (2)化学品档案信息查询 如前文所述，用户可以查询仓库中各类化学品的指标参数以及化学品安全技术说明 35 第四章仓储管理系统软件设计 书中的内容，此部分内容严格按照《危险化学品安全技术说明书编写规定》 (GB16483) 的要求编写。 该功能根据在化学品档案信息查询功能模块中，程序运行过程分为两个部分:确定 查询项目和显示查询结果，两个部分按照逻辑顺序先后执行。在第一部分的查询项目包 括化学品名称、摆放位置和化学品编号，当选定一个查询项目后输入框会自动列举出与 查询项目相对应的选项供用户选择，此功能使用户查找更加方便。程序框图如图4-9(a) 所示。 (a)确定查询项目 (a) Determining the query items (b)显示查询结果 (b) Displaying the query results 图4-9化学品档案信息查询程序框图 Fig. 4-9 The block diagram of chemicals archival information 如图4-9(b)所示，在第二部分程序中，将数据库信息生成全局变量连接到For循环 当中，在For循环中加入条件接线端，运用此种方法就可以使程序自动巡检数据库，并 且当检测到相匹配的字符串时程序将立刻停止循环，然后马上运行下一段程序。此类方 法不仅简化了程序的复杂程度，增加了程序的可读性，而且提高了程序的运行速度，改 善了系统的工作效率。 36 第四章仓储管理系统软件设计 (3)员工档案信息查询 通过对多起危险化学品仓储安全事故的致因因素进行调查和分析，我们不难发现， 伤亡事故发生是由能量物质或能量载体以外释放能量而产生的，而诱发能量物质或能量 载体以外释放能量的直接因素是物的不安全状态和人的不安全行为。系统通过化学品仓 储管理信息查询和化学品档案信息查询两大功能模块严密监控化学品的存储状态，对于 接触过化学品仓库的相关人员的信息管理，系统通过员工档案信息查询功能模块来实现。 员工档案信息查询功能模块除了能够查阅已注册员工的基本信息，如姓名、员工编 号、部门、证件号、联系电话、电子邮箱等，还能够查看每个员工在某一时间段的取药 记录，取药记录的内容包括化学品编号、化学品名称、摆放位置、出库时间、领取人姓 名等。 系统在查阅员工的基本信息时，可根据员工注册的身份证号码，并通过相应的运算 机制自动推算出员工的出生年月和性别等信息。图 4-10(a)和图 4-10(b)分别为员工基 本信息和取药记录的程序框图。 (a)员工基本信息查询 (a) Staff basic information query (b)员工取药记录查询 (b) Employees dispensary records check 图4-10员工档案信息查询程序框图 Fig. 4-10 Employee records information query block diagram 37 第四章仓储管理系统软件设计 4.4.4信息修改功能 每当化学品仓库引进新品种，或者经检查发现仓库内化学品的存储信息有错误，则 需要对系统数据库的部分信息重新录入。系统的信息修改功能不仅能够重新修改或加入 化学品存储信息和档案信息，还可以对员工的基本信息进行访问权限内的修改。信息修 改功能的程序框图如图4-11所示。 图4-11信息修改功能程序框图 Fig. 4-11 The block diagram of information modify function 修改后的信息首先会集合成二维数组的形式，然后系统会将此二维数组保存成文本 文件格式，目的是节省系统内存。为了保证信息的安全，文本文件格式的信息会最终以 二进制文件的格式存储在数据库中。信息存储的程序框图如图4-12所示。 图4-12信息存储程序框图 Fig. 4-12 The block diagram of Information storage 38 第四章仓储管理系统软件设计 用户在修改自己的员工档案信息时，系统会在修改密码阶段进行自动提示，在上一 步未执行时，其他控件是灰色禁用的，在此阶段，系统会弹出对话框向用户确认信息。 用户需要输入两次密码，并在两次密码完全一致的情况下方可进行修改。该段程序是在 顺序结构中实现的，采用条件结构进行逻辑判断，通过控件的属性节点实现控件的属性 变化。修改提示功能的程序框图如图4-13所示。 图4-13修改提示功能程序框图 Fig. 4-13 The block diagram of modify prompts 4.5本章小结 本章首先介绍了虚拟仪器的特点及分类，随后介绍了化学品智能仓储管理系统的软 件设计，详细的阐述了与硬件部分相匹配的软件界面的设计和功能，之后重点介绍了软 件程序的构建思路和实现软件功能的方法。本章的论述体现了系统的自动化与智能化， 结合前一章所述的系统硬件部分的设计，整个化学品智能仓储管理系统的功能已经完全 实现。 39 第五章系统测试 第五章系统测试 5.1系统测试环境 5.1.1硬件测试环境 PC机一台;M542H型256细分步进电机驱动器一台;13.56MHzRFID读写模块一套; FM1108型13.56MHz非接触式RFID电子标签一个。 5.1.2软件测试环境 系统采用LabVIEW嵌入式平台集成开发环境作为软件测试环境，它可以增强用户构 建自己的学科和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。要 建立良好的测试环境，只需在LabVIEW的软件开发平台上编写满足测试需求的测试软件。 本文的测试系统所使用的版本是LabVIEW 2012。 5.2系统测试内容 5.2.1步进电机操控测试 步进电机操控测试实验的目的主要是为了确定步进电机运行时的参数设置，从而使 步进电机在运行过程中能同时兼顾准确性、稳定性、灵敏性和快速性。为了达到这样的 目的，需要对步进电机驱动器进行设置。本系统采用的M542H型256细分步进电机驱动 器采用八位拨码开关设定细分精度，通过动态电流和半流/全流相结合的方式实现供电。 一、电流设置 SW1-SW3三位拨码开关用于设定电机运转时的电流，即动态电流;而SW4拨码开关 用于设定静止时电流，即静态电流。 设置动态电流的三位拨码开关一共可设定8个电流级别，详细参数设定参见表5-1。 表5-1工作电流(动态)设定 Tab. 5-1 Working current (dynamic) setting 峰值 平均值 SW1 SW2 SW3 ON ON ON 1.5A 1.0A 40 第五章系统测试 续表5-1 峰值 平均值 SW1 SW2 SW3 ON ON 1.4A OFF 2.0A 2.4A 1.7A ON OFF ON 2.8A 2.0A OFF OFF ON 3.2A 2.3A ON ON OFF 3.7A 2.6A OFF OFF ON 4.2A 3.0A ON OFF OFF 4.5A 3.2A OFF OFF OFF 静态电流通过用第4位开关设定，OFF表示静态电流设为动态电流的一半左右，即 动态电流的60%，ON表示静态电流与动态电流相同。在本系统的应用中将SW4设成OFF， 使得马达和驱动器的发热减少，提高设备运转的可靠性。脉冲串停止后续0.2秒左右电 流自动减至设定值的60%，由于发热量与电流平方成正比，理论上会减少至36%。 二、细分设置 细分精度通过SW5-SW8四位拨码开关设定，详细参数设定参见表5-2。 表5-2细分倍数设定 Tab. 5-2 Subdivision settings O 细分倍数 步数/圈(1.8 /整步) SW5 SW6 SW7 SW8 400 ON ON ON ON 2 4 800 ON OFF ON ON ON 8 1600 ON OFF ON OFF 16 3200 ON OFF ON 32 ON ON 6400 ON OFF 64 OFF 12800 ON OFF ON 128 25600 ON OFF ON OFF 256 51200 OFF OFF ON OFF 5 1000 ON ON ON OFF OFF 10 2000 OFF ON ON 25 OFF ON 5000 OFF ON 50 OFF OFF 10000 OFF ON 125 25000 OFF ON ON OFF 250 50000 OFF OFF OFF ON 41 第五章系统测试 测试结果表明，在小电流下系统需慢速运行，若加大运行速度或细分精度系统会出 现不能精确定位或操控不够灵敏等问题;在大电流下系统运行稳定，但在系统低速运动 时无疑增加了不必要的耗能。表5-3为系统达到测试要求时的参数配比。 表5-3驱动器参数配比 Tab. 5-3 Drive parameter ratio 动态电流(A) 细分倍数 平均速度(mm/s) 1.0 2 50 4 180 1.4 300 1.7 8 500 2.0 16 32 700 2.3 64 850 2.6 128 1000 3.0 256 1000 3.2 在保证系统准确性和稳定性的基础上，将动态电流平均值设定为2A，细分倍数设置 为 16时，电机能以最快的 500mm/s稳定运行。并且在达到同样效果的前提下，步进电 机以此设定参数运行时耗电量最小，达到测试要求，可以应用于系统的实际运行环境中。 5.2.2 RFID模块信息读写测试 模块读写电子标签的流程如图5-1所示，RFID读写模块以命令一一响应的方式工作， 在系统中模块处于从属地位，即不主动发出命令，由主机首先发出命令，然后等待模块 响应。该模块数据的通信是以一帧为单位进行的，UART接口一帧的数据格式为1个起始 位、8个数据位、无奇偶校验位、1个停止位，波特率固定为9600Bd。 42 第五章系统测试 开始 请求 防碰撞 选择 若更换了 扇区，需 是否读写数据, 重新验证 相应扇区 的秘钥。 Y 验证秘钥 是否更换扇区, N 读、写、值操作 N 操作是否结束, 结束操作 图5-1 RFID读写模块工作流程 Fig. 5-1 RFID reader module workflow 为了构建基于 LabVIEW的软件测试工具，需要根据 RFID模块读写电子标签的工作 机制和测试软件与模块联接时所遵循的通信协议编写程序。模块的通信协议参见表5-4。 表5-4模块通信协议 Tab. 5-4 Module communication protocol FrameLen CType Cmd Length Info BCC ETX 0x07 XX 0x03 请求 0x02 0x41 0x01 52 0x02 0x42 0x02 0x03 防碰撞 0x08 0x92 0x00 XX 选择 0x02 0x43 0x05 0x03 0x0B 0x93 0x10 0x86 0x6e 0x8e XX 43 第五章系统测试 续表5-4 FrameLen CType Cmd Length Info BCC ETX 0x06 0x02 XX 0x03 暂停 0x44 0x00 NONE 0x03 直接密码验证 0x02 0x12 0x46 0x0C 0x10 0x86 0x6e 0x8e XX 0xFF 0xFF 0xFF 0xFF 0xFF 0xFF 0x04 0x04 读模块 0x07 0x02 0x47 0x01 XX 0x03 写模块 0x17 0x02 XX 0x03 0x48 0x11 0x04 0x05 0x05 0x05 0x05 0x05 0x05 0x05 0x05 0x05 0x05 0x05 0x05 0x05 0x05 0x05 0x05 图 5-2为 RFID读写模块测试界面，设定卡块地址、读取或写入卡块个数、开始读 或写信息索引的值，程序运行过程中经过的每个阶段，包括:“请求”、“防碰撞”、“选 择”、“秘钥验证”、“读块信息”、“写块信息”、“关闭块”，成功通过时各个阶段相对应 的布尔控件将被点亮，否则保持熄灭状态。 图5-2 RFID读写模块测试 Fig. 5-2 RFID reader module test program 图5-3为读写块信息程序框图，需要写入的信息通过“写入字符”控件以数据流的 形式进入到写块程序中，通过“卡块地址”控件选择要存入的块地址，最后数据流进入 读块程序，将写入的信息通过显示控件显示出来。测试结果表明，RFID模块在距离电子 标签 60mm以内的范围数据传输最稳定，读写成功率最高，可以实现正常的信息采集工 作，能够应用到化学品仓库的实时监控中。 44 第五章系统测试 图5-3读写块信息程序 Fig. 5-3 Block information literacy program 5.3本章小结 本章对已经构建的化学品仓储管理系统进行了系统测试，从步进电机操控和 RFID 模块信息读写两个方面证实系统的可行性。首先通过实验找到了步进电机最高效的运行 参数;然后编写了基于LabVIEW的测试软件对RFID读写模块进行测试，测试结果表明， 本设计采用的读写模块满足系统需求，能够应用到实际的化学品仓库管理中。 45 第六章总结与展望 第六章总结与展望 6.1全文总结 伴随着科学技术的飞速发展，越来越多的行业采用智能化的管理系统来提高企业自 身的管理效率，危险化学品仓储业也逐步向自动化和无纸化的方向发展。本文正是在这 样的背景下构建了一套基于 RFID技术的危险化学品智能仓储管理系统。全文综述了危 险化学品仓储行业的国内外管理现状，提出了危险化学品智能仓储管理系统的总体设计 方案，对RFID技术、无线充电技术、ZigBee无线传感网络技术、步进电机技术等关键 技术进行了系统的分析，结合并集成所研究的各个关键技术，构建了危险化学品智能仓 储管理系统，最后通过一系列测试项目证实了系统的可实施性。 总结全文，本文所构建的危险化学品智能仓储管理系统具有以下几个特点: (1)提出了用RFID电子标签代替仓储管理中传统的条形码，并将电子标签镶嵌于 化学品包装内部，不仅解决了条形码易磨损和存储信息量小的问题，而且有效防止了化 学品泄露对电子标签造成的损害。 (2)其次通过ZigBee无线传感网络技术实现命令的发送和数据的传输，降低系统 能耗的同时也简化了装配的难度，避免了有线连接时造成的布线混乱情况。 (3)然后根据系统的运行特点，设计了一种基于超级电容的无线充电方案，有效 避免了系统在运行过程中通过有线连接造成的混乱，提高了系统在运行过程中的灵活性。 (4)最后应用虚拟仪器技术 LabVIEW编程语言实现了系统软件部分的设计与硬件 部分的测试，在工程应用中有效地预防了化学品仓库中药品被盗和混存现象的发生。 6.2工作展望 本论文是结合了研究生期间所做的课题，即构建一套基于 RFID技术的危险化学品 仓储管理系统的基础上展开的，主要通过系统的总体设计、系统的硬件设计、系统的软 件设计以及系统测试来介绍的。虽然论文取得了一定的科研成果，但仍有一些可以改进 和拓展的地方，总结如下: (1)集成更多功能模块。本系统主要解决危险化学品仓储的混存和防盗问题，可 以根据仓库中化学品的特性增加温度监控系统，使仓库温度保持在安全的温度范围内; 对于具有强挥发性和强腐蚀性的化学品仓库，可集成电子鼻系统监控化学品是否泄露。 通过集成更多功能模块来不断完善本系统。 (2)完善系统的工作机制。由于RFID读写模块的特点，本系统一次可以扫描一个 电子标签，因此适用于以零装形式存储的化学品仓库。而对于成箱存储的化学品仓库， 本系统在监控模式上具有一定的局限性。 所有这些问题都需要对该系统继续进行深入的研究，从而更好地实现对危险化学品 仓库的管理，并为危险化学品仓储业的健康发展提供更加有效的技术支持。 46 参考文献 参考文献 [1]赵来军，吴萍，刘寅斌 .我国危险化学品安全监管网络整合研究 [J].中国安全科学学 报,2009,19(2):47-52. 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