RFID 射頻芯片在倉庫定位中的應(yīng)用

宋 騁

（天杭辦公耗材（杭州）有限公司，浙江 杭州 311100）

傳統(tǒng)倉庫的管理，都是通過人工來完成的，而這樣的管理方式存在著諸多的問題，首先，倉庫物品的信息傳遞速度慢，而且隨著物品數(shù)量的增多，會導(dǎo)致物品比較難定位。為了能夠提高倉庫的管理效率，能夠?qū)崿F(xiàn)倉庫物品的精準(zhǔn)定位，所以考慮使用無線射頻識別（radio frequency identification，RFID），由于RFID 可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和檢索，具有精度高、識別速度快的優(yōu)點，抗干擾能力比較強，可以同時進行多個目標(biāo)的識別，所以將其應(yīng)用于倉庫的管理中。

目前，對于使用RFID 進行定位的算法，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，可以分為到達時間定位（TOA）、信號強度定位（RSSI）、到達時差定位（TDOA），以及方向測量定位（AOA）這四種。而利用RSSI 定位系統(tǒng)的定位法，直接獲取讀寫器接收的信號，并不需閱讀器之間進行嚴(yán)格的時間同步，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)。由于在倉庫管理中，所管理的物品較多，那么就應(yīng)該考慮使用簡單、低成本的定位系統(tǒng)，盡管使用此定位法的精度相對其余三種較低，但是，使用RSSI 定位系統(tǒng)具有簡單、低成本的特點，可以完全滿足倉庫定位的需求。在RSSI 定位系統(tǒng)中，最常用的算法是三邊測量定位算法，以及三角形質(zhì)心定位算法，主要就是通過測量每個節(jié)點之間的信號強度，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)代倉庫的物品種類繁多，以往堆積式的緊湊型倉庫，已經(jīng)逐漸被現(xiàn)代化的倉庫代替。在這樣的環(huán)境之下，使用傳統(tǒng)RFID 定位技術(shù)，就必須得使信號強度3 度覆蓋，也即區(qū)域中的每點至少被三個以讀寫器為圓心，最大信號強度為半徑的圓形覆蓋，通過信號強度的3 度覆蓋才能實現(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，也增加了算法的復(fù)雜程度。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計

系統(tǒng)的設(shè)計如圖1 所示，本系統(tǒng)我們采用了傳感器模塊來對環(huán)境信息進行檢測，然后通過ZigBee 來將收集到的信息上傳到遠程的監(jiān)控系統(tǒng)中，使用多傳感融合技術(shù)，來對收集到的信息進行處理，來實現(xiàn)倉庫的智能控制。而RFID 標(biāo)簽發(fā)出信號，通過三邊測量算法，計算出貨物的位置信息，實現(xiàn)精準(zhǔn)定位。

2 模塊的設(shè)計

倉庫定位系統(tǒng)設(shè)計，按照三層模塊進行規(guī)劃，根據(jù)倉庫的自動化管理、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、傳輸這三個部分。

圖1 倉庫定位追蹤整體設(shè)計

2.1 數(shù)據(jù)感知

數(shù)據(jù)感知模塊，主要就是對倉庫的物品信息進行一個采集。在倉庫的定位和追蹤中，需要采集的信息主要有兩個部分，第一部分是倉庫環(huán)境參數(shù)，第二部分就是貨物的信息。對于倉庫環(huán)境參數(shù)信息的采集，主要是通過在倉庫中的一系列傳感器來實現(xiàn)環(huán)境信息的采集，而貨物信息，則是通過RFID 識別標(biāo)簽來對存儲的貨物信息進行收集，主要就是收集貨物的入庫時間、出庫時間、貨物的類型、貨物的狀態(tài)信息。其中倉庫定位和追蹤系統(tǒng)所需要的設(shè)備主要是：

（1）溫濕度傳感器，負(fù)責(zé)采集倉庫中的溫濕度信息，選用DHT11 型號的溫濕度傳感器，此款傳感器，已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出，其優(yōu)點是體積小巧、操作簡單、功耗低。

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

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

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，可以滿足系統(tǒng)的需求。

ZigBee 無線傳感網(wǎng)，主要有3 種邏輯設(shè)備類型：協(xié)調(diào)器、路由器及終端設(shè)備。而ZigBee 模塊，采用的型號是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、啟動，以及節(jié)點的驗證，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)的是對收集的數(shù)據(jù)信息進行處理。此模塊，分為兩個部分，倉庫貨物定位和倉庫環(huán)境檢測。

針對倉庫環(huán)境的監(jiān)控，由于倉庫的管理系統(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)，來對收集到的環(huán)境數(shù)據(jù)進行處理。多傳感信息融合，也可以稱為多傳感器數(shù)據(jù)融合。多傳感信息融合，其具有穩(wěn)定、精度高、抗識別能力高等優(yōu)勢。到目前為止，針對多傳感信息融合的模型及融合的方法，并沒有一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。各個行業(yè)根據(jù)自己的需求，來制定自己的一套融合的方法，常見的融合方法有D-S 證據(jù)推理、模糊邏輯推理、卡爾曼濾波等。通過傳感器，來進行大量數(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一定的誤差，所以收集到的數(shù)據(jù)和實際相比出現(xiàn)偏差，導(dǎo)致后續(xù)的倉庫環(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)確的問題。這種算法，是利用線性系統(tǒng)的狀態(tài)方程，通過對系統(tǒng)的輸入和輸出數(shù)據(jù)進行觀察，對系統(tǒng)的狀態(tài)進行最優(yōu)估計算法。按照多傳感融合技術(shù)對采集到的數(shù)據(jù)進行處理，將得到的精準(zhǔn)倉庫環(huán)境信息與所生產(chǎn)過程中的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進行對比，根據(jù)對比之后的差值，來發(fā)出相應(yīng)的調(diào)節(jié)指令，從而達到預(yù)設(shè)的目的。

針對倉庫貨物的定位，原先存在的空間定位系統(tǒng)雖說已經(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)境來說，具有狹小、障礙物多的特點，所以原有的系統(tǒng)不能夠滿足這樣的環(huán)境。在對比了目前常用的室內(nèi)定位方式基礎(chǔ)之上，以倉庫管理的具體情況為參照，應(yīng)用了模糊數(shù)字理論，采用RSSI 進行智能節(jié)電，以及待定位貨物的距離進行一個估算。RSSI 是一種無線信號，其同一般信號一樣會受影響，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)定的測量指標(biāo)，通過一定的算法，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)點相對角度、多對收發(fā)節(jié)點存在時的因素、環(huán)境因素。

本次采用的三邊測量法，來對貨物的精準(zhǔn)貨物進行計算。其中，三邊測量法如圖2 所示，我們將未知貨物的坐標(biāo)設(shè)置為（x，y），而已知的三個物品的位置分別為（x1，y1）、（x2，y2）、（x3，y3），那么未知的貨物節(jié)點到已知貨物節(jié)點的距離分別為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），繼而對貨物進行精準(zhǔn)的定位。

圖2 三邊測量法

3 結(jié)束語

本文主要研究的就是利用傳感器與RFID 技術(shù)在倉庫中的定位與追蹤管理，可以實現(xiàn)倉庫環(huán)境的實時檢測，同時利用RFID 射頻芯片還可以對貨物進行準(zhǔn)確的定位，這樣可以方便對貨物進行尋找，大大地節(jié)省了人力和物力，實現(xiàn)了倉庫貨物管理的自動化。

根據(jù)實驗表明，和傳統(tǒng)的人工倉庫管理相比較，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，可達到對于倉庫的智能管理的要求；和傳統(tǒng)的利用條型碼技術(shù)的倉庫貨物管理技術(shù)相比較，雖然兩種方法在處理庫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，不需要人工對物品進行逐次的查看，幫助倉庫管理員提高了針對倉庫貨物管理出入庫的效率，并且可以最大限度地減少因為環(huán)境的改變而導(dǎo)致貨物發(fā)生霉變、腐蝕等問題?？梢源蟠蟮靥嵘齻}庫的管理效率，為企業(yè)節(jié)約了成本，具有比較高的實用價值。