傳統(tǒng)標(biāo)簽主要包括條形碼與二維碼等形式，通常被用于庫(kù)存申請(qǐng)、產(chǎn)品追溯等方面。條形碼是應(yīng)用于工業(yè)產(chǎn)品識(shí)別的最基本標(biāo)簽類型，只需要條形碼生成軟件和打印機(jī)就能夠?qū)ξ锢韺?shí)體進(jìn)行標(biāo)識(shí)，具有低成本、操作簡(jiǎn)單、識(shí)別速度明顯快于傳統(tǒng)人工識(shí)別等優(yōu)點(diǎn)。作為條形碼的演進(jìn)形式，二維碼最初被用于對(duì)漢字和假名字符進(jìn)行編碼。與條形碼相比，二維碼能夠存儲(chǔ)更多的數(shù)據(jù)（通常超過(guò)1.8萬(wàn)字節(jié)），通過(guò)普通智能手機(jī)攝像頭即可識(shí)別標(biāo)識(shí)，極大地降低了標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)讀取對(duì)設(shè)備的依賴程度。工業(yè)生產(chǎn)的標(biāo)簽演進(jìn)路線如圖1所示。

圖1   工業(yè)生產(chǎn)標(biāo)簽演進(jìn)路線圖

由于條形碼與二維碼的數(shù)據(jù)讀取存在視距約束，限制了其在設(shè)備眾多的自動(dòng)化生產(chǎn)場(chǎng)景中大規(guī)模應(yīng)用。射頻識(shí)別（RFID）標(biāo)簽技術(shù)支持在一定的非視距范圍內(nèi)（幾厘米到幾米）通過(guò)射頻信號(hào)讀取或?qū)懭霕?biāo)識(shí)信息。與其他傳統(tǒng)標(biāo)簽類似，RFID標(biāo)簽在通常情況下僅作為數(shù)據(jù)容器，或僅提供標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的地址鏈接。雖然在某些情況下能夠通過(guò)修改RFID閱讀器字段或遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)識(shí)信息的動(dòng)態(tài)更新，然而當(dāng)前大部分商用的RFID標(biāo)簽無(wú)法從傳感器采集數(shù)據(jù)，也無(wú)法與人、機(jī)、物進(jìn)行交互。

傳統(tǒng)標(biāo)簽無(wú)法自主動(dòng)態(tài)地更新標(biāo)識(shí)信息，不支持與環(huán)境或周圍人、機(jī)、物動(dòng)態(tài)交互，缺少遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)定位功能；而高效的智能生產(chǎn)恰恰需要對(duì)各個(gè)流程實(shí)施精準(zhǔn)控制，這要求在極低的時(shí)延內(nèi)完成對(duì)各種類型數(shù)據(jù)的采集和分析。因此，傳統(tǒng)標(biāo)簽成為工業(yè)產(chǎn)生效率提高的一大瓶頸。為了優(yōu)化工業(yè)生產(chǎn)流程，有必要使用先進(jìn)的標(biāo)簽系統(tǒng)使產(chǎn)品“更智能”地進(jìn)行信息交互。

電子標(biāo)簽?zāi)軌蛟诓恍枰斯じ深A(yù)的情況下自動(dòng)采集數(shù)據(jù)并與其他設(shè)備進(jìn)行交互協(xié)作，突破了傳統(tǒng)標(biāo)簽的局限性，為產(chǎn)品賦予智能，因此被稱為智能標(biāo)簽。此類標(biāo)簽通常由顯示器、處理單元以及無(wú)線收發(fā)單元組成，通過(guò)嵌入傳感器和執(zhí)行器，采集有價(jià)值的數(shù)據(jù)，并通過(guò)收發(fā)模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆品?wù)器或邊緣服務(wù)器進(jìn)行處理，最后將結(jié)果返回到顯示模塊，為生產(chǎn)人員提供一種無(wú)需外部設(shè)備（如平板電腦、智能手機(jī)等）即可與系統(tǒng)交互的便捷方式，非常適用于智能制造各個(gè)環(huán)節(jié)的實(shí)時(shí)管控。

基于智能標(biāo)簽良好的應(yīng)用前景，Omni-ID公司成功生產(chǎn)出View系列的商用智能標(biāo)簽，并在一些智能工廠中完成部署。然而，智能標(biāo)簽是一個(gè)由多個(gè)模塊組成的復(fù)雜系統(tǒng)，其在大規(guī)模商用之前仍然存在許多挑戰(zhàn)需要克服。

2.1    功能需求

除了考慮不同工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景的個(gè)性化需求外，智能標(biāo)簽系統(tǒng)的設(shè)計(jì)還需要考慮以下基本功能：

● 系統(tǒng)能夠與分散在工廠各處的智能標(biāo)簽交換信息（這一要求表明了通信功能的必要性）。

● 系統(tǒng)能夠?qū)χ悄軜?biāo)簽執(zhí)行遠(yuǎn)程管理操作。例如，將智能標(biāo)簽與產(chǎn)品關(guān)聯(lián)或取消關(guān)聯(lián)。

● 系統(tǒng)能夠以友好的方式為用戶顯示來(lái)自智能標(biāo)簽的反饋信息，并且能夠提供關(guān)于工廠不同部分狀態(tài)的全局概述。

● 系統(tǒng)能夠從智能標(biāo)簽收集請(qǐng)求，這些請(qǐng)求由位置信息或來(lái)自于激活器的命令觸發(fā)。

● 系統(tǒng)能夠通過(guò)數(shù)據(jù)分析來(lái)執(zhí)行預(yù)測(cè)性維護(hù)任務(wù)，檢測(cè)可能的生產(chǎn)瓶頸或?qū)磳l(fā)生的異常事件發(fā)出警告。

2.2    系統(tǒng)模塊

根據(jù)智能標(biāo)簽系統(tǒng)功能需求，系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)如圖2所示，具體的功能模塊介紹如下：

圖2    智能標(biāo)簽系統(tǒng)功能模塊圖

● 傳感和驅(qū)動(dòng)模塊：負(fù)責(zé)采集環(huán)境信息（如溫度、濕度、噪音）、影響智能標(biāo)簽運(yùn)行的各類參數(shù)（如運(yùn)動(dòng)或壓力）以及執(zhí)行器的激活。

● 通信模塊：負(fù)責(zé)智能標(biāo)簽和管理子系統(tǒng)之間的信息交互。

● 控制模塊：負(fù)責(zé)管理來(lái)自通信模塊與傳感和驅(qū)動(dòng)模塊的信息、顯示模塊的內(nèi)容顯示以及電源模塊的功率控制。

● 識(shí)別模塊：保障智能標(biāo)簽的正確識(shí)別。

● 顯示模塊：負(fù)責(zé)向工廠操作員顯示智能標(biāo)簽接收到的信息，由控制模塊直接管理。

● 電源模塊：負(fù)責(zé)為智能標(biāo)簽供電。

● 管理模塊

——管理層：負(fù)責(zé)收集和處理傳感和驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)接收到的信息，并向用戶顯示。

——信息交互層：在適當(dāng)?shù)臅r(shí)隙向智能標(biāo)簽發(fā)送合適的信息或指令，該操作可以由事件自動(dòng)觸發(fā)，也可以由管理員手動(dòng)發(fā)送。

——存儲(chǔ)層：存儲(chǔ)智能標(biāo)簽系統(tǒng)收集和生成的所有數(shù)據(jù)和事件。

智能標(biāo)簽在物理上附著或放置在目標(biāo)對(duì)象附近，因此操作人員可以識(shí)別哪些標(biāo)簽屬于哪些產(chǎn)品。換句話說(shuō)，智能標(biāo)簽系統(tǒng)管理模塊中存在一個(gè)將智能標(biāo)簽與產(chǎn)品標(biāo)識(shí)進(jìn)行邏輯映射的關(guān)聯(lián)函數(shù)。與傳統(tǒng)標(biāo)簽相比，智能標(biāo)簽系統(tǒng)能夠使用特定的操作來(lái)實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)/取消關(guān)聯(lián)、更新和刪除關(guān)系等功能。

2.3    智能標(biāo)簽系統(tǒng)通信架構(gòu)

智能標(biāo)簽系統(tǒng)在不同工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景中需求不盡相同，開(kāi)發(fā)支持智能標(biāo)簽系統(tǒng)的通信架構(gòu)是一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn)。例如，為了節(jié)省能源，智能標(biāo)簽需要大部分時(shí)間處于休眠狀態(tài)，并且能夠被定期喚醒，以確定是否有等待處理的任務(wù)，這意味著必須在節(jié)能和響應(yīng)延遲之間進(jìn)行權(quán)衡。

圖3描述的由管理設(shè)備（在體系結(jié)構(gòu)的頂部）控制的分層架構(gòu)屬于傳統(tǒng)的智能標(biāo)簽系統(tǒng)通信架構(gòu)。管理設(shè)備與網(wǎng)關(guān)層中不同的網(wǎng)關(guān)設(shè)備交互來(lái)自于智能標(biāo)簽的數(shù)據(jù)。當(dāng)管理設(shè)備必須向特定的智能標(biāo)簽發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)向網(wǎng)關(guān)廣播一條消息，指示該智能標(biāo)簽更新信息；當(dāng)智能標(biāo)簽被喚醒時(shí)，將在掛起列表中檢查其標(biāo)識(shí)符，接收來(lái)自網(wǎng)關(guān)設(shè)備的信息。此外，每個(gè)網(wǎng)關(guān)還負(fù)責(zé)管理智能標(biāo)簽請(qǐng)求，其最大管理數(shù)量必須低于前綴閾值。這種通信架構(gòu)適用于絕大多數(shù)智能標(biāo)簽系統(tǒng)，但其存在一個(gè)主要限制：隨著智能標(biāo)簽數(shù)量的增加，管理設(shè)備（通常是一個(gè)中央服務(wù)器）在任務(wù)到達(dá)過(guò)于集中時(shí)存在成為瓶頸的可能性。此外，網(wǎng)關(guān)層的設(shè)備僅作為網(wǎng)關(guān)，其通信服務(wù)全部由管理設(shè)備進(jìn)行控制調(diào)度。因此，傳統(tǒng)的智能標(biāo)簽通信架構(gòu)容易造成管理設(shè)備計(jì)算負(fù)載和網(wǎng)絡(luò)流量過(guò)大，惡化任務(wù)處理時(shí)延，進(jìn)而降低標(biāo)識(shí)請(qǐng)求的用戶體驗(yàn)。

圖3    傳統(tǒng)智能標(biāo)簽通信架構(gòu)

圖4描述了一種演進(jìn)的智能標(biāo)簽通信架構(gòu)，其核心思想為利用邊緣計(jì)算范式從遠(yuǎn)端云（中央服務(wù)器）卸載任務(wù)。具體來(lái)說(shuō)，該通信架構(gòu)包含基礎(chǔ)設(shè)施層、邊緣計(jì)算層以及云計(jì)算層。其中，基礎(chǔ)設(shè)施層由各類智能標(biāo)簽構(gòu)成，負(fù)責(zé)采集與智能生產(chǎn)相關(guān)的數(shù)據(jù)、與周邊設(shè)備、其他智能標(biāo)簽以及邊緣計(jì)算層的各類服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互；邊緣計(jì)算層包含邊緣計(jì)算子層和微云層，主要負(fù)責(zé)為智能標(biāo)簽提供低時(shí)延的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)分析服務(wù)，邊緣計(jì)算子層的不同服務(wù)器能夠協(xié)作處理任務(wù)，若邊緣計(jì)算子層無(wú)法滿足當(dāng)前的任務(wù)處理需求，則將任務(wù)遷移到計(jì)算能力更強(qiáng)的微云層進(jìn)行處理；如果邊緣計(jì)算層的設(shè)備均無(wú)法滿足智能標(biāo)簽的任務(wù)請(qǐng)求，則將任務(wù)重定向到云計(jì)算層，由云管理設(shè)備和第三方為其提供服務(wù)。

圖4    演進(jìn)的智能標(biāo)簽通信架構(gòu)

智能標(biāo)簽系統(tǒng)的功能需求以及各個(gè)模塊的實(shí)現(xiàn)依賴于識(shí)別與通信、定位以及信息處理等關(guān)鍵技術(shù)。

3.1    識(shí)別與通信技術(shù)

RFID技術(shù)是當(dāng)前最為流行的智能標(biāo)簽識(shí)別技術(shù)，其標(biāo)簽系統(tǒng)包含一個(gè)閱讀器和標(biāo)簽，兩者通過(guò)射頻通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)非視距的信息交互，而且在短距離范圍內(nèi)，標(biāo)簽通過(guò)采集閱讀器發(fā)送信號(hào)的能量即可維持運(yùn)行，無(wú)需使用電池供電。

除RFID技術(shù)外，還有其他具有競(jìng)爭(zhēng)力的技術(shù)能夠?yàn)楣I(yè)生產(chǎn)提供更復(fù)雜的數(shù)據(jù)交互服務(wù)。其中，低能量藍(lán)牙（BLE）技術(shù)在工業(yè)環(huán)境下通信距離可達(dá)100m，根據(jù)BLE標(biāo)簽內(nèi)信標(biāo)所發(fā)出的周期信號(hào)，其他BLE標(biāo)簽或設(shè)備能夠?qū)ζ溥M(jìn)行定位和識(shí)別操作，非常適用于具有室內(nèi)定位需求的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景。此外，諸如ZigBee、LoRa、超寬帶、Wi-Fi等技術(shù)在標(biāo)簽識(shí)別和數(shù)據(jù)交互上同樣具有較大的應(yīng)用潛力。

3.2    定位技術(shù)

定位是標(biāo)簽識(shí)別與通信的前提，標(biāo)簽定位的難點(diǎn)在于室內(nèi)定位，需要對(duì)由無(wú)線電波經(jīng)過(guò)反射而引起的多徑效應(yīng)進(jìn)行有效處理，當(dāng)前基于無(wú)線通信的定位技術(shù)主要有以下3類：

（1）基于接收信號(hào)強(qiáng)度指示符（RSSI）進(jìn)行定位。該技術(shù)通過(guò)處理來(lái)自目標(biāo)智能標(biāo)簽的RSSI來(lái)獲得區(qū)域定位水平，其優(yōu)點(diǎn)在于開(kāi)銷與成本低，但定位精度隨環(huán)境變化波動(dòng)較大。

（2）指紋識(shí)別定位。該技術(shù)將RSSI與接收信號(hào)強(qiáng)度（RSS）存儲(chǔ)在同一數(shù)據(jù)庫(kù)中，并將不同信標(biāo)的RSS與特定位置進(jìn)行關(guān)聯(lián)，適合于標(biāo)簽所附產(chǎn)品位置固定不變的工業(yè)場(chǎng)景。

（3）基于到達(dá)時(shí)間與到達(dá)時(shí)間差進(jìn)行定位。該技術(shù)通過(guò)計(jì)算信號(hào)到達(dá)某一標(biāo)簽所需的時(shí)間或到達(dá)標(biāo)簽接收器時(shí)的連續(xù)時(shí)間差來(lái)估計(jì)距離，其精度依賴于內(nèi)部時(shí)鐘的同步性。

3.3    信息處理技術(shù)

在智能標(biāo)簽中，可嵌入具備信息處理功能的不同電子器件。由于微處理器僅消耗較少的能量即可實(shí)現(xiàn)編程操作，計(jì)算能力滿足大部分智能標(biāo)簽的任務(wù)需求，因此常被選擇作為智能標(biāo)簽的信息處理單元。此外，現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）和專用集成電路（ASIC）也可作為智能標(biāo)簽的處理單元。FPGA能夠執(zhí)行對(duì)計(jì)算要求較高的任務(wù)，但開(kāi)發(fā)難度與能耗均比微處理器要高；ASIC專門為特定的應(yīng)用而設(shè)計(jì)，功能強(qiáng)大，功耗較低，但開(kāi)發(fā)成本高達(dá)數(shù)百萬(wàn)美元，因此這類處理器適用于大規(guī)模制造場(chǎng)景。

智能標(biāo)簽技術(shù)是傳統(tǒng)標(biāo)簽技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)、云/邊緣計(jì)算技術(shù)以及傳感器技術(shù)的有機(jī)集合。雖然近年來(lái)智能標(biāo)簽在不同的工業(yè)領(lǐng)域得到了推廣與應(yīng)用，但其仍屬于有待發(fā)展的新興技術(shù)，在大規(guī)模應(yīng)用之前，仍面臨以下挑戰(zhàn)：

（1）環(huán)境條件的影響

濕度、溫度、酸堿度、鹽度等自然環(huán)境參數(shù)都會(huì)對(duì)智能標(biāo)簽操作產(chǎn)生影響。此外，為了應(yīng)對(duì)工業(yè)場(chǎng)景中各種惡劣的工程環(huán)境，智能標(biāo)簽還應(yīng)該能承受一定的壓力或外力沖擊。

（2）通信能力的限制

在工業(yè)生產(chǎn)中存在大量金屬設(shè)備，對(duì)傳統(tǒng)無(wú)線通信產(chǎn)生極大的干擾，智能標(biāo)簽通信系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)需要克服金屬的干擾或采用非電磁通信（如光、超聲波通信）技術(shù)。

（3）準(zhǔn)確的室內(nèi)定位

盡管學(xué)術(shù)界和工業(yè)界在室內(nèi)定位技術(shù)研發(fā)方面取得了顯著的進(jìn)步，但在一些具體的工業(yè)場(chǎng)景中，精確定位仍然是一項(xiàng)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，例如基于電磁定位系統(tǒng)的精確度在金屬環(huán)境中會(huì)顯著降低。此外，對(duì)低成本的通用工業(yè)室內(nèi)定位系統(tǒng)的研發(fā)仍在進(jìn)行中。

（4）成本

以O(shè)mni-ID公司研發(fā)的智能標(biāo)簽為例，根據(jù)具體型號(hào)的不同價(jià)格在65美元~490美元，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)標(biāo)簽的價(jià)格，這嚴(yán)重降低了智能工廠部署智能標(biāo)簽的積極性。

（5）讀取距離、能耗優(yōu)化和電池壽命

雖然諸如LoRa等低功耗通信技術(shù)在設(shè)備節(jié)能上已經(jīng)取得顯著成效，但當(dāng)智能標(biāo)簽屏幕達(dá)到5英寸以上時(shí)，電池壽命會(huì)快速減少到數(shù)周甚至數(shù)天，因此需要優(yōu)化智能標(biāo)簽的整體能耗，延長(zhǎng)其工作壽命。

（6）可擴(kuò)展性

目前，電子貨架標(biāo)簽系統(tǒng)已經(jīng)能夠?qū)崟r(shí)處理數(shù)千個(gè)智能標(biāo)簽，但該系統(tǒng)單向通信（從管理系統(tǒng)到標(biāo)簽），有效負(fù)載很小。智能標(biāo)簽需要與管理器、其他標(biāo)簽實(shí)時(shí)交互各種類型的數(shù)據(jù)，有效載荷較大。隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識(shí)應(yīng)用的不斷推廣，需要負(fù)責(zé)管理的標(biāo)簽數(shù)量將越來(lái)越多，因此未來(lái)智能標(biāo)簽系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須考慮可擴(kuò)展性。

智能標(biāo)簽突破傳統(tǒng)標(biāo)簽的局限性，支持實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集以及與人、機(jī)、物交互，在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)上具有很大的應(yīng)用潛力。本文圍繞智能標(biāo)簽的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、關(guān)鍵技術(shù)以及未來(lái)挑戰(zhàn)展開(kāi)論述，以期能夠?yàn)槲磥?lái)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)大規(guī)模部署智能標(biāo)簽、改善工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識(shí)解析服務(wù)質(zhì)量、提高工業(yè)生產(chǎn)效率提供新的思路。

本文刊于《信息通信技術(shù)與政策》2019年第8期