智慧信息技术在全生命周期产品中的应用

郑荣茂

（广东机电职业技术学院信息工程学院）

1 引言

我国是各类产品制造和消费大国，产品质量关乎企业的生存与发展，并与人们的日常生活息息相关。随着产品的更新换代，会产生大量的垃圾，有些垃圾产品含有毒、有害材料，如果处理不当将对环境造成非常严重的污染，威胁人类健康。同时，不合理的回收处理还会造成一定程度上的资源浪费。因此，有必要加强对原材料或零部件质量的控制来保证产品质量，同时根据产品质量问题跟踪溯源原材料或零部件，并对产品回收过程监控。

条码技术是集编码、印刷、识别、数据采集和处理于一体的综合技术，具有低成本、实用方便等优点。二维码可记录更多的信息，常用的码制有：Data Matrix、Maxi Code、Aztec、QR Code、Vericode、PDF417、Ultracode、Code 49、Code 16K等。文献[1]成功地将二维码技术应用于发动机主轴瓦分选，在汽车发动机的生产过程控制、质量追溯方面取得很好的效果。

射频识别（Radio Frequency IDentification，RFID）具有非接触、自动多目标识别等优点，广泛应用于高速公路收费、药品跟踪管理和集装箱管理等领域。文献[2]使用RFID作为信息载体，实现对家电产品生产、流通、销售、使用、回收等环节的全程记录，便于家电产品的追溯、质量查询和跟踪。文献[3]提出基于射频识别语义事件的物品跟踪模型和追溯方法，实现供应链全过程的跟踪和追溯管理，但产品物流信息与企业业务系统之间缺乏实时信息的采集和数据同步。文献[4]提出构建基于RFID技术的汽车全面质量跟踪系统，实现实时数据采集、实时监控管理和售后信息跟踪，提高企业的生产管理水平和客户满意度，增强企业竞争力。文献[5]通过智能加速度传感单元实现车身运动姿态实时监测，进而构架一个完整的机动车运行安全状态监测平台。文献[6]RFID应用于供应链管理。文献[7]RFID应用于产品跟踪追溯。文献[8]RFID应用于生产线的监控及调度管理。

本文综合二维码、RFID射频识别技术和主流IT网络技术，提出一种构建智慧零件实现产品全生命周期各类信息的完全监控、有效跟踪和灵活查询方案。

2 零件全生命周期信息层次结构

根据信息的重要程度和使用情况，本文将产品/零件全生命周期的信息划分五类：识别信息、基本信息、过程信息（制造、流通、维护等）、自诊断信息和报废、回收信息。图1为产品/零件全生命周期信息层次图。识别信息即产品ID号，一般用于产品/零件的追踪；基本信息包括名称、规格、功能、使用方法等；过程信息包括产品制造、流通、维护等过程管理相关信息；使用信息特指产品运行情况下的状态信息。一般情况下产品/零件不携带自描述信息，或仅贴附一维条码等作为产品索引的简单信息，将这类零件归为非智慧零件。智慧零件的特点是包含更多的信息并可自描述信息。信息可用于实现对零件的监控、跟踪、查询等功能。智慧零件可认为是信息完备的实物和数字化的统一体，它除包含产品的名称、规格、厂家联系方式等基本信息外，还可增加描述零件功能、性能、运行环境、使用方法/条件及失效检测等各类信息。根据智慧零件信息更新情况可分为主动智慧零件和被动智慧零件；根据智慧零件信息是否允许更新的动态特性可分为静态智慧零件和动态智慧零件；根据智慧零件是否具有外部感知能力可分为半智慧零件和全智慧零件。此外，智慧零件还可以根据是否自带电源分为有源或无源等不同类别。为后面讨论方便，假定静态智慧零件为无源（如具有二维码的零件），动态标签可以是有源或无源。

图1 产品/零件全生命周期信息层次图

主动智慧零件和被动智慧零件、静态智慧零件和动态智慧零件、半智慧零件和全智慧零件之间的关系如图2 所示。下面着重对静态智慧零件、动态智慧零件和全智慧零件三种主要类型的智慧零件进行阐述。

图2 各种分类条件下智慧零件相互间关系

2.1 静态智慧零件

静态智慧零件一般采用二维码技术来描述产品/零件信息，二维码与信息是唯一对应的，一旦生成原则上不允许修改。其优点有：可采用多种技术实现；适用于零件固定信息的描述；具有成本低，环境适应性广、使用方便等特点。目前大多数智能手机通过安装相应的软件就可以很方便地读出二维码描述的产品信息，其缺点有：不能反映零件的变化情况；不适用于信息变化频繁的情况；每次信息变化必须生成新的二维码。

2.2 动态智慧零件

动态智慧零件一般采用带存储的RFID标签来描述产品/零件信息，RFID具有非接触、可反复修改的优点，可以根据产品信息的变化同步更新产品描述信息；缺点是使用成本较二维码高，且使用RFID电子标签对环境有一定要求。

2.3 全智慧零件

全智慧零件可采用带传感器的有源RFID或其它物联网（Internet of Things，IOT）技术，通过传感器或物联网感知零件的运行状态和使用环境，如温度、湿度、压力、形变、位移、持续运行时间、次数、电压、电流等各种参数。全智慧零件自带MCU可以解耦各种参数，从而判断零件运行是否在最佳状态。当出现异常时自动进行参数优化，避免零件长时间处于极端条件下运行；若调整失败则自动向上发出警报。某种程度上全智慧零件可认为是 IOT的一个感知节点，优点是功能强大；缺点为成本相对较高，适用于重要部件或关键场合。

3 产品的全生命周期信息建模

产品的全生命周期信息（见图3），包括：需求→设计→制造→流通→使用→维修→报废，除此之外还应包括制造产品的原材料信息。产品信息P可以用九个参数描述：其中，R为产品需求分析过程所产生的信息；D为设计过程所产生的信息；Mat为原材料信息；M为制造过程所产生的信息；V为检验认证过程所产生的信息；C为流通过程所产生的信息；U为使用过程所产生的信息；Rep为维修过程所产生的信息；E为报废回收过程所产生的信息。

图3 全生命周期信息

产品的组装过程将会出现多个智慧零件合并为一个智慧产品的情形，流通过程也会出现临时包装和拆包等情形，文献[3]给出了一种产品物流动态跟踪模型和追溯方法。

4 智慧零件智慧节点设计

4.1 静态智慧节点

静态二维码智慧节点可以采用打印、丝印、激光烧写等方式附于智慧零件非工作表面，包含产品/零件的识别信息、名称、规格、功能等基本信息。图4为使用二维码静态智慧节点产品示例，解读二维码得到零件的描述信息为 SKM75GB123D 22890000 711SK0082801 110644 07140，可知产品为SKM75GB123D型号的IGBT零件。

图4 使用二维码静态智慧节点产品示例

4.2 动态智慧节点

动态二维码智慧节点根据需要采用不同容量的RFID标签，贴附于产品或零件的非工作区域（对于金属零件还需要使用抗金属膜），用于存储产品/零件识别信息、名称、规格、功能、使用等基本信息，以及记录流通、使用、维护过程中产生的附加信息。

4.3 全智慧节点

全智慧节点具有灵活的自主能力和强大的运算功能，并能通过各类传感器感知自身运行状态或外部环境变化情况，智慧零件全智慧节点原理如图5所示。全智慧零件是应用重点，符合未来发展趋势，也是目前IOT研究的热点。

图5 智慧零件全智慧节点原理图

5 智慧信息技术应用

5.1 产品信息的快速便捷获取技术

图 6为实验用产品/零件（轮毂）使用激光打标机在非工作区域烧写包含产品型号、规格等信息的二维码。用户可以使用具有二维码识别功能的手机快速获取附在产品上的详细描述信息，为产品的流通、使用及维护提供方便。

图6 实验用产品零件

图 7所示为激光打标机烧写的该产品 Data Matrix二维码，二维码包含如下信息：“名称=轮毂；型号=LT501；直径=15寸；宽度=6.5寸；偏距（ET）值=45；轮毂孔距=4×100；中心孔=54.1”。应用 JAVA开发基于 Android操作系统的二维码识别软件，在HUAWEI-S8600智能手机上运行该软件对30个零件表面的二维码进行识别，二维码识别情况记录见表1。

图7 产品DataMatrix二维码

表1 二维码识别情况记录

完成识别最少需要869毫秒，最多需要2574毫秒，平均时间为1811.3毫秒。识别时间与二维码的清晰程度，自动对焦拍摄过程镜头的抖动有很大关系。

5.2 产品动态检测技术

图 8为用于车轮状态检测的智慧节点相关传感器验证开发板，三维加速度传感器用于车轮运行的状态检测，压力传感器用于胎内压力检测。智慧节点提供 256kB空间用于保存历史检测数据，并可通过Zigbee将检测数据或历史数据上传至上位机。上位机根据轮胎压力值或对三维加速度进行积分等数据处理，以获得产品的运行状态，从而判断产品是否出现异常情况并及时报警。

图8 智慧节点相关传感器

6 结束语

目前，越来越多工业产品和快速消费品将二维码用于生产过程或供应链全过程的跟踪和追溯管理，便于企业业务系统快速采集产品数字信息。本文提出智慧产品的全生命周期信息模型；设计静态智慧信息节点应用于轮毂生产和物流全过程的跟踪和追溯管理；设计全智慧信息节点用于车轮运行状态的检测和报警；通过智能化采集完善产品使用情况信息，实现全生命周期产品信息的统一管理，并为产品的报废回收提供有力的数据支持。

[1]董克安.二维码技术在发动机主轴瓦分选系统中的应用[J].农业装备与车辆工程,2010(10):27-30.

[2]余庆悦,骆德汉,郑魏,等.RFID 在家电控制器中的应用[J].家电科技,2010(1):58-60.

[3]李敏波,金祖旭,陈晨.射频识别在物品跟踪与追溯系统中的应用[J].计算机集成制造系统,2010(1):202-208.

[4]李娟,苏冠群,刘丽梅.基于 RFID 的汽车全面质量跟踪管理系统研究[J].制造技术与材料,2010(19):38-39.

[5]张健伟,潘梦鹞,刘桂雄.基于GFSIN的车载式智能加速度传感单元的设计[J].自动化与信息工程,2009(4):21-24.

[6]LEE D,PARK J.RFID-based traceability in the supply chain[J].Industrial Management &Data Systems,2008,108(6):713-725.

[7]王华兵,何大军,魏凤,等.基于 RFID 的可跟踪追溯平台研究与设计[J].微计算机信息,2008,24(29):199-201.

[8]何伟,曾隽芳,魏书楷,等.RFID 生产线监控及调度管理系统[J].自动化仪表,2010(3):35-37.