基于RFID的成箱服裝信息檢測(cè)系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)

朱偉偉，楊朝，俞立群，夏克爾?賽塔爾，徐陽*

基于RFID的成箱服裝信息檢測(cè)系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)

朱偉偉1，楊朝2，俞立群3，夏克爾?賽塔爾1，徐陽1*

（1.新疆大學(xué) 紡織與服裝學(xué)院，烏魯木齊 830046；2.新疆東純興紡織有限公司，新疆 圖木舒克 844000；3.無錫恒燁軟件技術(shù)有限公司，江蘇 無錫 214121）

解決目前服裝企業(yè)存在的服裝量大、品種多、整箱貨運(yùn)盤貨難度大等問題。將RFID技術(shù)與服裝信息管理相結(jié)合，設(shè)計(jì)整箱服裝信息自動(dòng)化采集系統(tǒng)，通過對(duì)系統(tǒng)RFID閱讀器天線數(shù)量及位置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)改進(jìn)RFID標(biāo)簽多叉樹防碰撞算法，以提高服裝信息檢測(cè)系統(tǒng)識(shí)別的可靠性。通過計(jì)算分析，構(gòu)建了閱讀器“M”形四天線空間分布全覆蓋檢測(cè)模型，同時(shí)配合服裝檢測(cè)系統(tǒng)的識(shí)別軟件完成了批量服裝電子標(biāo)簽可靠性檢測(cè)，對(duì)最大服裝包裝箱的檢測(cè)準(zhǔn)確率達(dá)到了100%。在系統(tǒng)的檢測(cè)速度為60 m/min時(shí)，每分鐘的理論識(shí)別量可達(dá)到2 600件。有效提高了服裝信息檢測(cè)系統(tǒng)的可靠性和采集效率。

射頻識(shí)別；服裝電子標(biāo)簽；檢測(cè)系統(tǒng)；防碰撞；可靠性

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展及電子商務(wù)的崛起，服裝產(chǎn)品進(jìn)入了快時(shí)尚消費(fèi)時(shí)代，服裝產(chǎn)品在貨物的存、取、盤等方面呈現(xiàn)出品種多樣、貨物周期短、上新速度快等特點(diǎn)，但是存在投入人力多、識(shí)別精準(zhǔn)度低等諸多問題[1]，限制了服裝企業(yè)從生產(chǎn)到銷售各環(huán)節(jié)的效率。RFID（Radio Frequency Identification）是通過無線射頻進(jìn)行不接觸雙向通信，從被電子標(biāo)簽捆綁的商品上識(shí)別目標(biāo)信息的技術(shù)[2]。目前，優(yōu)衣庫、Zara等服裝零售品牌企業(yè)已經(jīng)將RFID電子標(biāo)簽與服裝吊牌或織嘜相結(jié)合，通過現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)有效提升了企業(yè)的生產(chǎn)和管理效率[3]。在服裝倉儲(chǔ)運(yùn)輸環(huán)節(jié)，整箱服裝RFID多標(biāo)簽閱讀的準(zhǔn)確性和可靠性顯得尤為關(guān)鍵。文中結(jié)合服裝企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)和物流情況，基于RFID技術(shù)構(gòu)建批量服裝信息檢測(cè)系統(tǒng)，著重對(duì)服裝RFID電子標(biāo)簽閱讀器的天線數(shù)量、位置進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)探討電子標(biāo)簽防碰撞閱讀方式，以期提高服裝信息檢測(cè)系統(tǒng)的可靠性和運(yùn)轉(zhuǎn)效率。

1 批量服裝信息檢測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)建

基于物聯(lián)網(wǎng)RFID的閱讀原理，構(gòu)建批量服裝信息檢測(cè)系統(tǒng)，如圖1所示。當(dāng)帶有RFID電子標(biāo)簽的成箱服裝通過傳送帶被傳送到檢測(cè)門時(shí)，每件服裝所攜帶的電子標(biāo)簽與閱讀器天線之間通過電磁場(chǎng)進(jìn)行雙向信息交流。閱讀器通過無線方式對(duì)標(biāo)簽數(shù)據(jù)進(jìn)行采集[4]，同時(shí)將數(shù)據(jù)傳送到電腦端，并儲(chǔ)存于數(shù)據(jù)庫中，從而完成整個(gè)服裝信息自動(dòng)化檢測(cè)流程。

圖1 服裝信息檢測(cè)系統(tǒng)框架

常用的服裝包裝紙箱有多種規(guī)格，其中最大的尺寸為580 mm×400 mm×400 mm，一般可放置200～300 件T恤產(chǎn)品[5]。通過勾股定理可以計(jì)算得出，最大紙箱的最長(zhǎng)斜邊在通過傳送帶時(shí)的最大長(zhǎng)度超過700 mm。由于皮帶兩邊有金屬支撐框架，皮帶與檢測(cè)門之間也有一定間隙，因此設(shè)定檢測(cè)門內(nèi)寬度為900 mm。

為了提高檢測(cè)效率，目前服裝物流行業(yè)普遍采用商用超高頻圓極化閱讀器天線，它具有更大的檢測(cè)覆蓋范圍和天線增益。天線的極化就是閱讀方向上輻射電磁場(chǎng)的空間輻射方向，通過分析商用超高頻圓極化閱讀器天線方向的半功率波瓣寬度可知，天線的覆蓋角度為72°左右[6]，理論識(shí)別距離為2 m。電子標(biāo)簽與天線的距離越近，則標(biāo)簽信息識(shí)別準(zhǔn)確率上升。考慮了各種規(guī)格包裝箱體的高度及傳送帶金屬邊框?qū)﹄姶判盘?hào)的影響[7]，將檢測(cè)門內(nèi)框下沿至傳送帶之間的距離設(shè)計(jì)為1 000 mm。

2 RFID電子標(biāo)簽檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

基于閱讀器天線與電子標(biāo)簽之間信息的交互，閱讀器天線檢測(cè)的覆蓋范圍是整個(gè)服裝信息檢測(cè)系統(tǒng)全覆蓋的重點(diǎn)。當(dāng)常用服裝紙箱的最大尺寸超過閱讀器天線的閱讀范圍時(shí)，就會(huì)發(fā)生閱讀失效和漏讀等現(xiàn)象，不能達(dá)到服裝企業(yè)多標(biāo)簽檢測(cè)全覆蓋的要求。根據(jù)采用的閱讀器天線范圍，設(shè)計(jì)檢測(cè)門的結(jié)構(gòu)，如圖2所示。當(dāng)服裝包裝紙箱可能出現(xiàn)在傳送帶位置或位置等情況下，閱讀器單天線的識(shí)別范圍（虛線及陰影部分）均不能對(duì)多電子標(biāo)簽服裝包裝紙箱進(jìn)行全覆蓋。

圖2 閱讀器單天線識(shí)別范圍

RFID讀寫器的閱讀范圍如圖2所示，可知在其正前方輻射增益范圍內(nèi)的電子標(biāo)簽讀取效果最好[8]。為了解決電子標(biāo)簽全覆蓋問題，在識(shí)別服裝箱體的正上方增設(shè)了雙天線（如圖3所示），從而增大了檢測(cè)范圍。通過計(jì)算雙天線的檢測(cè)范圍可知，對(duì)服裝企業(yè)中常用的最大尺寸箱體檢測(cè)范圍達(dá)到了全覆蓋。

超高頻RFID標(biāo)簽圓極化天線存在極化方向，在產(chǎn)品包裝使用過程中，隨著所在平面轉(zhuǎn)動(dòng)角度的不同，標(biāo)簽的讀取效果也不同。相關(guān)研究表明，在相對(duì)位置從平行到垂直的轉(zhuǎn)變過程中，其識(shí)別準(zhǔn)確性逐漸降低。在電子標(biāo)簽與讀寫器天線平面平行時(shí)，識(shí)別準(zhǔn)確性最高。相對(duì)來說，在標(biāo)簽與讀寫器天線平面互相垂直時(shí)，識(shí)別準(zhǔn)確性最低[9]。當(dāng)服裝上的電子標(biāo)簽隨著服裝放置在紙箱里時(shí)，受到服裝的柔韌性和擺放空間的限制，電子標(biāo)簽有可能出現(xiàn)側(cè)翻或豎直等不同角度放置的情況，因此檢測(cè)系統(tǒng)在檢測(cè)門的正上方和兩側(cè)各設(shè)置了2個(gè)閱讀器天線，如圖4所示。在最大服裝檢測(cè)箱體的檢測(cè)范圍內(nèi)形成了檢測(cè)范圍的全覆蓋，閱讀器的天線在全覆蓋的情況下數(shù)量最少，檢測(cè)重疊范圍最小，檢測(cè)的時(shí)間最短，其檢測(cè)信號(hào)強(qiáng)度和效果也最好。閱讀器四天線構(gòu)成了“M”形空間封閉檢測(cè)模型，提高了檢測(cè)系統(tǒng)的可靠性。

圖3 閱讀器雙天線檢測(cè)范圍

圖4 閱讀器四天線“M”形空間分布模型

3 服裝多標(biāo)簽防碰撞算法

3.1 防碰撞算法

在服裝信息檢測(cè)過程中，閱讀器多天線的每個(gè)天線對(duì)電子標(biāo)簽的識(shí)別是輪流交替進(jìn)行的。閱讀器與電子標(biāo)簽的工作原理[10]：通過第1個(gè)天線發(fā)送超高頻電磁信號(hào)，形成電磁場(chǎng)，當(dāng)電子標(biāo)簽經(jīng)過發(fā)射天線工作區(qū)域時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電流，一部分用來激活電子標(biāo)簽，一部分轉(zhuǎn)變?yōu)殡姶判盘?hào)解碼后，再轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)據(jù)，最后標(biāo)簽將自身編碼等信息通過內(nèi)置天線發(fā)送出去，閱讀器在接收到信號(hào)后對(duì)標(biāo)簽的信息進(jìn)行匹配，則閱讀器和電子標(biāo)簽完成了整個(gè)識(shí)別過程。

在1個(gè)天線的工作范圍內(nèi)，多個(gè)標(biāo)簽同時(shí)與閱讀器互相通信時(shí)占用同一通信通道，標(biāo)簽信號(hào)相互干擾而發(fā)生信道爭(zhēng)奪現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為多標(biāo)簽碰撞。目前，針對(duì)多標(biāo)簽碰撞的防碰撞算法包括ALOHA算法[11]和二進(jìn)制樹型算法[12]。ALOHA算法采用隨機(jī)分配時(shí)隙和識(shí)別地址，對(duì)電子標(biāo)簽的檢測(cè)具有良好的適應(yīng)性，且操作簡(jiǎn)單，但是可能出現(xiàn)檢測(cè)很多次都不能完全檢測(cè)的情況。二進(jìn)制的樹型算法包括二叉樹和四叉樹算法，基本思想是碰撞的電子標(biāo)簽從產(chǎn)生碰撞節(jié)點(diǎn)處不斷產(chǎn)生分支，進(jìn)一步縮小識(shí)別電子標(biāo)簽的數(shù)量，直到只有1個(gè)電子標(biāo)簽回應(yīng)。二叉樹算法在電子標(biāo)簽每次發(fā)生碰撞時(shí)只產(chǎn)生2個(gè)分支，并判斷1個(gè)碰撞位。雖然避免了空閑時(shí)隙，但是隨著標(biāo)簽數(shù)量的增多，其搜索效率會(huì)降低。采用四叉樹算法在搜索時(shí)，每個(gè)碰撞會(huì)產(chǎn)生4個(gè)分支，標(biāo)簽較多時(shí)其檢測(cè)效率較高，但是隨著分支內(nèi)碰撞標(biāo)簽數(shù)量的減少，會(huì)導(dǎo)致空閑時(shí)隙增加。這不僅降低了識(shí)別效率，而且造成識(shí)別時(shí)間增加[13]。由此，為了避免不同算法的局限性，需要改進(jìn)設(shè)計(jì)。

3.2 算法的改進(jìn)

為了改進(jìn)ALOHA算法可能檢測(cè)不完全，以及基于二進(jìn)制的樹型算法耗時(shí)較長(zhǎng)等問題，提出一種ALOHA算法與二進(jìn)制樹型算法相結(jié)合的混合增強(qiáng)型自適應(yīng)多叉樹算法。混合增強(qiáng)型自適應(yīng)多叉樹算法的識(shí)別過程分為標(biāo)簽數(shù)量估計(jì)識(shí)別階段和多叉樹自適應(yīng)識(shí)別階段。

1）首先采用Vogt算法[14]對(duì)服裝包裝箱的標(biāo)簽量進(jìn)行估算，并計(jì)算出時(shí)隙長(zhǎng)度。同時(shí)，利用ALOHA算法識(shí)別標(biāo)簽，并減少待識(shí)別的標(biāo)簽數(shù)量，再根據(jù)待識(shí)別標(biāo)簽數(shù)目確定時(shí)隙長(zhǎng)度，電子標(biāo)簽選擇其自身所響應(yīng)的時(shí)隙，并判斷標(biāo)簽的狀態(tài)。

2）根據(jù)碰撞標(biāo)簽的數(shù)量，將計(jì)算的碰撞因子與推導(dǎo)的碰撞因子相比較，自動(dòng)選擇多叉樹算法的類型，直到電子標(biāo)簽數(shù)量為0，檢測(cè)結(jié)束。

在多叉樹算法下，標(biāo)簽在同一時(shí)間段內(nèi)具有不同的識(shí)別狀態(tài)，即空閑時(shí)隙、成功時(shí)隙、碰撞時(shí)隙，單獨(dú)使用二叉樹或四叉樹算法，都會(huì)導(dǎo)致空閑時(shí)隙或碰撞時(shí)隙增加，造成識(shí)別效率下降。由于目前防碰撞算法采用編碼形式，并利用碰撞信息的前幾位，所以標(biāo)簽越多，則碰撞越多，在總編碼中的占比越大。為了有效利用標(biāo)簽碰撞位數(shù)的信息，用碰撞因子來表示占比。采用這2種算法的重點(diǎn)取決于碰撞因子，通過相關(guān)資料推導(dǎo)出碰撞因子＝0.75[15]。混合增強(qiáng)型自適應(yīng)多叉樹算法流程如圖5所示。

混合增強(qiáng)型自適應(yīng)多叉樹算法檢測(cè)過程如下。

1）在檢測(cè)門的識(shí)別范圍內(nèi)，閱讀器向標(biāo)簽發(fā)送原始指令。

2）采用Vogt算法對(duì)服裝包裝箱的標(biāo)簽量進(jìn)行估算，計(jì)算出時(shí)隙長(zhǎng)度。同時(shí)，利用ALOHA算法識(shí)別標(biāo)簽，減少待識(shí)別的標(biāo)簽總量。

3）閱讀器向標(biāo)簽發(fā)送請(qǐng)求指令（，），為標(biāo)簽對(duì)應(yīng)編碼時(shí)隙的位數(shù)，對(duì)應(yīng)3種不同時(shí)隙的位數(shù)（即時(shí)隙號(hào)）。標(biāo)簽通過時(shí)隙號(hào)來選擇對(duì)應(yīng)的時(shí)隙，然后全部標(biāo)簽得到響應(yīng)。

4）標(biāo)簽根據(jù)自己的序列號(hào)從（0,?1）時(shí)隙中選擇對(duì)應(yīng)的時(shí)隙號(hào)。有空閑、識(shí)別、碰撞等3種狀態(tài)。在識(shí)別時(shí)，成功檢測(cè)到1個(gè)標(biāo)簽后，此標(biāo)簽靜默，進(jìn)行下一次檢測(cè)。在空閑時(shí)，如果無標(biāo)簽響應(yīng)，則進(jìn)行下一步。在識(shí)別時(shí)，存在2個(gè)及以上標(biāo)簽之間的碰撞時(shí)，檢測(cè)系統(tǒng)按照自適應(yīng)多叉樹算法進(jìn)行處理，閱讀器端對(duì)多個(gè)電子標(biāo)簽進(jìn)行解碼，然后計(jì)算碰撞因子。當(dāng)＜0.75時(shí)，選擇完全二叉樹防碰撞算法。當(dāng)≥0.75時(shí)，選擇四叉樹防碰撞算法。

5）判斷標(biāo)簽是否全部識(shí)別。

6）當(dāng)標(biāo)簽數(shù)量未全部識(shí)別時(shí)，則轉(zhuǎn)到步驟2）循環(huán)執(zhí)行。

7）直到標(biāo)簽數(shù)量為0，所有標(biāo)簽被識(shí)別，算法結(jié)束。

防碰撞算法性能的優(yōu)劣取決于識(shí)別效率、識(shí)別時(shí)間。由圖5可以看出，混合增強(qiáng)型自適應(yīng)多叉樹算法在估計(jì)標(biāo)簽數(shù)量后，利用ALOHA算法的優(yōu)勢(shì)識(shí)別部分標(biāo)簽，再結(jié)合2種二進(jìn)制樹型算法的識(shí)別優(yōu)勢(shì)，完成剩余標(biāo)簽在不同情況下的檢測(cè)。在實(shí)際應(yīng)用檢測(cè)中，這種算法需要的檢測(cè)時(shí)間更少、效率更高，且能保證標(biāo)簽的識(shí)別準(zhǔn)確率。

4 實(shí)際應(yīng)用

以無錫恒燁軟件科技有限公司的服裝信息檢測(cè)設(shè)備（型號(hào)為HY-TG-2001）為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，采用優(yōu)化的RFID信息采集系統(tǒng)對(duì)200件帶有RFID電子吊牌的素色襪包裝箱進(jìn)行信息采集測(cè)試。考慮到服裝包裝箱體在信息采集過程中的連續(xù)性和工作人員的安全性，設(shè)置傳送系統(tǒng)的運(yùn)行速度為60 m/min，重點(diǎn)考察了箱體間距對(duì)信息采集可靠性的影響。如表1所示，當(dāng)服裝信息檢測(cè)箱體之間的距離（1.2～1.8 m）增大時(shí)，由表1可知，在間距小于1.5 m時(shí)出現(xiàn)了誤讀，且間距越小，誤讀的數(shù)量越多，檢測(cè)的準(zhǔn)確率越低。由于后一箱服裝電子標(biāo)簽出現(xiàn)在正在檢測(cè)箱體的檢測(cè)范圍內(nèi)，所有進(jìn)入檢測(cè)范圍內(nèi)的電子標(biāo)簽信息都會(huì)被系統(tǒng)采集，且檢測(cè)重疊范圍越大，檢測(cè)的誤差率越高。只有當(dāng)箱體間距大于1.5 m時(shí)，才能保證箱體內(nèi)RFID電子吊牌信息采集的準(zhǔn)確率為100%。在此條件下服裝每分鐘的理論識(shí)別量可達(dá)到2 600 件，有效提高了服裝企業(yè)的物流信息自動(dòng)化采集需求。

表1 不同間距箱體服裝數(shù)量檢測(cè)結(jié)果

Tab.1 Test results of clothing quantity of different box spacing

5 結(jié)論

通過充分了解服裝行業(yè)信息管理的難點(diǎn)，基于RFID技術(shù)設(shè)計(jì)了符合服裝企業(yè)使用的信息檢測(cè)系統(tǒng)，并通過設(shè)計(jì)閱讀器四天線“M”形空間位置方案，對(duì)多叉樹防碰撞算法進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。最后，在實(shí)際檢測(cè)過程中測(cè)試出最合適的識(shí)別間距，從而提高了系統(tǒng)的識(shí)別可靠性和識(shí)別效率。文中從系統(tǒng)的軟硬件方面來提高系統(tǒng)檢測(cè)的可靠性，為提高服裝信息檢測(cè)的準(zhǔn)確性提供了參考，但是并未考慮實(shí)際應(yīng)用中外界的影響因素，后續(xù)應(yīng)對(duì)服裝包裝箱體大規(guī)模識(shí)別的影響因素進(jìn)行研究，如周圍環(huán)境中的金屬、標(biāo)簽的彎曲等，進(jìn)一步提高檢測(cè)系統(tǒng)的可靠性。

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Reliability Design of Box Clothing Information Detection System Based on RFID

ZHU Weiwei1, YANG Chao2, YU Liqun3,XIAKEER Saitaer1,XU Yang1*

(1. School of Textile and Clothing, Xinjiang University, Urumqi 830046, China; 2. Xinjiang Dongchunxing Textile Co., Ltd., Xinjiang Tumushuke 844000, China; 3. Wuxi Hengye Software Technology Co., Ltd., Jiangsu Wuxi 214121, China)

The work aims to solve problems such as large quantity, many varieties, and difficulty of freight container in current clothing enterprises. The RFID technology was combined with clothing information management. An automatic collection system of clothing information was designed. Through the optimization design of RFID reader antenna number and location deployment of the system, the multi-way tree anti-collision algorithm of RFID tags was improved, so as to improve the reliability of clothing information detection system identification. After calculation analysis, a "M" type four-antenna spatial distribution full coverage detection model was built for the reader. With the cooperation of the clothing detection system identification software, the batch clothing electronic label reliability detection experiment was completed. The maximum clothing packing box detection accuracy reached 100%, and the system detection speed reached 60 m/min. The theoretical identification reached 2 600 pieces per minute. It effectively improves the reliability and collection efficiency of the garment information detection system.

radio frequency identification; electronic label of clothing; detection system; collision prevention; reliability

TS04；TB486

A

1001-3563(2024)07-0175-05

10.19554/j.cnki.1001-3563.2024.07.022

2023-08-27

新疆維吾爾自治區(qū)科技支疆項(xiàng)目計(jì)劃（2020E0239）

通信作者