RFID 射频芯片在仓库定位中的应用

宋 骋

（天杭办公耗材（杭州）有限公司，浙江 杭州 311100）

传统仓库的管理，都是通过人工来完成的，而这样的管理方式存在着诸多的问题，首先，仓库物品的信息传递速度慢，而且随着物品数量的增多，会导致物品比较难定位。为了能够提高仓库的管理效率，能够实现仓库物品的精准定位，所以考虑使用无线射频识别（radio frequency identification，RFID），由于RFID 可以实现数据的传输和检索，具有精度高、识别速度快的优点，抗干扰能力比较强，可以同时进行多个目标的识别，所以将其应用于仓库的管理中。

目前，对于使用RFID 进行定位的算法，已经做了广泛的研究，最常用的定位算法，根据参考量的不同，可以分为到达时间定位（TOA）、信号强度定位（RSSI）、到达时差定位（TDOA），以及方向测量定位（AOA）这四种。而利用RSSI 定位系统的定位法，直接获取读写器接收的信号，并不需阅读器之间进行严格的时间同步，而且也不需要昂贵阵列接收天线，所以就可以利用RFID 搭建定位系统。由于在仓库管理中，所管理的物品较多，那么就应该考虑使用简单、低成本的定位系统，尽管使用此定位法的精度相对其余三种较低，但是，使用RSSI 定位系统具有简单、低成本的特点，可以完全满足仓库定位的需求。在RSSI 定位系统中，最常用的算法是三边测量定位算法，以及三角形质心定位算法，主要就是通过测量每个节点之间的信号强度，转换为距离的值，在根据其特定的几何关系，确定具体的位置。现代仓库的物品种类繁多，以往堆积式的紧凑型仓库，已经逐渐被现代化的仓库代替。在这样的环境之下，使用传统RFID 定位技术，就必须得使信号强度3 度覆盖，也即区域中的每点至少被三个以读写器为圆心，最大信号强度为半径的圆形覆盖，通过信号强度的3 度覆盖才能实现该区域的定位，那么就避免不了布线的复杂、硬件浪费，也增加了算法的复杂程度。

1 系统的总体设计

系统的设计如图1 所示，本系统我们采用了传感器模块来对环境信息进行检测，然后通过ZigBee 来将收集到的信息上传到远程的监控系统中，使用多传感融合技术，来对收集到的信息进行处理，来实现仓库的智能控制。而RFID 标签发出信号，通过三边测量算法，计算出货物的位置信息，实现精准定位。

2 模块的设计

仓库定位系统设计，按照三层模块进行规划，根据仓库的自动化管理、信息化建设流程要求，我们将该系统分为数据感知、处理、传输这三个部分。

图1 仓库定位追踪整体设计

2.1 数据感知

数据感知模块，主要就是对仓库的物品信息进行一个采集。在仓库的定位和追踪中，需要采集的信息主要有两个部分，第一部分是仓库环境参数，第二部分就是货物的信息。对于仓库环境参数信息的采集，主要是通过在仓库中的一系列传感器来实现环境信息的采集，而货物信息，则是通过RFID 识别标签来对存储的货物信息进行收集，主要就是收集货物的入库时间、出库时间、货物的类型、货物的状态信息。其中仓库定位和追踪系统所需要的设备主要是：

（1）温湿度传感器，负责采集仓库中的温湿度信息，选用DHT11 型号的温湿度传感器，此款传感器，已校准数字信号输出，其优点是体积小巧、操作简单、功耗低。

（2）光照度传感器，主要负责采集仓库中的光照度信息，选用GY-30 型号的光照度传感器，此款传感器，内置模数转换电路，直接实现数字输出，其光照识别范围大、功耗低、精度高的优点，可以适用于仓库的使用。

（3）RFID 标签，主要负责采集仓库货物的基本信息。

2.2 数据传输

数据的传输模块，主要就是负责将采集的数据上传。该系统的传输模块，需要一种短距无线通信系统。所以采用ZigBee 协议，由于其复杂度低、功耗低、速率低，以及成本低的特点，可以满足系统的需求。

ZigBee 无线传感网，主要有3 种逻辑设备类型：协调器、路由器及终端设备。而ZigBee 模块，采用的型号是CC2530。协调器和路由器都是由核心板、底板组成，前者负责的是网络的配置、维护、启动，以及节点的验证，后者负责的是数据的转发；终端设备，则是由多传感器构成，负责的是数据采集。

2.3 数据处理

数据处理，负责的是对收集的数据信息进行处理。此模块，分为两个部分，仓库货物定位和仓库环境检测。

针对仓库环境的监控，由于仓库的管理系统所收集到的环境数据不准确，所以就采用多传感信息融合技术，来对收集到的环境数据进行处理。多传感信息融合，也可以称为多传感器数据融合。多传感信息融合，其具有稳定、精度高、抗识别能力高等优势。到目前为止，针对多传感信息融合的模型及融合的方法，并没有一个统一的标准。各个行业根据自己的需求，来制定自己的一套融合的方法，常见的融合方法有D-S 证据推理、模糊逻辑推理、卡尔曼滤波等。通过传感器，来进行大量数据的采集，由于传感器本身具有一定误差或由于传感器的放置位置不同带来一定的误差，所以收集到的数据和实际相比出现偏差，导致后续的仓库环境判断不准确。所以该系统中，我们利用卡尔曼滤波算法去解决判断不准确的问题。这种算法，是利用线性系统的状态方程，通过对系统的输入和输出数据进行观察，对系统的状态进行最优估计算法。按照多传感融合技术对采集到的数据进行处理，将得到的精准仓库环境信息与所生产过程中的标准数据进行对比，根据对比之后的差值，来发出相应的调节指令，从而达到预设的目的。

针对仓库货物的定位，原先存在的空间定位系统虽说已经相当完善，但是应用的范围局限于室外。室内环境相比室外环境来说，具有狭小、障碍物多的特点，所以原有的系统不能够满足这样的环境。在对比了目前常用的室内定位方式基础之上，以仓库管理的具体情况为参照，应用了模糊数字理论，采用RSSI 进行智能节电，以及待定位货物的距离进行一个估算。RSSI 是一种无线信号，其同一般信号一样会受影响，它的大小，是随着收发方的距离增大，逐渐减少，但是减小是非线性的。RSSI 是不稳定的测量指标，通过一定的算法，可以将定位误差降低到可忽略的范围之内。其中，影响RSSI 的因素主要分为：功率因素、收发点相对角度、多对收发节点存在时的因素、环境因素。

本次采用的三边测量法，来对货物的精准货物进行计算。其中，三边测量法如图2 所示，我们将未知货物的坐标设置为（x，y），而已知的三个物品的位置分别为（x1，y1）、（x2，y2）、（x3，y3），那么未知的货物节点到已知货物节点的距离分别为d1、d2、d3，那么可以得到：

联立方程组，可以得未知货物的坐标（x，y），继而对货物进行精准的定位。

图2 三边测量法

3 结束语

本文主要研究的就是利用传感器与RFID 技术在仓库中的定位与追踪管理，可以实现仓库环境的实时检测，同时利用RFID 射频芯片还可以对货物进行准确的定位，这样可以方便对货物进行寻找，大大地节省了人力和物力，实现了仓库货物管理的自动化。

根据实验表明，和传统的人工仓库管理相比较，该系统不仅可以大大地提升物品信息的处理速率和准确率，还增加了其他的功能，可达到对于仓库的智能管理的要求；和传统的利用条型码技术的仓库货物管理技术相比较，虽然两种方法在处理库存物品的基本信息的效率，以及准确率差别不大，但是当利用RFID 之后，可以大大地增加寻找货物的速度，不需要人工对物品进行逐次的查看，帮助仓库管理员提高了针对仓库货物管理出入库的效率，并且可以最大限度地减少因为环境的改变而导致货物发生霉变、腐蚀等问题。可以大大地提升仓库的管理效率，为企业节约了成本，具有比较高的实用价值。