基于RFID技术的钢筋可溯源管理系统设计

张新，段萍，李建华，李传明，丁承君

（河北工业大学机械工程学院，天津 300130）

基于RFID技术的钢筋可溯源管理系统设计

张新，段萍，李建华，李传明，丁承君

（河北工业大学机械工程学院，天津 300130）

为有效地避免钢筋质量问题，本文设计的钢筋可溯源管理系统可以提供可靠的钢筋流动信息，供国家质监部门和消费者对钢筋质量进行监控和查询．系统采用RFID无线射频技术进行硬件的开发和软件的设计，将钢筋构件从制造到现场使用的流通过程分为生产、运输、仓储和使用4个阶段，利用RFID专用识别读取设备，对钢筋构件流通过程各个阶段的信息进行读取并上传到云端数据库，生产厂家和使用现场通过计算机调用云端数据库数据能够实时跟踪监控钢筋构件的流通过程，实现钢筋构件的全程可溯源管理．本文论述了该系统实现过程，经验证本系统对于钢筋管理具有很强的实用性、可靠性和安全性，满足了人们对于钢筋管理的迫切需求．

RFID；钢筋；可溯源；系统管理；质量监控

0 引言

随着建筑行业的加速发展，钢筋构件使用量不断加大，然而钢筋构件的供货渠道复杂、品牌多样，导致复检任务增加．为降低施工成本，一些施工单位不按相关规定进行复检，甚至存在不检就用的现象[1]；同时钢筋构件生产厂家不能跟踪产品动态信息，现场施工单位亦不能有效查验钢筋构件的来源信息，造成钢筋构件的真伪性难以辨别，存在重大安全隐患[2-3]．因此，有必要对钢筋构件进行可溯源管理，保证工程质量安全．

无线射频技术（RFID）是一种非接触型自动识别技术，不仅具有防磁、防水、耐高温、寿命长、读取距离大、标签数据可加密、数据存储量大等特点，而且能实现多标签识别[4-7]．该技术不要求目标与系统之间建立机械或者光学接触，通过天线频率发射器形成电磁场把数据写入附着在物品表面的标签中或者将标签中的数据传送出去．与条形码或二维码不同的是，射频标签不要求处在识别器视线之内，可嵌入被追踪物体之内，使得标签不易脱落，也不易被掉包以次充好．将无线射频技术运用到钢筋构件可溯源管理中，对钢筋构件生产使用进行可溯源管理，确保工程施工中使用合格钢筋构件，确保工程质量安全[8-9]．

1 钢筋可溯源管理系统需求分析

本文的设计目标是在RFID技术的基础上开发一个具有体系结构开放、易扩充、易维护、良好人机交互界面的钢筋可溯源管理系统，为用户提供一个快捷便利的查询系统．

1.1 流程分析

在普通的钢筋配送中，不能对钢筋从出厂到施工现场的整个过程进行追踪，无法及时获取钢筋在配送过程中的时间和位置信息[10]，而在钢筋施工过程中也无法直接获得钢筋的理论重量、直径、弯钩增长值、弯折修正值等性能参数和生产、销售、运输等物流信息．将RFID应用在钢筋供应链的始端，厂商将标签贴至钢筋表面，标签发射的讯号可以及时、自动地被接收器识别读取，以实现钢筋从出厂、配送、存储、销售、使用至退换货处理等全部流通环节进行实时追踪和记录．这样大大增强产品流通管理的自动化程度，提升钢筋配送过程的管理效率．

1.2 功能需求分析

为了保证系统能够安全、稳定、可靠、高效的运行，钢筋可溯源管理系统应该满足系统处理的准确性和及时性．由于钢筋可溯源系统的查询功能对于整个系统的功能和性能起着举足轻重的作用[11]，信息的准确性和及时性决定了钢筋可溯源管理系统的成败，所以在系统开发过程中必须采用一定的方法保证系统的准确性和及时性．

图1 钢筋可溯源管理流程框架Fig.1Process framework of steel traceability management

2 钢筋可溯源管理系统总体框架

可溯源管理流程框架如下图1所示．

实现方法：第1步，将钢筋构件从制造到现场使用的流通过程分为生产，运输，仓储和使用4个阶段；第2步，利用RFID专用识别读取设备，对钢筋构件流通过程各个阶段的信息进行读取并上传到云端数据库；第3步，生产厂家和使用现场通过计算机通过调用云端数据库数据能够实时跟踪监控钢筋构件的流通过程，实现钢筋构件的全程可溯源管理．

从钢筋可溯源管理流程框架图上，可以详细查看钢筋构件从钢筋原料采购到现场使用每个环节筛选出的溯源信息．钢筋加工配送的各个环节信息指标众多，如果不加筛选，全部采集到系统中会造成信息的冗余和硬件资源的浪费，影响溯源管理系统的工作效率．在可溯源指标的采集端引用RFID技术，通过射频识别信号自动识别目标对象进行筛选指标的数据操作，能够提高筛选数据的输入效率．RFID电子标签具有唯一性和保密性的特点，使用RFID电子标签作为钢筋构件的身份识别标识，能够保证在配送过程中钢筋构件的唯一性，避免对筛选数据的非法修改，降低人为因素对系统的影响，使溯源管理系统的追溯结果更客观可信．

3 钢筋可溯源管理系统硬件和软件设计

3.1 硬件结构设计

在硬件结构中，电子标签用于记录钢筋的参数信息，以及实时配送信息；读写器主要功能是读写电子标签，分为主动读取和被动读取．读写器在读取范围内发出电磁波，形成磁场，当电子标签进入磁场范围内，获得能量，向读写器发出反馈信息；读写器也可以通过发送命令重新改变电子标签中的数据．读写器的天线在读出和写入过程中扮演着能量传递的中间角色，而读写器的读写距离从几厘米到上千米不等，读写频率也可以设置为低频、高频、超高频和微波4种不同的频段．电子标签和读写器之间采用射频信号传送信息，读写器与数据库服务器之间可以采用GPRS模块进行数据传递，使得埋入式传感器、电阻传感器等也可以通过加入无线传输模块使用本系统，大大提高了系统利用率．硬件结构图如图2所示．

RFID读写器使用RLM200开发模块，该模块是一种手持式超高频识别读写模块，由UHF开发板、射频读写模块和50欧匹配天线组成，可读写最大距离为7 m．

图3 SIM900A硬件结构图Fig.3Hardware structure of SIM900A

图4 软件结构Fig.4Software Structure

RFID读写器匹配的天线用来接收射频信号，其原理为电感耦合效应[12]．天线与读写器之间通过传输线连接，传输线的主要任务将获得的射频信号信息传输到读写器．传输线进行屏蔽处理，从而减少传输信号的能量损失并有效排除杂散信号的干扰．天线对外界环境的影响比较敏感，特别是磁场的干扰，改变天线的工作环境后，必须重新对天线进行匹配．

GPRS模块以SIM900A为主控芯片，芯片的硬件接口十分丰富[13]，提供了模块和客户应用电路的所有硬件接口．该模块采用了节电技术设计，在SLEEP模式下最低耗流只有1.0mA,另外该模块内嵌TCP/IP协议，扩展的TCP/IP命令使用户能够很容易调用TCP/IP协议，在应用数据传输处理时极大地方便了用户[14]．用户通过串口与读写器通信，然后利用AT指令设置控制模式[15]，采用TCP/IP协议通过移动网络将标签信息发送到上位机．SIM900A硬件结构图如图3所示．

3.2 软件结构设计

从图1可以看出，在生产阶段，主要通过基站式和手持式读写器对标签进行读取并上传到工厂数据库，可溯源管理系统可以调用工厂数据库RFID储存的信息及其他传感器上传的信息；在运输阶段需要带有3G模块的手持读写器对电子标签读取信息并上传至可溯源管理系统；仓储和现场阶段，也可以利用手持读写器通过3G模块上传到仓库数据库和施工单位数据库．基于以上功能框架，软件结构设计如图4所示．

RFID读写标签的上位机软件由操作界面和显示界面组成，主要包括基本配置、基本操作、界面操作、窗口（状态、数据、信息）、其他配置等模块．该上位机软件是通过串口技术与RFID系统通信，在使用之前需要安装串口驱动．打开软件后首先要对软件进行配置（选择设备类型、通信COM口和波特率），然后使用RFID读写器进行对标签的读写．该上位机软件功能架构如图5所示．

RFID天线发出某一频率的射频信号，当电子标签进入射频信号的工作区域时，标签内天线产生感应电流通过控制电路驱动内部芯片进行读取操作，获取标签存储的信息并利用射频信号传送给处理模块，处理模块处理后传送到显示模块并可通过接口模块传送到云端数据库，同理，读卡模块通过射频信号能够进行写入信息的操作．RFID工作原理图如下图6所示．

图5 上位机软件功能构架Fig.5PC software features architecture

图6 RFID工作原理图Fig.6RFID operating principle

软件编程控制的基本思路是首先对系统进行初始化，将RFID射频模块与单片机相连，初始化射频模块；然后按照寻卡、选卡、读（写）卡的顺序对RFID标签数据进行读（写），将钢筋从生产到使用各个环节的信息写入标签或从标签中读出，实现对钢筋的可溯源管理，控制程序流程如图7所示．

图7 程序流程图Fig.7Program flow chart

4 小结

本文采用RFID无线射频技术，实现了钢筋构件的全程可溯源管理，能够将钢筋从出厂、配送、存储、销售、使用至退换货处理等全部流通环节进行实时追踪和记录．详细阐述了钢筋构件的可溯源管理系统的设计方法及实施过程，有效地弥补了现有钢筋管理方法的不足，有助于钢筋管理实现更高层次的自动化管理，因此在钢筋管理中有很大的的实用价值和广泛的发展前景．但是本文仍然有尚未攻克的问题，由于无线射频技术尚未制定统一的行业标准，这就增加了RFID技术的难度和风险．只有RFID技术形成统一的行业标准并且技术更加成熟，才能使RFID技术在钢筋可溯源管理系统上得到更广泛的应用．

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[2]冯君．质监部门重拳出击“瘦身钢筋”打假战役打响[J]．中国招标，2013（13）：3-5．

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[4]罗春彬，彭龑，易彬．RFID技术发展与应用综述[J]．通信技术，2009（12）：112-114．

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[8]曹志勇，周铝，李晓斌，等．基于溯源技术的养殖厂管理系统设计[J]．广东农业科学，2010（6）：237-239．

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[责任编辑 田丰夏红梅]

A steel traceability management system based on RFID

ZHANG Xin，DUAN Ping，LI Jianhua，LI Chuanming，DIN Chengjun

（School of Mechanical Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300130,China）

In order to effectively avoid steel quality problems,this design of reinforced traceability management system can provide reliable steel flow information for the national quality supervision departments and consumers to monitor and check the quality of steel.The system uses radio frequency technology to develop RFID hardware and software design, the circulation of the reinforced component from manufacturing to field use is divided into production,storage and use of four stages,read device by using RFID special recognition,the various stages of the circulation process of reinforced member information read and uploaded to the cloud database,manufacturers and use the site to the circulation process real-time tracking andmonitoringofreinforcedmembers calledclouddatabasedataby computer,to achievefullsteelcomponent traceability management.This paper discusses the implementation process of core problemof thesystem,forreinforced management has a very large practicality,reliability and sec urity and meet the urgent needs for reinforcement management.

RFID;steel;traceability;system management;quality control

TP311

A

1007-2373(2015)03-0044-05

10.14081/j.cnki.hgdxb.2015.03.009

2014-12-29

天津市重大科技专项（工程）项目（12ZCDZGX45800）；天津市科技支撑计划（13ZCZDGX01200）；河北省自然科学基金（F2013202220）

张新（1966），男（汉族），高级工程师．

数字出版日期：2015-06-17数字出版网址：http://www.cnki.net/kcms/detail/13.1208.T.20150617.1542.005.html