基于RFID的液压支柱追溯管理系统的设计与实现

引言

随着社会的进步和科技的发展，煤炭行业的智能化建设,特别是管理方式，发生了巨大的变化，各大矿业集团都在强调精细化管理并且大力发展“数字矿山”。在煤矿企业中，单体液压支柱主要应用于煤矿回采工作面顶板支护、综采工作面端头支护等，是重要的煤矿生产安全设备。某矿业集团公司在籍单体支柱总量约7万棵，租赁使用约3.8万棵，随着采煤工作面的安装、替换，每年发出和交回累计40万棵，并且矿井内环境恶劣，高温、高湿。如此大的工作量与恶劣工作环境，依靠人工操作十分困难。目前的管理方法是在单体手把体上焊编号，编号简单，仅有厂家和年月。每次只能登记发出或交回的数量，不能实现每棵登记。每棵支柱编号随时间的推移,已经变得模糊不清，很容易出差错。最关键的是如果某棵单体出现问题，即使编号能看清，每年要检修20万棵，正常情况下，各矿使用单体38000棵，要想找到原始记录异常艰难。由于支柱使用数量多，使用地点分散，周转频繁，安全性要求高，而它的识别与追溯管理难度很大，因此，该工作现已成为某矿集团管理智能化建设的重要内容之一。

1  RFID技术介绍

射频识别(RadioFrequencyIdentification，RFID)俗称电子标签，是一种非接触式自动识别技术。RFID可通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，而且识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。最基本的RFID系统由三部分组成：第一部分为标签(Tag)，由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上用于标识目标对象；第二部分是阅读器(Reader)，是读取(有时还可以写入)标签信息的设备，可设计为手持式或固定式；第三部分是天线(Antenna)，可在标签和读取器间传递射频信号。RFID技术的基本工作原理是：标签进入磁场后，接收解读器发出的射频信号，并凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息，或者主动发送某一频率的信号；解读器读取信息并解码后，再送至中央信息系统进行有关数据处理。

2  设计方案的具体要求

根据客户的具体情况，本单体液压支柱识别追溯管理系统的设计需要满足煤矿企业的特殊要求。

2.1  煤矿行业的井下特殊环境要求

RFID技术是一项易于操控、简单实用、方便灵活的应用技术，其所具备的独特优越性是条码、磁卡等其他识别技术所无法企及的。标签可自由工作在各种恶劣环境下，适合于矿井下高温、高湿、多尘、有毒等环境；RFID采用无源方式,陶瓷封装，能够长时间在井下工作，而且无需更换电源，能满足井下安全性、长时间工作要求；RFID既支持只读工作模式，也支持读写工作模式，将数据存储在标签中，无需接触或瞄准即可读取，存储信息更改自如且读取可在移动过程完成；RFID支持同时读取多目标数据和分布式数据收集；此外,RFID采用EPC编码方式，很难被仿冒，因而具备极高的安全防护能力。

2.2  智能化信息管理与追溯的全自动要求

本系统的读取设备采用固定和移动数据采集相结合的方式。固定数据采集方式将读写器安装在库房、修理车间等的出入口处，采用大功率的发射接收天线，识别精度高达99.99%，识别距离远（可达10m），识别速度快（30ms），可实现出入库及检修的无人全自动化管理。多个读写器通过RS485总线或TCP/IP网络通讯方式组成监控网络，以实现多个库房、厂区、办公区信息的共享。移动数据采集则采用手持式读写器来完成井下数据以及零散支柱的信息获取、管理、追溯和传输。手持式读写器采用高性能处理器、大容量存储器、智能嵌入式操作系统、嵌入式数据库设计，可以实现支柱数据的实时采集、存储、查询与分析。手持式读写器采用GPRS、CDMA或WIFI802.11b/g等多种无线网络方式与后台的服务器进行通信，并进行数据实时更新。

2.3  先进的多层分布式体系架构设计要求

系统采用客户机/服务器模式（C/S模式）的多层分布式体系架构设计。第一层是在客户机系统上表示逻辑与数据获取业务逻辑；第二层主要是通过网络结合数据库服务器与数据分析逻辑。系统主要由客户应用程序、数据库服务器管理程序和业务逻辑服务器三个部分组成,具有交互性强、速度快、操作界面漂亮、形式多样、可以充分满足煤矿企业自身的个性化要求等特点。

      液压支柱识别追溯管理系统的设计应考虑到矿业集团当前的实际情况与今后的巨大发展空间，支柱的生产、保养、维修与使用可以在不同的地点，所以，系统要采用分布式设计方式。

分布式系统设计一般有B/S模式和C/S模式两种方法,表1给出了B/S和C/S优缺点比较。事实上，这两种方式各有优缺点。C/S是Client/Server,指客户机和服务器，在客户机端，只有安装客户端软件及相应环境后，才能访问服务器（胖客户端）。B/S是Browser/Server,指浏览器和服务器端，这种方式在客户机端不用安装专门的软件，只要一个浏览器即可（瘦客户端）.

本系统客户端程序除了完成信息的输入、输出、打印报表等工作外，还需完成数据的采集等工作，任务比较复杂，速度要求较快，同时，使用节点不是太多，系统的安装与维护比较容易，所以，本设计采用C/S模式。

2.4  先进的软件开发与数据处理要求

本系统采用面向对象的程序设计思想，具有稳定性好,可重用性高，易于维护，易于扩展等特点。数据的存储、分析、处理采用大型数据库管理系统，能够保证系统的稳定性，数据的完整性、安全性与一致性。

从灵活性、可扩展性和运行的高效性几个方面考虑，本系统采用多层分布式体系架构。第一层是在客户机系统上表示逻辑与数据获取业务逻辑。主要完成客户端数据的录入，图形化结果的显示，文档报表的生成以及有线、无线数据采集器的数据获取。第二层是通过网络结合数据库服务器与数据分析逻辑。数据库服务器主要用于存储所有的原始数据，实现所有与数据操作相关的存储过程和触发器。数据分析逻辑可从数据库中取出数据，并实现统计、分析等功能。

系统主要由数据采集子系统、数据存储子系统、数据分析子系统、客户端子系统等四个部分组成。图1所示是其系统总体架构图。

3  系统设计

本系统的设计应当充分考虑煤矿企业的液压支柱管理过程。本系统所涉及的液压支柱管理过程如图2所示。

事实上，液压支柱一般首先都由生产车间生产，并贴标签，然后送检测车间；检测车间在检测合格后，送仓库保管；而如果检测不合格，则送维修车间维修，维修之后，继续送检;经检测合格液压支柱才能从仓库出库，然后租赁到采煤单位；采煤单位使用完毕后，再返还登记并送维修车间。

本系统由六个模块组成。其中用户角色管理模块负责用户的建立和权限的分配；制造及外购支柱管理模块负责新生产和购买液压支柱的管理(包括初始化和登记);检测管理模块负责对液压支柱进行检测，并对液压支柱合格与否进行标记(写入合格与否的信息)，同时将不合格产品返回生产车间或维修车间，直到产品合格后入库；库存管理模块主要负责液压支柱的出入库登记和租赁管理，查询库存相关情况，输出报表;返厂及维修管理模块则负责返厂液压支柱的登记，卸下RFID标签，并对进入维修车间的液压支柱进行统计和报表形成；追溯统计管理模块主要进行单个支柱的信息查询和报表管理、支柱的汇总查询和报表、支柱采购辅助查询等功能，通过该功能可以对历史信息进行统计与分析，并用图形化的方式直观地得到各个生产厂家的支柱质量、生产批次、价格、性价比、历史事故情况等信息并进行分析，同时综合当前的使用情况、库存情况、生产情况等，通过专家分析系统得出应该生产、采购支柱的厂家、型号、数量、单价、总价等信息，并生成采购辅助决策报表。

4  结语

本系统采用C#语言开发，后台数据库系统采用SQLSever2008o系统从2011年1月开始试运行，其识别差错率小于0.1%，统计差错率小于0.1%，识别支柱平均时间小于1s，支柱平均出入库时间小于4s，识别支柱平均时间小于1s，系统平均无故障运行时间800h，减少工人5名。经过调查，本系统是目前全国第一次将RFID技术应用于液压支柱管理的系统。事实证明，本系统的使用有效地解决了某矿业集团的液压支柱管理问题，提高了工作效率，减少了管理成本，为某矿业集团“数字矿山”建设做出了一定的贡献。

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