基于無源RFID位置指紋識別的智能倉儲系統研究

史雪振 柯成杰 沈子成 朱澤玉 周彪

（江南大學 江蘇省無錫市 214122）

1 引言

無源射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID)是20 世紀末開始被各方學者大量研究，逐漸興起的一種無線數據傳輸自動識別技術。當無源RFID 標簽進入讀寫器的讀取范圍時，讀卡器通過天線發送射頻信號，而RFID 標簽內感應線圈通過電磁感應產生感應電流，驅動標簽進行工作；RFID 標簽通過內部天線發送自己的代碼信包；讀卡器天線接收到信號后把信號發送給讀卡器，讀卡器對信號進行調整、譯碼，再將信號發送給主系統。這樣，連接計算機系統的讀寫器可以通過無線的方式，對不需要電源的低成本RFID 標簽中保存的數據進行讀寫操作，從而達到自動識別、數據交互等目的。

基于無源RFID 技術的物品識別,無需被識別物品安裝電池，即可完成信息的采集和處理，且由于閱讀器覆蓋面積小、無視光線條件的優點，具有精度高、適應環境能力強、抗干擾能力強、操作快捷并且可同時識別多個物品等諸多優點，目前已經在倉庫管理、商業零售、生產制造等領域逐步開始應用。而智能倉庫的概念也已經實現落地，國內的圖書館、博物館、部分倉庫、物流公司逐漸開始采用物聯網技術來管理信件以及包裹，即精簡了人員配置，又提高了安全性和工作效率，實現對包裹進行高效的管理。

倉儲直接面對物資需求方，對物流作業的規范性與時效性有極高的要求，必須竭盡全力提高在庫物資的周轉速度，充分利用倉儲中心的存儲功能。類似于圖書檔案館、博物館的倉庫管理場景每日接觸的物資種類多達上千種，每日單據量數以萬計，收發貨數量更是驚人，日工作量非常飽滿。對于倉庫管理水平進行智能化提升，以實現降低人力成本、增加企業管理效率是所有倉儲相關單位一直追求的目標。常見的傳統倉儲管理系統主要是采用光學條形碼+包裹碼搭配的形式來為包裹貼上標簽，再依靠進行人工進行運輸和盤點。其中條形碼用來記錄該包裹的訂單號等具體信息，包裹碼記錄了其在貨架上的具體位置，而條碼掃描器則是用來在近距離掃描條碼來讀取包裹信息，確認包裹的出入庫情況，確保包裹安全。通過傳統的條形碼進行包裹管理雖然有較高的檢測率以及較低的誤報率，但是，采用這種標記方式仍存在很大的問題，例如，只能通過近距離激光識別的方式獲取放在條碼上的包裹信息，需要大量的人工作業來對包裹進行逐一盤點，工作人員有可能無法通過記憶找到所要移動的包裹，倉庫無法動態跟蹤具體的包裹位置信息等等，以上缺點限制了包裹的管理效率，降低了物件的流動速度。

通過引入無源RFID 技術，利用其遠距離無接觸識別、快速讀寫的特性能夠很好地解決倉儲管理過程中包裹難搜尋、包裹具體位置難以確定等問題，可以顯著提高倉庫的運作效率[1-5]。在貨架上安裝讀取器及天線即可動態追蹤包裹的具體位置，可顯著降低人力物力的投入、節省排列整理時間、降低包裹移動出錯發生的概率和遺失的幾率，也可以做到一天內多次高效的整理盤點。對包裹RFID 標簽的準確定位是倉儲管理系統的基礎。目前，在可用于物體定位用的無線電技術中，以無源超高頻RFID（UHF）技術較為實用，且性價比較高。針對倉庫內的實際場景，首先包裹是在貨架上緊密排列的，RFID 標簽之間距離較小，大約在2 厘米左右，而UHF RFID 標簽的精確定位技術非常適合用于精確定位出包裹在貨架上的位置。

圖1：閱讀器對于地面的覆蓋情況

2 國內外研究現狀分析

在對無源RFID 技術應用在倉儲管理的研究中，西方發達國家，比如美國、德國等，一直在行業應用以及技術研究方面處于領先地位。但是目前制約RFID 技術的廣泛普及和技術發展的瓶頸因素有兩方面，其一是RFID 的標準統一，第二則是RFID 閱讀設備的高成本。RFID 電子標簽的價格在其誕生后的十幾中來并沒有很明顯的降低，長期保持著較高的成本，這就致使在市場競爭中有很多中小企業在當時根本不會考慮應用RFID 技術進行企業智能化管理應用，但是近些年來，由于技術的越來越成熟，無源RFID 標簽成本明顯下降，市場成本一般不到一元人民幣，為其廣泛應用打開了局面。但是在RFID 標準制訂以及同一方面方面，各國國內都有著較為統一的標準，但從全球范圍來看，RFID 行業標準仍然沒有完全統一[3]。在目前RFID 應用市場中，RFID 技術最成功的應用案例是零售業中的沃爾瑪零售公司，該公司在倉儲管理中應用RFID 進行物品的分類、存儲、查找等大大降低了人力成本，另外該公司同時通過采用RFID 技術進行商品的防盜監控，提高了營業毛利率。從以上兩方面，沃爾瑪公司每年可以節省人工成本近百億美元。因為傳統的人工倉儲需要人工查看進貨的條碼，此項工作費時費力，而RFID 也大大降低了沃爾瑪公司貨品管理的差錯率；另外基于RFID的防盜裝置也通過自動報警使得商品被盜的概率減小，某種程度上也降低了社會貧富矛盾。

圖2：系統定位結果展示

就目前而言，我國國內RFID 技術起步時間相較于西方要晚，但是目前處于快速發展階段。雖然在我們日常生活中RFID 技術的實際應用雖然常見，但仍處在最原始的物品識別階段，缺乏進一步的應用拓展。而傳統的倉庫管理一般都是采用非自動化、以紙張文件為出入庫憑證作為基礎的系統來跟蹤、記錄出入的貨物。但隨著國內電子商務的急劇發展，帶動了倉儲物流業的蓬勃發展以及智能化開始普及。如何進行高效、準確、大批量的資產識別已成為我國物流倉儲行業重要的研究課題[1]。早在2005年，深圳白沙物流引入無源RFID 技術對貨物流通流程進行了智能化的升級，主要包括物流產品下線、貨物運輸、入出庫等流程都實現了全程監控和即時準確的管理。引入RFID 技術后，該公司只需在產品出廠入庫前掃碼一次，隨后運用自動化分揀系統對倉庫物品信息進行管理從而省掉人工繁瑣的機械重復性勞動[2]，倉庫利用率也得到大大的提升。目前，包括順豐、圓通等全國各大倉儲物流企業也全部實現了RFID 的入庫管理、以及物流追蹤，使得物流用戶可以在手機端實時監視自己物品目前所在的位置，用戶體驗感和安全感也得到了很大的改善，需要注意的是這些入庫管理只是機械性質的位置管理，當出現不可控因素導致物品丟失時并沒有更好的尋物辦法。

3 基于無源RFID尋物系統工作流程

由上可知，傳統定位系統大多都需要物品攜帶有源標簽。在物品密集度較高的、目標容量較大時，無疑將大大增加定位系統的成本。另外有源標簽常常需要電池更換的日常維護，無疑增加了日常維護的難度。在本論文中，我們利用無源標簽遠程閱讀技術，搭建出一套基于位置指紋識別[6]的尋物系統。其工作流程如下：

第一步：在物品尋找區域的天花板上，空間均勻地固定N 個標簽閱讀器，當然視成本和定位精度需要，決定N 的大小。在理想情況下。閱讀器對于地面的覆蓋情況如圖1 所示。

第二步：建立RFID 閱讀器覆蓋信息數據庫。在定位區域劃分等間隔劃定M 個參考點。建立參考點的數據庫結構如下,對于M個參考點P=[P1,…,Pm,…,PM]，記錄每個點的二維位置和閱讀器的覆蓋情況Pm=[Lm,Rm]，其中Lm=[xm,ym]，Rm=[rm,1,…,rm,n,…,rm,N]。閱讀器的覆蓋情況用0 和1 表示，其中0 代表閱讀器未能讀到該標簽，1 代表閱讀器能讀到該標簽。

第三步：系統定位階段。以上兩步在倉儲區域完成后，當我們要尋找某一標簽時，在尋物界面輸入物品的RFID 編號，然后確認，使得各閱讀器進行該標簽的搜索。N 個讀寫器的搜索結果記為R目標=[r1,…,rn,…,rN]，R目標亦為N 維二進制序列，然后進行參考點匹配。對第m 個參考點的匹配度計算方法如下：Om=∑Nn=1(rm,n-rn)2。最后選擇Om中最低的參考點坐標作為目標物品所在位置。系統定位場景如圖2 所示。

總體來說，本尋物系統具有多目標同時定位，而無電磁干擾的優勢，且定位精度可以達到實際要求，具體精度視RFID 閱讀器密度而定。

4 應用價值

（1）簡化包裹出入庫驗證流程，提高物流效率。以前圖書館、博物館倉儲工作人員只能憑借臨時的記憶來判斷包裹大概的位置再慢慢查找，應用RFID 技術，以RFID 標簽取代條碼及包裹碼，而RFID 標簽則可以利用無線電波感應迅速查到工作人員所需要的包裹，使得包裹查找工作變得輕松高效。

（2）加速盤點作業。傳統的條碼閱讀器必須在近距離而且沒有物體阻擋下，才可以辨讀條形碼，因此，圖書館、博物館倉儲工作人員在盤點時需將包裹逐一地從貨架上取下，逐個盤點。而RFID 標簽可以通過無線電波傳送訊號，一次同時讀取多個RFID標簽的數據信息，簡化盤點工作。

（3）提高貨物的安全性，降低貨物失竊率。傳統的光學條形碼無法輔助包裹盤點工作所在位置，當貨物缺失等情況發生時，圖書館、博物館管理人員很難從龐大的包裹流中注意到遺失的包裹，而RFID 能對包裹進行實時定位，讓員工及時發現包裹的遺失情況，減少單位信譽損失。

（4）更好地利用圖書館、博物館倉庫空間。所有貨物都擁有自己的儲位信息，且一直被實時定位著，這樣就不會在倉庫內出現由于按分類劃分倉庫空間一邊放不下，一邊幾乎空架的情況，在必要的時候可以暫時把不同種類的貨物放在一起。