基于NFC技术的生产管理系统的设计与实现

　　1.引言

　　我国是劳动密集型生产企业集中的大国，劳动密集型生产企业一直存在人员众多，管理复杂，工序繁琐等问题。在日常的管理工作中，需要投入大量的人力和物力来管理员工每日的工作，统计每日的工作量、检查工作进度、检查工作质量、上报工作情况等。目前大多数企业都是以办公软件和统计软件相结合来完成这些工作，效率低下而且打印量较多，人工成本和耗材成本较高。研究初期，我们提出了一种基于射频识别RFID_UIM技术的生产管理计件计量系统，生产员工配备RFID_UIM卡的手机，每个生产组配一个电脑、一个应用接收机具、一个条码扫描枪。生产组长用条码扫描枪读取计件物料编号，生产组员通过RFID_UIM卡手机刷应用接收端机具领取物料，生产组长确认刷卡后，该记录生成，作为系统统计的原始记录。从而实现生产厂家了解总体生产情况、成本支出的目的，为企业改善生产效率提供了科学依据。但是在采用基于RFID_UIM技术的生产管理计件计量系统实际应用过程中，应用接收端机具与扫描枪的使用，大大限制了使用场景，增加了用户使用成本。为解决这一问题，我们对静距离无线通信NFC技术开展了研究，设计了基于NFC技术的生产管理系统，利用支持NFC功能的手机终端实现了原有应用接收端机具与扫描枪的功能，降低了客户使用成本。

　　2.技术基础(Technological base)

　　NFC(Near Field Communication)是一种非接触感应和识别技术，允许电子设备之间进行非接触式点对点数据传输来交换数据，在以13.56MHz频率运行于20厘米的距离内。由非接触式射频识别(RFID)演变而来，由飞利浦、诺基亚和索尼共同研制开发，其基础是RFID及互连技术。在单一芯片上结合感应式读卡器、感应式卡片和点对点的功能，能在短距离内与兼容设备进行识别和数据交换。

　　NFC包含三种工作模式：卡模式、点对点模式与读卡器模式。卡模式(Card emulation)：这个模式其实就是相当于一张采用RFID技术的IC卡。可以替代现在大量的IC卡场合，如商场刷卡、公交卡、门禁管制、车票、门票等等。点对点模式(P2P mode)：这个模式和红外线差不多，可用于数据交换，传输距离较短，传输速度较快、功耗低。能实现数据点对点传输，如下载音乐、交换图片或者同步设备地址簿。读卡器模式(Reader/writer mode)：作为非接触读卡器使用，比如从海报或者展览信息电子标签上读取相关信息。本方案采用读卡器模式来实现数据采集、计件计量等生产管理功能。

　　与RFID一样，NFC信息也是通过频谱中无线频率部分的电磁感应耦合方式传递，但NFC技术与RFID技术还是存在着很大的区别。第一，NFC将非接触读卡器、非接触卡和点对点功能整合进一块单芯片，而RFID必须由阅读器和标签组成。第二，NFC传输范围比RFID小，RFID的传输范围可以达到几米，甚至几十米，但由于NFC采取了独特的信号衰减技术，相对于RFID来说NFC具有距离近、带宽高、能耗低等特点。正由于NFC的这些特性，我们设计的生产管理系统才采用了NFC技术来替代原有RFID_UIM技术，达到减少设备投入，便捷客户使用的目的。

　　3.系统架构(System architecture)

　　生产管理系统涉及三个对象：生产工人、生产车间组长和IE部门。IE部门负责对生产工序的编辑及生成控制，充当标签管理者的角色。IE部门将计件信息签名后写入NFC计件标签，生产车间组长将安装好计件读取模块的NFC移动通信终端靠近NFC计件标签获取计件物品数据信息，靠近生产组员NFC移动通信终端或IC卡确认身份并允许领取计件物品，并通过移动通信网络将信息发送至生产管理系统后台;生产管理系统后台获取上述移动通信终端发送的数据信息及移动通信终端的用户信息，根据生产管理规则进行分析判断处理。

　　以上是从系统角色分配上给出的系统介绍，下面从系统应用模块的技术实现上分析系统架构(图1)。基于NFC技术的生产管理系统主要由生产管理系统后台、移动通信终端、NFC标签以及移动通信网络构成。

图1 系统架构

Fig.1 System architecture

　　生产管理系统后台采用B/S结构，在J2EE平台上进行开发，它包含相应的管理软件和后台管理数据库。在功能上包括标签管理子系统、IE子系统、查询子系统以及管控子系统。标签管理子系统提供编码的增、删、改、查功能，同时提供IE部门管理员将计件信息封装为NFC计件标签的格式并写入标签的功能;IE子系统负责工序流程表的输入、输出，以及模板导入功能;查询子系统提供生产组长查看该组当天、当月的计件计量完成情况的功能;管控子系统提供管理员就生产完成情况生成每个员工、每组的各类报表的功能。

　　在移动通信终端上分为四层，分别是NFC硬件通信层、适配层、NFC探测解析开发包以及计件信息读取模块。NFC硬件通信层主要由NFC控制器、安全单元和天线构成。NFC天线接收外部的NFC标签发出的NFC数据信号，NFC控制器将上述接收到的NFC数据信号进行数据模式转换，将NFC射频信号转换为数字信号，安全单元在本系统中采用的是电信C网，选择的是UIM芯片。NFC控制器通过单线通信协议(SWP)与UIM卡之间进行通信。架构上层NFC探测解析开发包则提供关于NDEF(NFC data exchange format, NFC数据交换格式)的探测与解析方法。系统的计件信息读取模块安装在用户的智能手机客户端中，当移动通信终端扫描到带有NDEF的数据标签时，基于Android的NFC探测解析开发包会对数据标签进行读取操作。

　　4.关键技术(Key technologies)

　　4.1 产品编码的实现

　　生产管理系统中，NFC计件标签采用EPC-96编码生成计件物品编码，EPC是存储在NFC标签中的唯一信息，且已经得到UCC和国际EAN两个国际标准的主要监督机构的支持。该编码由一个版本号和另外三段数据(依次为域名管理、对象种类、序列号)组成。各字段含义如图2所示，其中版本号即标志EPC的版本与结构;域名管理是描述与此EPC相关的生产厂商的信息;对象种类记录计件物品的精确类型;序列号唯一标识计件物品的不同批次。

图2 EPC-96编码含义

Fig.2 EPC-96 coding meaning

　　4.2 NFC计件标签类型的选择

　　2006年6月，NFC论坛推出了NFC兼容装置的标准化技术架构、初始规范和标签格式，所有NFC兼容的装置必须支持四种标签格式的初始设置，四种标签类型为ISO1443-A,B、MIFARE、TOPAZ和Felica。在系统设计时需要仔细考虑每种标签类型的相对优缺点，在满足需要的同时兼顾成本和性能的平衡，确定标签格式。

　　在生产管理系统应用中，标签提供的读取速率是需考虑的重要因素。读取速率越高，发生读写“中断”的可能就越小。发生读写中断时，尽管标签和读取器在近距离内，数据却仍不能完整地或准确地传输。因此，读取速率对系统可靠性和用户体验有着直接影响。ISO1443-A专有的“全部读”命令能够一次性读取标签上的所有内容，而不必一次读取一个内存块，这在一定程度上改善了读取性能。同时由于系统中NFC标签的读写器是手机，不需要远距离识别，并且考虑计件产品的唯一编码的长度采用的是EPC编码，只需要96位，综合以上性能与价格成本等多种因素，本系统选择的是ISO1443-A标签标准，106kbit/s的数据传输速率，约10cm的识别距离，标签内存512 位。

　　4.3 NFC计件标签的调度

　　Android手机客户端在本系统中是作为通信中的发起者，也就是作为NFC计件标签的读写器。Android设备的NFC即使在屏幕锁定的状态下也可以处理标签的请求，除非在NFC设备的设置菜单中禁用。NFC计件标签上数据的主要格式是NDEF，当Android设备发现了一个NFC标签，将提供一个特殊的标签调度系统扫描NFC标签并进行分析、解析，并试图找出适合的应用程序来处理。Android对NFC的支持主要在 android.nfc和android.nfc.tech两个包中。通过使用getTechList()方法来判断NFC标签所支持的技术，并且用android.nfc.tech提供的一个类来创建对应的TagTechnology对象。

　　5.结论(Conclusion)

　　基于NFC技术的生产管理系统实现了利用支持NFC功能的手机终端代替应用接收端机具与扫描枪的功能，其产品编码的实现采用的是EPC-96编码;NFC标签类型的选择采用的是ISO1443-A标准;NFC标签的调度使用的是Android标签调度开发包。目前基于NFC技术的生产管理系统已在多家服装生产企业使用，切实降低了客户使用门槛，减少了系统部署成本。

　　基于NFC技术的生产管理系统的设计与实现，为今后NFC技术的嵌入消费管理系统、客户管理系统、商业促销系统、物流管理系统、资产管理系统等各类系统开辟了广阔的应用前景。在未来2—5年，基于NFC技术的各类系统的革新与升级必将给人们的生活带来巨大的变革，引领近距离感应科技的发展方向，成为信息时代的又一个亮点。