Современные педагогические технологии/Компьютерная инженерия

Доктор пед. наук Криворучко В.А., магистрант Базарканов С.Б.

Павлодарский государственный университет им. С. Торaйгыровa,

(Казахстан, г. Пaвлодaр)

Модель системы по контролю движения материального потока в промышленной логистике на базе Arduino

С изобретением и широким распространением микроконтроллеров появились небывалого разнообразия возможности для развития пользовательской электроники. Одна из сфер применения программируемых чипов – различные системы контроля на базе контроллеров ATMega. Такие системы разрабатываются и продаются, но цены на готовые комплексы представляются чрезмерно большими. Например, стоимость минимального комплекта программного обеспечения (ПО) SP09 от ведущего российского производителя систем безопасности и мониторинга – PERCo составляет порядка 265 евро [1].

Необходимость расходов, которые несут потребители для того, чтобы возместить производителям постоянные затраты материальных, человеческих ресурсов (на производство преграждающих устройств, печатных плат и т.д.) не вызывает сомнений. Однако, в смете имеет место и программное обеспечение. Проприетарное программное обеспечение окупив затраты на разработку продажами некоторого количества своих лицензий, не может продолжать также высоко цениться. Тем временем по всему миру разворачиваются проекты категории freeandopen-sourcesoftware (FOSS), а исходный код различных уважаемых, известных платных решений становится общедоступным. Последнее нередко происходит в связи с давлением перспективы быть вытесненными с рынка из-за нерентабельности использования в сравнении с применением свободных аналогов.

Разработки систем по контролю и управлению доступом на платформе Arduino с применением устройств считывания бесконтактных микросхем RFID RC522 побудили к исследованию возможности использования RFID технологии в производственной логистике.

Технология RFID (Radio Frequency IDentification – радиочастотная идентификация) широко используется в логистике, торговле и в системах аутентификации [2].

В этой связи считаем, что разработка системы с использованием плат Arduino базирующиеся на микроконтроллерах ATMega328 с подключением к ним модулей считывания RFID меток является актуальным, так как применение RFID меток как средства идентификации при передвижении сырья и других материальных ценностей в производственной логистике, дает возможность идентифицировать объекты и фиксировать время их считывания, что дает возможность проводить дальнейшую обработку в целях контроля логистического процесса. В данной работе в качестве объекта определено транспортное средство, при помощи которого осуществляется перемещение материальных потоков. Радиочастотная идентификация проходит на местах отгрузки и отправки грузов, а программное обеспечение выполняет интеллектуализированный отчет о ходе выполнения работы, которое помогает в принятии определенных производственных решений лицу ответственному за данный этап работы. Именно идентификация по транспортному средству дает возможность автоматизировать процесс ввода и обработки дынных.

Основной причиной использования платы Arduino послужил низкий порог вхождения в процесс разработки с применением технологии OneWire: готовые IDE (англ. Integrated Development Environment), набор открытых библиотек и примеров к ним, дешевизна оборудования для программирования контроллера [3].

Wire (OneWire) – технология, изобретённая для упрощения и удешевления подключения небольших, не требующих высокой мощности питания и пропускной способности канала устройств. Данная технология позволяет подключать по одному физическому каналу несколько устройств, управляющихся одноимённым протоколом [4]. Эта возможность обеспечивается используемым принципом передачи данных. Биты синхронизируются временными слотами (TimeSlots) и определяются их продолжительностью. Для работы системы потребуется библиотека OneWire [5].

Устройством для хранения идентификационных данных являются RFID метки – оригинальное семейство микросхем. RFID-метки стоят из двух частей, первая часть – это интегральная схема (ИС) для хранения идентификационного кода метки, обработки, модулирования и демодулирования радиочастотного (RF) сигнала. Вторая часть – это антенна для приёма и передачи сигнала [2].

Идея исследования состоит в том, что если движение вещественных объектов, к которым относятся энергоносители, сырьё, материалы, незавершенное производство и т.д. на всех стадиях общественного производства будет фиксироваться с помощью пассивных RFID меток, то соответственно информационной системой ведется интеллектуальный анализ и мониторинг поставки объекта на тот или иной этап производства. Анализ предполагает собой количественный подсчет объектов на входе/выходе, ведется мониторинг передвижения и расчет потерь на том или ином этапе производства и оказывает помощь в принятии решений.

Основная схема передачи идентификационного кода (UID) с RFID меток и обработка полученных данных со считывателя выглядит следующим образом, как показано на рис. 1.

Рис. 1. Передача UID на считыватель и поступление кода в программу для ее обработки.

В исследуемой работе носителем радиочастотной идентификации является транспортное средство, которое является средством перемещения материальных потоков. Считыватели меток радиочастотной идентификации (RFID) расположены на пунктах регистрации, пунктами регистрации являются точки отгрузки и загрузки грузов. Соответственно передача считанных данных в серверное хранилище данных может осуществляться различными сетевыми технологиями.

В нашем исследовании были использованы радиочастотные метки. По источнику питания RFID-метки делятся на активные и пассивные. Пассивные RFID-метки не имеют встроенного источника энергии, а активные RFID-метки обладают собственным источником питания и не зависят от энергии считывателя. Соответственно для данного исследования необходимо использовать качественные метки с хорошим сигналом антенны.

Работа контроллера состоит в считывании радиочастотного идентификатора и отправке информации контролирующей системе посредством интерфейса USB и ожидании новой метки. Со стороны ПО на персональном компьютере пользователям, в соответствии с уровнем их прав, предоставляются различные возможности взаимодействия с системой. При получении данных от контроллера производится сверка UID (англ. UserIdentifier – идентификатор пользователя) с хранимыми в базе данных кодами UID и, в случае совпадения, на мониторе отображается информация. Также был разработан простой протокол взаимодействия.

Построенная общая модель системы по контролю движения материального потока, показана на рис. 2, которая отображает полную картину работы всей системы в целом. Весь процесс работы основывается на работе с программным обеспечением и базой данных. Сначала формируется база транспортных средств, зарегистрированных с радиочастотным идентификатором, т.к. идентификация происходит именно по транспортному средству. Далее менеджер системы оформляя груз прикрепляет его к конкретному транспортному средству, на пунктах регистрации, которыми могут служить места отгрузки грузов при пересечении антенны считывателя, т.е. при взаимодействии RFID метки со считывателем передается считанный код в регистрационную службу программного обеспечения, где на постоянной основе прослушиватель (Listener) порта фиксирует входные данные со считывателя и обрабатывает их.

Рис. 2. Модель системы по контролю движения

материального потока.

Соответственно руководитель или лицо ответственное за контроль данного процесса получает отчет по итогам транспортировки материальных потоков. Чтобы ускорить процесс реализации, была создана визуализация протокола в виде блок-схемы (рис. 3).

Выбранная в качестве базы для разработки системы платформа Arduino снабжена специализированным ПО. Бесплатно распространяемая интегрированная среда разработки Arduino IDE 1.6.1 предоставляет условия для удобного написания, компилирования и загрузки управляющего кода.

Пользователи ПО могут обладать одним из 3-х типов привилегий: администратор, менеджер, клиент. Для каждого из них предусмотрен индивидуальный интерфейс, позволяющий клиенту по ID груза просматривать информации по местонахождению груза, директору – просматривать журнал регистрации транспортных средств предприятия на пунктах регистрации транспортных средств, менеджеру вести учет и оформлять груз, обеспечивать работоспособность системы.

Рис. 3. Блок-схемы визуализации протокола

Данные RFID метки добавляются вместе с регистрацией нового транспортного средства, после чего серверная часть приложения проводит обработку считанной метки на каждом пункте регистрации с фиксацией в журнале регистрации (рис. 4).

Рис. 4. Интерфейс формы журнала регистрации

Журнал регистрации как серверная часть приложения является основной частью работы системы, так как в данной форме работает прослушиватель порта, который при отправке кода UID от контроллера к ПК немедленно обрабатывает ее и вносит в базу, соответственно внеся в таблицу регистрации дату, время и данные пункта регистрации, т.е. порядковый номер считывателя.

Следует отметить, что результатом данного исследования является программное обеспечение, которое может действовать в комплексе с платформой Arduino и устройством считывания RFID RC522. Также важной особенностью данной работы является дешевизна результата исследования относительно готовых решений.

Для примера возьмем комплект ПО и оборудования PERCo-KT02.3 с активированным PERCo-SP13, его стоимость составит порядка 1135 евро [6].

Стоимость же компонентов для разработанной системы представлена в таблице 1.

Таблица 1. Итоговая стоимость компонентов

Обозначение	Кол-во	Тип	Свойства	Стоимость
LED1	1	RGB LED	4-х контактный RGB светодиод	0,93 € / 1 шт.
R3,R4,R5,R6	4	220Ωрезистор	допуск ± 5% сопротивление 220Ω	1,74 € / 200 шт.
SG1	1	Buzzer 12mm	Зуммер 12мм	0,79 € / 1 шт.
	1	МК	ArduinoUNO(Rev. 3)	5,19 €/ 1 шт.
Итого: ~ 9 €

Цена на комплектующие, в модели данной системы, составляет менее 5% от цены, установленной за комплект оборудования, поставляемого известными производителями.

Ожидается увеличение (не более, чем в два раза) издержек за счёт добавления таких периферийных компонентов, как удлинённые кабели (USB и провода к интерфейсам считывания) и корпус из оргстекла или подобного материала.

Литература:

1. Комплекты ПО S-20 https://www.perco.ru/products/sistemy-kontrolya-dostupa/sistema-kontrolya-dostupa-s-20/komplekty-programmnogo-obespecheniya/

2. RFID https://ru.wikipedia.org/wiki/RFID

3. Arduino, датчики и сети для связи устройств. Том Иго. Перевод: Сергей Таранушенко Издательство: БХВ-Петербург Год: 2015 ISBN: 978-5-9775-3566-3 Страниц: 544

4. OneWirehttp://en.wikipedia.org/wiki/1-Wire

5. Latest version of the library http://playground.arduino.cc/Learning/ OneWire

6. Прайс-лист электронные проходные с ПО https://www.perco.ru/ download/price/price_PERCo.pdf