RFID 射頻芯片在倉(cāng)庫(kù)定位中的應(yīng)用

宋 騁

（天杭辦公耗材（杭州）有限公司，浙江 杭州 311100）

傳統(tǒng)倉(cāng)庫(kù)的管理，都是通過(guò)人工來(lái)完成的，而這樣的管理方式存在著諸多的問(wèn)題，首先，倉(cāng)庫(kù)物品的信息傳遞速度慢，而且隨著物品數(shù)量的增多，會(huì)導(dǎo)致物品比較難定位。為了能夠提高倉(cāng)庫(kù)的管理效率，能夠?qū)崿F(xiàn)倉(cāng)庫(kù)物品的精準(zhǔn)定位，所以考慮使用無(wú)線射頻識(shí)別（radio frequency identification，RFID），由于RFID 可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和檢索，具有精度高、識(shí)別速度快的優(yōu)點(diǎn)，抗干擾能力比較強(qiáng)，可以同時(shí)進(jìn)行多個(gè)目標(biāo)的識(shí)別，所以將其應(yīng)用于倉(cāng)庫(kù)的管理中。

目前，對(duì)于使用RFID 進(jìn)行定位的算法，已經(jīng)做了廣泛的研究，最常用的定位算法，根據(jù)參考量的不同，可以分為到達(dá)時(shí)間定位（TOA）、信號(hào)強(qiáng)度定位（RSSI）、到達(dá)時(shí)差定位（TDOA），以及方向測(cè)量定位（AOA）這四種。而利用RSSI 定位系統(tǒng)的定位法，直接獲取讀寫(xiě)器接收的信號(hào)，并不需閱讀器之間進(jìn)行嚴(yán)格的時(shí)間同步，而且也不需要昂貴陣列接收天線，所以就可以利用RFID 搭建定位系統(tǒng)。由于在倉(cāng)庫(kù)管理中，所管理的物品較多，那么就應(yīng)該考慮使用簡(jiǎn)單、低成本的定位系統(tǒng)，盡管使用此定位法的精度相對(duì)其余三種較低，但是，使用RSSI 定位系統(tǒng)具有簡(jiǎn)單、低成本的特點(diǎn)，可以完全滿(mǎn)足倉(cāng)庫(kù)定位的需求。在RSSI 定位系統(tǒng)中，最常用的算法是三邊測(cè)量定位算法，以及三角形質(zhì)心定位算法，主要就是通過(guò)測(cè)量每個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的信號(hào)強(qiáng)度，轉(zhuǎn)換為距離的值，在根據(jù)其特定的幾何關(guān)系，確定具體的位置。現(xiàn)代倉(cāng)庫(kù)的物品種類(lèi)繁多，以往堆積式的緊湊型倉(cāng)庫(kù)，已經(jīng)逐漸被現(xiàn)代化的倉(cāng)庫(kù)代替。在這樣的環(huán)境之下，使用傳統(tǒng)RFID 定位技術(shù)，就必須得使信號(hào)強(qiáng)度3 度覆蓋，也即區(qū)域中的每點(diǎn)至少被三個(gè)以讀寫(xiě)器為圓心，最大信號(hào)強(qiáng)度為半徑的圓形覆蓋，通過(guò)信號(hào)強(qiáng)度的3 度覆蓋才能實(shí)現(xiàn)該區(qū)域的定位，那么就避免不了布線的復(fù)雜、硬件浪費(fèi)，也增加了算法的復(fù)雜程度。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)如圖1 所示，本系統(tǒng)我們采用了傳感器模塊來(lái)對(duì)環(huán)境信息進(jìn)行檢測(cè)，然后通過(guò)ZigBee 來(lái)將收集到的信息上傳到遠(yuǎn)程的監(jiān)控系統(tǒng)中，使用多傳感融合技術(shù)，來(lái)對(duì)收集到的信息進(jìn)行處理，來(lái)實(shí)現(xiàn)倉(cāng)庫(kù)的智能控制。而RFID 標(biāo)簽發(fā)出信號(hào)，通過(guò)三邊測(cè)量算法，計(jì)算出貨物的位置信息，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位。

2 模塊的設(shè)計(jì)

倉(cāng)庫(kù)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)，按照三層模塊進(jìn)行規(guī)劃，根據(jù)倉(cāng)庫(kù)的自動(dòng)化管理、信息化建設(shè)流程要求，我們將該系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)感知、處理、傳輸這三個(gè)部分。

圖1 倉(cāng)庫(kù)定位追蹤整體設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)感知

數(shù)據(jù)感知模塊，主要就是對(duì)倉(cāng)庫(kù)的物品信息進(jìn)行一個(gè)采集。在倉(cāng)庫(kù)的定位和追蹤中，需要采集的信息主要有兩個(gè)部分，第一部分是倉(cāng)庫(kù)環(huán)境參數(shù)，第二部分就是貨物的信息。對(duì)于倉(cāng)庫(kù)環(huán)境參數(shù)信息的采集，主要是通過(guò)在倉(cāng)庫(kù)中的一系列傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)環(huán)境信息的采集，而貨物信息，則是通過(guò)RFID 識(shí)別標(biāo)簽來(lái)對(duì)存儲(chǔ)的貨物信息進(jìn)行收集，主要就是收集貨物的入庫(kù)時(shí)間、出庫(kù)時(shí)間、貨物的類(lèi)型、貨物的狀態(tài)信息。其中倉(cāng)庫(kù)定位和追蹤系統(tǒng)所需要的設(shè)備主要是：

（1）溫濕度傳感器，負(fù)責(zé)采集倉(cāng)庫(kù)中的溫濕度信息，選用DHT11 型號(hào)的溫濕度傳感器，此款傳感器，已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出，其優(yōu)點(diǎn)是體積小巧、操作簡(jiǎn)單、功耗低。

（2）光照度傳感器，主要負(fù)責(zé)采集倉(cāng)庫(kù)中的光照度信息，選用GY-30 型號(hào)的光照度傳感器，此款傳感器，內(nèi)置模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，直接實(shí)現(xiàn)數(shù)字輸出，其光照識(shí)別范圍大、功耗低、精度高的優(yōu)點(diǎn)，可以適用于倉(cāng)庫(kù)的使用。

（3）RFID 標(biāo)簽，主要負(fù)責(zé)采集倉(cāng)庫(kù)貨物的基本信息。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸

數(shù)據(jù)的傳輸模塊，主要就是負(fù)責(zé)將采集的數(shù)據(jù)上傳。該系統(tǒng)的傳輸模塊，需要一種短距無(wú)線通信系統(tǒng)。所以采用ZigBee 協(xié)議，由于其復(fù)雜度低、功耗低、速率低，以及成本低的特點(diǎn)，可以滿(mǎn)足系統(tǒng)的需求。

ZigBee 無(wú)線傳感網(wǎng)，主要有3 種邏輯設(shè)備類(lèi)型：協(xié)調(diào)器、路由器及終端設(shè)備。而ZigBee 模塊，采用的型號(hào)是CC2530。協(xié)調(diào)器和路由器都是由核心板、底板組成，前者負(fù)責(zé)的是網(wǎng)絡(luò)的配置、維護(hù)、啟動(dòng)，以及節(jié)點(diǎn)的驗(yàn)證，后者負(fù)責(zé)的是數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)；終端設(shè)備，則是由多傳感器構(gòu)成，負(fù)責(zé)的是數(shù)據(jù)采集。

2.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理，負(fù)責(zé)的是對(duì)收集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理。此模塊，分為兩個(gè)部分，倉(cāng)庫(kù)貨物定位和倉(cāng)庫(kù)環(huán)境檢測(cè)。

針對(duì)倉(cāng)庫(kù)環(huán)境的監(jiān)控，由于倉(cāng)庫(kù)的管理系統(tǒng)所收集到的環(huán)境數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，所以就采用多傳感信息融合技術(shù)，來(lái)對(duì)收集到的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。多傳感信息融合，也可以稱(chēng)為多傳感器數(shù)據(jù)融合。多傳感信息融合，其具有穩(wěn)定、精度高、抗識(shí)別能力高等優(yōu)勢(shì)。到目前為止，針對(duì)多傳感信息融合的模型及融合的方法，并沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。各個(gè)行業(yè)根據(jù)自己的需求，來(lái)制定自己的一套融合的方法，常見(jiàn)的融合方法有D-S 證據(jù)推理、模糊邏輯推理、卡爾曼濾波等。通過(guò)傳感器，來(lái)進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的采集，由于傳感器本身具有一定誤差或由于傳感器的放置位置不同帶來(lái)一定的誤差，所以收集到的數(shù)據(jù)和實(shí)際相比出現(xiàn)偏差，導(dǎo)致后續(xù)的倉(cāng)庫(kù)環(huán)境判斷不準(zhǔn)確。所以該系統(tǒng)中，我們利用卡爾曼濾波算法去解決判斷不準(zhǔn)確的問(wèn)題。這種算法，是利用線性系統(tǒng)的狀態(tài)方程，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的輸入和輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行觀察，對(duì)系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行最優(yōu)估計(jì)算法。按照多傳感融合技術(shù)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將得到的精準(zhǔn)倉(cāng)庫(kù)環(huán)境信息與所生產(chǎn)過(guò)程中的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)對(duì)比之后的差值，來(lái)發(fā)出相應(yīng)的調(diào)節(jié)指令，從而達(dá)到預(yù)設(shè)的目的。

針對(duì)倉(cāng)庫(kù)貨物的定位，原先存在的空間定位系統(tǒng)雖說(shuō)已經(jīng)相當(dāng)完善，但是應(yīng)用的范圍局限于室外。室內(nèi)環(huán)境相比室外環(huán)境來(lái)說(shuō)，具有狹小、障礙物多的特點(diǎn)，所以原有的系統(tǒng)不能夠滿(mǎn)足這樣的環(huán)境。在對(duì)比了目前常用的室內(nèi)定位方式基礎(chǔ)之上，以倉(cāng)庫(kù)管理的具體情況為參照，應(yīng)用了模糊數(shù)字理論，采用RSSI 進(jìn)行智能節(jié)電，以及待定位貨物的距離進(jìn)行一個(gè)估算。RSSI 是一種無(wú)線信號(hào)，其同一般信號(hào)一樣會(huì)受影響，它的大小，是隨著收發(fā)方的距離增大，逐漸減少，但是減小是非線性的。RSSI 是不穩(wěn)定的測(cè)量指標(biāo)，通過(guò)一定的算法，可以將定位誤差降低到可忽略的范圍之內(nèi)。其中，影響RSSI 的因素主要分為：功率因素、收發(fā)點(diǎn)相對(duì)角度、多對(duì)收發(fā)節(jié)點(diǎn)存在時(shí)的因素、環(huán)境因素。

本次采用的三邊測(cè)量法，來(lái)對(duì)貨物的精準(zhǔn)貨物進(jìn)行計(jì)算。其中，三邊測(cè)量法如圖2 所示，我們將未知貨物的坐標(biāo)設(shè)置為（x，y），而已知的三個(gè)物品的位置分別為（x1，y1）、（x2，y2）、（x3，y3），那么未知的貨物節(jié)點(diǎn)到已知貨物節(jié)點(diǎn)的距離分別為d1、d2、d3，那么可以得到：

聯(lián)立方程組，可以得未知貨物的坐標(biāo)（x，y），繼而對(duì)貨物進(jìn)行精準(zhǔn)的定位。

圖2 三邊測(cè)量法

3 結(jié)束語(yǔ)

本文主要研究的就是利用傳感器與RFID 技術(shù)在倉(cāng)庫(kù)中的定位與追蹤管理，可以實(shí)現(xiàn)倉(cāng)庫(kù)環(huán)境的實(shí)時(shí)檢測(cè)，同時(shí)利用RFID 射頻芯片還可以對(duì)貨物進(jìn)行準(zhǔn)確的定位，這樣可以方便對(duì)貨物進(jìn)行尋找，大大地節(jié)省了人力和物力，實(shí)現(xiàn)了倉(cāng)庫(kù)貨物管理的自動(dòng)化。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)表明，和傳統(tǒng)的人工倉(cāng)庫(kù)管理相比較，該系統(tǒng)不僅可以大大地提升物品信息的處理速率和準(zhǔn)確率，還增加了其他的功能，可達(dá)到對(duì)于倉(cāng)庫(kù)的智能管理的要求；和傳統(tǒng)的利用條型碼技術(shù)的倉(cāng)庫(kù)貨物管理技術(shù)相比較，雖然兩種方法在處理庫(kù)存物品的基本信息的效率，以及準(zhǔn)確率差別不大，但是當(dāng)利用RFID 之后，可以大大地增加尋找貨物的速度，不需要人工對(duì)物品進(jìn)行逐次的查看，幫助倉(cāng)庫(kù)管理員提高了針對(duì)倉(cāng)庫(kù)貨物管理出入庫(kù)的效率，并且可以最大限度地減少因?yàn)榄h(huán)境的改變而導(dǎo)致貨物發(fā)生霉變、腐蝕等問(wèn)題。可以大大地提升倉(cāng)庫(kù)的管理效率，為企業(yè)節(jié)約了成本，具有比較高的實(shí)用價(jià)值。