一种基于RFID识别技术的新型智能货架设计

杜 鹃,赵军伟,熊 聪,王 璐,刘俊杰,侯秀峰

(北京智芯微电子科技有限公司,北京 102200)

0 引言

国家电网公司自2018年起开始构建现代智慧供应链体系,以响应国家发展现代智慧供应链的理念[1-2]。其中,在“三集五大”改革背景下,如何提高电网企业物资管理水平成为了当前亟待解决的问题。当前,国家电网公司的供应链体系建设以物资管理供应业务链为核心,而在电网公司物资供应全链条中,仓储管理作为至关重要的环节,旨在提高仓储业务流程效率、优化库存物资质量水平、确保台账准确性以及创新管理模式,以实现现代智慧供应链体系的建设目标[3-4]。因此,如何通过信息化手段优化传统仓库仓储管理流程,提高工作效率,成为了电网公司亟需解决的关键问题。电网物资作为地市电网建设和发展的后勤支撑保障部门,电网公司的物资仓储承担着地市电网建设和运维所需的物资供应任务[5-6]。随着电网公司集约化运营战略实施及智能电网的推进,对物资仓储管理提出了更高的要求。电网公司当前的仓储管理存在着管理模式粗放、流程冗长、业务线上线下脱节、手工作业效率低下、系统数据手工录入易出错、帐卡物不一致和人工成本高等问题,已经无法满足电网公司快速发展的需求,因此需要采用自动化设备和新一代信息技术,重新设计仓储业务流程,以提高仓储管理效率、保障物资供应质量、降低管理成本,从而满足物资快速、高质供应的新要求[7]。

RFID(radio frequency identification)技术又称射频识别,其主要是利用无线电信号对目标物进行识别,从而达到物品管理与追踪等目的[8-9]。随着现代信息技术的发展与应用,自动化程度不断提高,仓储作业由传统手工操作转变为机械化、智能化和无人化的模式,这也给企业带来了极大便利[10]。RFID电子标签因其紧凑的电子标签体积、长久的使用寿命以及高效的识别能力,已被广泛采用。针对电力设备类、仪器仪表、工器具的出入库物资自动化识别要求,可以采用RFID标签进行唯一标识管理,从而实现设备的高效管理,同时也能够大幅降低成本[11-12]。

为进一步推广RFID技术在电网公司智能仓储领域的应用,本文设计了一套基于反向RFID的仓储识别系统,以促进智能化仓储管理的发展。通过分析电网公司现有物流模式和仓储管理现状,提出了一种新型的智能仓储解决方案。该货架结构设计了一种带有电磁屏蔽特性的RFID标签,可用于附着于仓库物资上,用户只需取走货物即可解除该屏蔽,从而实现货物识别。本文系统在电网公司智能仓储场景中的可行性得到了验证。

1 基于嵌入式开发的新型智能货架

图1给出了基于嵌入式开发的新型智能货架设计框图,该系统利用智能传感器和RFID读卡器等传感设备进行信息采集,并将所得数据传输至边缘端设备,以实现数据传输。在终端上实现了用户管理、货物信息查询、货物状态监测及库存控制功能。在前端的显示模块中,所处理的数据和对应的货物信息得到了呈现。当用户需要查看某个货品时,只需打开界面选择所要查询的区域,便可直接进入到相应区域内,然后根据不同的货物类型选择合适的方式进行展示。通过对数据库中存储的数据进行处理和分析,可以获得货品出入库的记录,并据此排名剩余货品数量和使用频率,从而实现智能推荐。

图1 基于嵌入式开发的新型智能货架设计框图

1.1 系统网络方案

本文系统的网络架构融合了边缘计算和云计算技术,形成了一种高度智能化的解决方案。由于云计算技术可以为用户提供海量的服务信息,因此在很多方面得到广泛运用。通常情况下,云计算的运营和运维都集中在核心节点附近,实现了网络存储和计算机资源的高度集中化。在对需求量和数据实时性要求不高的时代,这种方法并不会带来太多的问题。随着互联网技术的发展,越来越多的应用场景也会用到云计算技术,如视频监控、远程医疗等。然而,随着网络资源调度的普及,传统的云计算架构已经面临着诸多挑战。

在这一背景下,边缘计算应运而生。边缘计算是一种在物理服务器和数据中心之间建立1层或多层连接层,以提供给用户使用,从而减少资源浪费和提高服务质量的技术。由于边缘计算具有分布式处理、自组织等特性,使其能够极大提高网络资源利用率,降低能耗和时延。因此,在数据实时性要求较高的场景下,能最大限度地减少网络延迟,降低带宽损耗。

图2呈现了云计算和边缘计算的对比,展示了它们之间的差异和相似之处。网关在早期的云计算系统中得到广泛应用。这种方式在传输过程中很容易被攻击,同时也存在安全隐患。网关的职责在于将传感器所存储的数据以有序的方式传输至云端,从而实现数据的高效存储和处理。在这种情况下,网关只能提供简单的信息传输功能。在边缘计算中,由于数据的传输时延与网络延迟不匹配,导致了数据包丢失或者被其他节点转发等现象,降低了用户体验。对于实时性要求极高的系统而言,将融合后的数据传输至边缘侧所需的延迟是难以容忍的。传统的集中式数据处理模式在这种情况下已经很难实现,并且随着数据量越来越大,传输延迟也逐渐增大。云计算架构因其独特的特性,在数据监测和采集方面具有更高的适用性,然而在加入执行器的各种场景下,其表现并不尽如人意。为解决这一问题,边缘计算将按照数据接口的要求进行打包数据,并将其传输至云端。

图2 云计算与边缘计算的主要差异

1.2 系统硬件方案

本文构建了基于云服务的边缘计算系统,如图3所示。该系统由传感器和智能端设备、设备连接节点、嵌入式处理节点层、网络连接节点以及基于云的服务所构成,这些元素共同构成了系统的核心部分,旨在提高边缘计算的效率和精度。通过该系统可以将各种应用与网络互联,从而实现对用户数据实时监控及管理等功能,同时能够在云端进行数据处理和分析并向终端展示。

图3 边缘计算系统架构

采用单主机多从机的方案,传感器数据在经过串口转发后进入计算单元进行数据预处理,经过缓存、融合和通信转换等多道工序,最终被传输至网络连接节点,实现高效的数据传输。同时,通过对各节点硬件配置以及软件算法分析,实现了一个简单易用的无线视频监控系统。网络传输控制端和显示控制端是构成整个系统的2个主要组成部分。该设计实现了对触摸屏上显示画面及键盘按键输入信号的检测并处理,通过无线方式将信息传递给电脑或手机终端。

该系统配备了1.8 G双路6核ARM处理器,以满足各种网络需求。同时该平台具有良好的可移植性,可以移植到其他硬件上使用。Free RTOS的运行可以被智能传感器处理单元实现。其中硬件设计部分采用模块化的设计方案,包括电源管理模块、信号调理电路以及外围接口等,并给出了详细的电路设计方案。本文系统支持4 G全频段传输,并可通过有线以太网实现公网接入。同时,还具有强大的数据存储能力、高速的网络通信能力以及稳定可靠的数据传输性能等特点。该系统自带的百兆网口可根据不同需求自由配置为LAN口或WAN口,以满足多样化的使用场景。

如图4所示,主机的硬件呈现出一种高度复杂的结构。它具有良好的扩展性、可移植性以及较高的性价比,可以满足不同用户对网络接入速率要求。利用瑞芯微RK3399、MT7628路由模块以及STM32F407边缘网关,边缘计算主机构建了一个高端的平台。在此基础上,搭建了包括电源管理、时钟驱动电路以及外围电路在内的完整系统架构,并对其中的部分关键器件进行选型与布局。基于此硬件,搭建了一个完整的物联网网络架构。MT7628路由模块实现了边缘计算主机和设备之间的广泛互联,从而促进了它们之间的互联互通和信息共享。

图4 系统硬件设计方案

1.3 系统软件方案

如图5所示,该系统软件总体架构包括传感器、MPU预处理、设备注册、数据融合服务和云端等几个环节。通过将传感器获取的数据经上位机处理后显示于界面,从而达到对数据进行实时监控和控制的目的。

图5 系统软件设计方案

通过对不同种类设备特点的分析和分类处理,按照相应的策略来实现设备状态监测、设备参数管理和设备故障报警的应用要求。fusion模块在数据融合过程中起着关键作用,它的主要功能是:对登记信息进行汇总,以达到对数据有效集成的目的;转发由所述注册装置生成的心跳;筛选传感器信息中的异常。

2 新型智能货架的传感器设计

在本文系统中,边缘计算主机可以与多种传感器相互连接,包括但不限于电容传感器及RFID传感器。当需要对货物实施检测时,可将这些信息通过无线网络发送给服务器,由服务器端根据所接收到的数据来判断是否有物品被放入货架上。根据这些信息,就可实现对货物位置和状态的定位。针对不同的应用场景,可以采用多种传感器解决方案来实现货物的识别,本章将重点探讨电容传感器和RFID标签的设计。

2.1 电容传感器

电容传感器在很多领域中都有重要应用,如生物医学研究、工业自动化控制、电子与信息通信技术、汽车电子、军事以及医疗诊断等。电容传感器的探测机制基于传感器几何形态的变化或感测层介电特性的变化,以实现对电容传感器的检测。电容传感器是通过改变电极上的电荷量来实现的,而不是利用电介质本身的介电常数。相较于其他技术手段,电容传感器呈现出卓越的分辨率和出色的动态响应能力。

如图6所示,本文搭建了采用LC振荡电路的电容传感器。这种电容传感器的运行状态是通过单片机来控制的。本文通过电容放大交流电压信号,然后经滤波输出平稳的直流信号。LC振荡电路是电感与电容并联而成,铜箔是电容传感器两极板,货物置于铜箔上时会出现振荡频率,此频率值可用来推算被测电容值。由所测量电容变化可推测物体间距离或者材料变化。

图6 电容传感器原理

根据LC振荡电路的基本原理,电容传感器的频率可以通过以下公式推导而来,即

(1)

CSEN传感器的差分配置可以通过以下方式来确定其电容,即

(2)

2.2 反向RFID传感器

RFID识别原理如图7所示。从图7中可以看出,RFID系统的工作原理是读写器接收到电子标签的电磁信号后会在天线上产生射频电场,进而将电磁波转化为电信号,并最终通过单片机进行处理获取对应信息以达到自动跟踪管理物品的目的。在货物表面贴上电子标签并与之捆绑,使得标签所处位置和屏蔽层密合,达到屏蔽信号的目的。由于屏蔽层的内部具有空腔,可将读写器置于该腔体内。货架上所有货物均贴有对应货物ID且有屏蔽层屏蔽的标签。当取走物品时标签会从屏蔽层中脱离,这样就能从读写器接收数据并且把标签ID送回读写器。读写器能够基于所接收到的标签ID来完成对货物的标识。

图7 RFID识别原理

反向RFID识别系统屏蔽材料或者屏蔽结构设计对RFID标签屏蔽效果非常重要,4种新型RFID屏蔽结构设计方案如下所述。

a.按照图8a的规定,货物被贴在金属板上面,这种金属板可用来屏蔽多种物质,如无线电波屏蔽膜、金属网。标签上的ID和相应货物捆绑在一起,标签被金属板遮挡。拿起物品后,只要把标签移出金属板就可以收到读写器的信息,标签ID返回给读写器。读写器收到信号后对电子标签的ID进行解码,然后把标签的号码封装进去。最后,打包信息可通过USB接口传输给上位机,上位机根据收到的电子标签ID对货物类目进行标识,由读写器编号判断货物位置范围。

图8 反向RFID屏蔽结构设计

b.从图8b中可以看出,电子标签和铜箔组合构成高效屏蔽结构,利用物品粘贴于货物底部,再置于货架之上,使标签和铜箔紧密配合,从而达到有效屏蔽。

c.按照图8c的规定,该结构包括货物、屏蔽层、回弹结构和标签。标签在被挤压时发生形变被压在标签层上。在物品摆放时,利用回弹结构使屏蔽层和标签接触,达到有效屏蔽效果;当取走货物后,屏蔽层在标签上的屏蔽效应会因为回弹结构的回弹而抵消掉。

d.图8d是一种新型RFID标签结构,在天线端引入薄膜常闭开关来进一步提高其性能及可靠性。当货物在货架上时,电子标签天线断开造成RFID不可读。当取走物品后,天线端的开关切换到关闭状态,电子标签上的天线导通即可收到读卡器传来的信息并将标签ID返回读卡器。读卡器收到信号后对电子标签的ID进行解码,并封装在其中的号码。最后通过USB接口将打包后的消息传输给上位机,上位机根据收到的电子标签ID对货物类目进行标识。

3 新型智能货架的测试

3.1 电容传感器测试

将同样重量的塑料瓶装饮料和金属罐装咖啡分别置于铜箔上,通过电容变化来判断这2种货物的电容值变化,从而准确地确定它们的具体类型。实验过程中,先把不同体积的瓶子放在1块铝箔上,然后用弹簧测力计测量它们受到的力,最后计算出该物体的质量,根据此结果就能够很容易地判定货物是否被放入。在图9a所示的货盒中,未发现任何货物,而在图10a所示的货盒中,则显示未发现任何货物;如果有货物的话,则该物体为金属罐。如图9b所示,塑料瓶装饮料和金属罐装咖啡分别被放置在货盒的两侧,而图10a则展示了可辨认的货物种类。

图9 电容传感器测试

图10 电容传感器测试显示结果

3.2 RFID传感器测试

在RFID传感器的系统测试中,RFID读写器的SMA接口与1根天线相连, 接着通过USB线路与主机相连。如图11所示,测试系统的实物展示了1个带有屏蔽层的货架,其中隐藏着1根天线,货架上陈列着各式各样的货物,每件货物都贴有RFID标签。当需要读取标签数据时,控制主机会向读写器发送指令。当取起货物时便失去了屏蔽层,此时系统将会检索到标签信息,并将其发送给控制主机同时将货物详细信息进行显示。

图11 RFID系统实物

如图12所示,对基于RFID传感器的货物识别系统进行多次测试。由图12可知,随着测试次数的增加,系统的识别准确率趋于稳定,综合识别准确率达到了99.4%。因此,本文所提系统具有较高的识别准确性,有助于实现高效的仓储管理。

图12 基于RFID传感器的货物识别系统的准确性测试

4 结束语

为了提升电网公司物资仓库管理效率,提出了一种RFID识别智能货架,将嵌入式平台与边缘计算主机相融合,以达到更高效的管理效果。通过对现有电网企业物资仓库管理系统存在不足进行研究与分析,结合物联网技术,建立基于物联网技术的智能货架系统。嵌入式边缘计算主机利用电容传感器和RFID传感器识别货物时,边缘计算主机能够将各种传感器组合在一起,从而形成智能货架识别系统的设计方案,适用于各种场景。最终,经过测试,表明智能货架识别系统具有显著的有效性。