基于物聯網的RFID室內定位系統設計

吳超瓊，張宗謀，慕文靜，韋明旭

(廣西民族師范學院 數理與電子信息工程學院，廣西 崇左 532200)

0 引 言

人類為了不讓自己迷失在茫茫大自然中，先后發明了羅盤、指南針等工具，衛星定位的問世，解決了“我在哪里”的問題。但在高度城市化的今天，室內空間越來越龐大復雜，人類戰勝了大自然，卻在自己構筑的鋼筋水泥中迷了路[1-2]。傳統的衛星無法在室內進行定位，而人們大部分的時間又在室內度過，相關服務并未大范圍普及，可以說室內定位隱藏著巨大商機[3-4]。隨著物流行業的發展，物流倉庫越來越多，存儲的貨物數量急速增加，貨物出入庫頻率劇增，人工倉儲管理方式嚴重影響了正常的運行工作效率，隨著商品流通的加劇，難以滿足倉儲管理實時性的要求[5]，未來智能無人倉儲管理系統，將存在著龐大的市場需求。使用倉儲機器人來存取貨物是趨勢，而倉儲機器人能準確的在倉庫內指定地點進行貨物的存取，這是影響無人倉儲發展的一個重要因素。因傳統的衛星無法在室內進行定位，倉儲機器人勢必用到室內定位技術，而定位準確、簡單不復雜且成本低的室內定位系統是加速無人倉儲發展的關鍵因素。

目前，國內外有很多關于室內定位技術的研究。如：二維碼導航技術、WiFi定位技術、藍牙室內定位技術、激光雷達的三角定位技術和UWB室內定位技術等等。二維碼導航技術是通過攝像頭掃描附著在地面的點陣式二維碼地標進行導航。應用在物流倉儲中，需在機器人的底部和上部分別裝有攝像頭，成本較高。激光雷達是集激光、全球定位系統和慣性測量裝置3種技術于一身的系統，可應用在無人駕駛汽車應用方面，但其成本也很可觀。WiFi定位應用于小范圍的室內定位，成本雖低，但容易受到其它信號干擾，從而影響定位精度，而且定位器的能耗較高。藍牙的三角定位功耗高，精度低，在復雜的環境中，穩定性較差。UWB室內定位技術雖然精度高，但需要安置定位基站和定位卡，成本較高。RFID室內定位技術具有非視距傳輸、識別速度快等特點，用于存儲信息的電子標簽體積非常小、成本低廉且可重復使用。對于小型的物流倉庫需要低成本的、又滿足定位需求的機器人來說，使用RFID技術是可以滿足的。在此基礎上本文設計了一個基于RFID室內定位系統。

1 系統功能描述

室內定位系統由智能室內定位機器人系統、RFID手持終端系統、上位機信息通信系統等3部分組成。以該系統在室內物流分揀上的應用為例進行說明：

RFID手持終端和上位機信息通信系統，通過2.4 G頻段的NRF與室內定位機器人進行通信，其向室內定位機器人發送貨物起點坐標和終點坐標數據，室內定位機器人向其反饋機器人當前的狀態，手持設備將信息顯示在OLED屏上，上位機信息通信系統將信息顯示在頁面上，并顯示機器人當前位置。室內定位機器人通過NRF接收任務數據，接收到任務的機器人識別自己當前所在坐標位置，并通過陀螺儀改變其前進方向。當機器人的坐標與貨物起點坐標相等時，表示機器人到達貨物起點坐標的位置，機器人頂部的伸縮電機伸起，卡住貨架底部，再進行路線的規劃，到達貨物終點坐標后，伸縮電機收起，至此完成一次貨運過程。當貨運任務結束時，檢測當前是否有新的任務，如有任務繼續前往新的貨運起點，沒有則返回等待區等待任務。當機器人電壓低于設定電壓時，會自動規劃路線前往閑置充電坐標點進行充電。系統總體框架如圖1所示，室內定位機器人無人倉庫方案布置如圖2所示。

圖1 系統總體框圖

圖2 室內定位機器人無人倉庫方案布置圖

2 硬件設計

本設計使用STM32F407ZET6單片機作為系統主控，用于控制整體系統運行，相比于51單片機和STM32F1芯片有著質的提升。使用FM11RF08射頻芯片實現對RFID電子標簽坐標的識別；使用TOF10120測距傳感器實現機器人避障功能。當規劃路徑出現了障礙時，機器人等待30 s，如30 s后障礙還未消除，則根據當前坐標重新計算規劃路徑后前往任務坐標。使用6軸的MPU6050電子陀螺儀獲取機器人當前姿態，從而判斷機器人車頭的朝向，同時能精確控制機器人轉向的角度，確保機器人前進方向正確。采用XKT601-02無線充電模塊進行機器人的無線充電，其發射端放置于充電地點，供電輸入9～12 V電壓，接收端放置在機器人底部，當機器人位于充電模式時，即可進行充電。機器人供電采用7.4 V聚合物鋰電池，額定容量為15 000 mAh，大容量電池可為小車提供充足的電能，使運行時間大大延長。數據的無線傳輸使用基于NRF24l01的E34-2G4H20D模塊，RFID手持終端系統和上位機信息通信系統，通過2.4 G頻段與室內定位機器人進行通信。伸縮電機主要用于當機器人到達運輸起始坐標時，通過伸縮電機把放置在坐標上的貨物架卡住，運輸至坐標終點時，伸縮電機收起，完成貨物運輸工作。四路電機驅動主要用于控制機器人行走。

3 軟件設計思路

該室內定位系統共分為3個部分：智能室內定位機器人系統、RFID手持終端系統、上位機信息通信系統。RFID手持終端系統和上位機信息通信系統通過2.4G頻段的NRF模塊與室內定位機器人進行通信。

3.1 室內定位機器人系統設計

室內定位機器人通過NRF無線通信方式與手持RFID終端系統、上位機信息通信系統進行數據通信。系統會判斷有無接收到任務數據，當接收到任務時，連接在串口2上的射頻識別模塊，識別當前所在位置，再通過陀螺儀獲取當前車頭方位姿態，進行坐標的判斷。若當前坐標大于任務坐標，控制電機向左轉向90°，確保車頭朝向前進方向，在進行路線規劃時，遵循先走X軸，再走Y軸路線設計原則，逐步向目標坐標靠近。將當前X坐標與貨物起點X坐標進行比較，機器人要行駛至與貨物起點X坐標一致的位置；再將當前Y坐標與貨物起點Y坐標進行比較，機器人要行駛至與貨物起點Y坐標一致的位置。當機器人的X、Y軸坐標與貨物起點坐標都相等時，表示機器人已到達貨物起點坐標位置，機器人頂部的伸縮電機伸起，卡住貨架底部，機器人獲取當前位置與貨物終點坐標進行對比，再進行路線的規劃，到達貨物終點坐標后，伸縮電機收起，完成一次貨運過程。當貨運任務結束時，檢測當前是否有新的任務，如有任務繼續前往新的貨運起點，沒有則返回等待區等待任務。當機器人電壓低于設定電壓時，會自動規劃路線前往閑置充電坐標點進行充電。室內定位機器人系統運行流程如圖3所示。

圖3 機器人運行流程圖

3.2 RFID手持終端系統設計

RFID手持終端系統提供兩種模式功能，其一用于錄入坐標，其二用于發送任務，可通過KEY5切換模式。當選擇模式一時，首先根據場地大小設置坐標，設置完成后，將電子RFID標簽放置于手持終端底部，即可自動完成坐標錄入。當選擇模式二時，系統先判斷當前機器人是否有任務安排，當機器人暫無任務安排時，則允許通過NRF無線通信發送方式，以16進制數據格式發送4個字節的坐標數據，包含貨物起點坐標，和終點坐標地址發送給機器人。室內定位機器人通過NRF無線通信方式反饋當前位置、電量、狀態、角度信息，系統將這些數據顯示在OLED屏幕上。手持RFID終端系統運行流程圖如圖4所示。

圖4 手持終端運行流程圖

3.3 上位機信息通信系統

上位機信息通信系統的主要功能，是顯示機器人的各個狀態信息和機器人當前的位置，也可以給機器人發送任務信息。上位機先判斷機器人當前是否處于空閑狀態，如處于空閑狀態時，則允許通過以NRF無線通信發送方式，以16進制數據格式發送4個字節的坐標數據，包含貨物起點坐標，和終點坐標地址發送給機器人。室內定位機器人通過NRF無線通信方式反饋當前位置、電量、狀態、角度信息，系統將這些數據顯示在接收頁面上，將數據進行分割填寫于軟件底部信息欄，同時在軟件的右側坐標繪制場地地圖，并根據機器人反饋的坐標位置顯示出機器人的當前位置。上位機信息通信系統運行流程圖如圖5所示。

圖5 上位機運行流程圖

4 系統調試

將室內定位系統的3個部分室內定位機器人、手持終端和上位機進行聯調，進行各項功能的測試。使用RFID電子標簽在室內布局構造場地地圖，模擬運輸場景。手持終端通過NRF無線通信模塊給智能機器人發送運輸目標地址的X、Y坐標，機器人接收到目標地址后，機器人搭載RFID讀寫器，讀取地面電子標簽信息，得出當前位置，且進行坐標比較，從而準確抵達終點坐標位置。機器人通過NRF模塊將機器人的各個狀態信息發送給上位機。打開上位機可在上位機的左側界面看到機器人發送過來的機器人當前位置、電量、狀態、角度等信息，在界面右側的模擬場地地圖上顯示機器人當前位置。在機器人空閑狀態下，上位機的發送窗口輸入任務坐標信息，點擊發送，上位機就會將任務坐標信息發送給機器人。上位機顯示界面如圖6所示。

圖6 上位機顯示主界面

5 結束語

利用室內建筑環境固定易于構建獲得地圖信息的優勢[6]，本文提出一種低成本、可靠性好、適合應用在小型物流倉庫智能存取貨物的基于RFID的室內定位機器人系統。使用RFID標簽構造室內地圖，機器人模擬存取貨物場景，搭載讀寫器，讀取地面RFID標簽信息，得出當前坐標位置，并進行坐標比較，從而行駛至終點坐標位置。經過實地測試并與其它室內定位系統比較，本系統結構簡單、成本低、可靠性好，滿足大小型的物流倉儲場景。

本定位系統不僅僅局限于智能無人物流倉儲應用，也可將其應用于其它室內場景，如：無人餐廳、無人超市、博物館等室內場景的建設中，應用方式多樣化。