一種基于RFID識別技術的新型智能貨架設計

杜 鵑,趙軍偉,熊 聰,王 璐,劉俊杰,侯秀峰

(北京智芯微電子科技有限公司,北京 102200)

0 引言

國家電網公司自2018年起開始構建現代智慧供應鏈體系,以響應國家發展現代智慧供應鏈的理念[1-2]。其中,在“三集五大”改革背景下,如何提高電網企業物資管理水平成為了當前亟待解決的問題。當前,國家電網公司的供應鏈體系建設以物資管理供應業務鏈為核心,而在電網公司物資供應全鏈條中,倉儲管理作為至關重要的環節,旨在提高倉儲業務流程效率、優化庫存物資質量水平、確保臺賬準確性以及創新管理模式,以實現現代智慧供應鏈體系的建設目標[3-4]。因此,如何通過信息化手段優化傳統倉庫倉儲管理流程,提高工作效率,成為了電網公司亟需解決的關鍵問題。電網物資作為地市電網建設和發展的后勤支撐保障部門,電網公司的物資倉儲承擔著地市電網建設和運維所需的物資供應任務[5-6]。隨著電網公司集約化運營戰略實施及智能電網的推進,對物資倉儲管理提出了更高的要求。電網公司當前的倉儲管理存在著管理模式粗放、流程冗長、業務線上線下脫節、手工作業效率低下、系統數據手工錄入易出錯、帳卡物不一致和人工成本高等問題,已經無法滿足電網公司快速發展的需求,因此需要采用自動化設備和新一代信息技術,重新設計倉儲業務流程,以提高倉儲管理效率、保障物資供應質量、降低管理成本,從而滿足物資快速、高質供應的新要求[7]。

RFID(radio frequency identification)技術又稱射頻識別,其主要是利用無線電信號對目標物進行識別,從而達到物品管理與追蹤等目的[8-9]。隨著現代信息技術的發展與應用,自動化程度不斷提高,倉儲作業由傳統手工操作轉變為機械化、智能化和無人化的模式,這也給企業帶來了極大便利[10]。RFID電子標簽因其緊湊的電子標簽體積、長久的使用壽命以及高效的識別能力,已被廣泛采用。針對電力設備類、儀器儀表、工器具的出入庫物資自動化識別要求,可以采用RFID標簽進行唯一標識管理,從而實現設備的高效管理,同時也能夠大幅降低成本[11-12]。

為進一步推廣RFID技術在電網公司智能倉儲領域的應用,本文設計了一套基于反向RFID的倉儲識別系統,以促進智能化倉儲管理的發展。通過分析電網公司現有物流模式和倉儲管理現狀,提出了一種新型的智能倉儲解決方案。該貨架結構設計了一種帶有電磁屏蔽特性的RFID標簽,可用于附著于倉庫物資上,用戶只需取走貨物即可解除該屏蔽,從而實現貨物識別。本文系統在電網公司智能倉儲場景中的可行性得到了驗證。

1 基于嵌入式開發的新型智能貨架

圖1給出了基于嵌入式開發的新型智能貨架設計框圖,該系統利用智能傳感器和RFID讀卡器等傳感設備進行信息采集,并將所得數據傳輸至邊緣端設備,以實現數據傳輸。在終端上實現了用戶管理、貨物信息查詢、貨物狀態監測及庫存控制功能。在前端的顯示模塊中,所處理的數據和對應的貨物信息得到了呈現。當用戶需要查看某個貨品時,只需打開界面選擇所要查詢的區域,便可直接進入到相應區域內,然后根據不同的貨物類型選擇合適的方式進行展示。通過對數據庫中存儲的數據進行處理和分析,可以獲得貨品出入庫的記錄,并據此排名剩余貨品數量和使用頻率,從而實現智能推薦。

圖1 基于嵌入式開發的新型智能貨架設計框圖

1.1 系統網絡方案

本文系統的網絡架構融合了邊緣計算和云計算技術,形成了一種高度智能化的解決方案。由于云計算技術可以為用戶提供海量的服務信息,因此在很多方面得到廣泛運用。通常情況下,云計算的運營和運維都集中在核心節點附近,實現了網絡存儲和計算機資源的高度集中化。在對需求量和數據實時性要求不高的時代,這種方法并不會帶來太多的問題。隨著互聯網技術的發展,越來越多的應用場景也會用到云計算技術,如視頻監控、遠程醫療等。然而,隨著網絡資源調度的普及,傳統的云計算架構已經面臨著諸多挑戰。

在這一背景下,邊緣計算應運而生。邊緣計算是一種在物理服務器和數據中心之間建立1層或多層連接層,以提供給用戶使用,從而減少資源浪費和提高服務質量的技術。由于邊緣計算具有分布式處理、自組織等特性,使其能夠極大提高網絡資源利用率,降低能耗和時延。因此,在數據實時性要求較高的場景下,能最大限度地減少網絡延遲,降低帶寬損耗。

圖2呈現了云計算和邊緣計算的對比,展示了它們之間的差異和相似之處。網關在早期的云計算系統中得到廣泛應用。這種方式在傳輸過程中很容易被攻擊,同時也存在安全隱患。網關的職責在于將傳感器所存儲的數據以有序的方式傳輸至云端,從而實現數據的高效存儲和處理。在這種情況下,網關只能提供簡單的信息傳輸功能。在邊緣計算中,由于數據的傳輸時延與網絡延遲不匹配,導致了數據包丟失或者被其他節點轉發等現象,降低了用戶體驗。對于實時性要求極高的系統而言,將融合后的數據傳輸至邊緣側所需的延遲是難以容忍的。傳統的集中式數據處理模式在這種情況下已經很難實現,并且隨著數據量越來越大,傳輸延遲也逐漸增大。云計算架構因其獨特的特性,在數據監測和采集方面具有更高的適用性,然而在加入執行器的各種場景下,其表現并不盡如人意。為解決這一問題,邊緣計算將按照數據接口的要求進行打包數據,并將其傳輸至云端。

圖2 云計算與邊緣計算的主要差異

1.2 系統硬件方案

本文構建了基于云服務的邊緣計算系統,如圖3所示。該系統由傳感器和智能端設備、設備連接節點、嵌入式處理節點層、網絡連接節點以及基于云的服務所構成,這些元素共同構成了系統的核心部分,旨在提高邊緣計算的效率和精度。通過該系統可以將各種應用與網絡互聯,從而實現對用戶數據實時監控及管理等功能,同時能夠在云端進行數據處理和分析并向終端展示。

圖3 邊緣計算系統架構

采用單主機多從機的方案,傳感器數據在經過串口轉發后進入計算單元進行數據預處理,經過緩存、融合和通信轉換等多道工序,最終被傳輸至網絡連接節點,實現高效的數據傳輸。同時,通過對各節點硬件配置以及軟件算法分析,實現了一個簡單易用的無線視頻監控系統。網絡傳輸控制端和顯示控制端是構成整個系統的2個主要組成部分。該設計實現了對觸摸屏上顯示畫面及鍵盤按鍵輸入信號的檢測并處理,通過無線方式將信息傳遞給電腦或手機終端。

該系統配備了1.8 G雙路6核ARM處理器,以滿足各種網絡需求。同時該平臺具有良好的可移植性,可以移植到其他硬件上使用。Free RTOS的運行可以被智能傳感器處理單元實現。其中硬件設計部分采用模塊化的設計方案,包括電源管理模塊、信號調理電路以及外圍接口等,并給出了詳細的電路設計方案。本文系統支持4 G全頻段傳輸,并可通過有線以太網實現公網接入。同時,還具有強大的數據存儲能力、高速的網絡通信能力以及穩定可靠的數據傳輸性能等特點。該系統自帶的百兆網口可根據不同需求自由配置為LAN口或WAN口,以滿足多樣化的使用場景。

如圖4所示,主機的硬件呈現出一種高度復雜的結構。它具有良好的擴展性、可移植性以及較高的性價比,可以滿足不同用戶對網絡接入速率要求。利用瑞芯微RK3399、MT7628路由模塊以及STM32F407邊緣網關,邊緣計算主機構建了一個高端的平臺。在此基礎上,搭建了包括電源管理、時鐘驅動電路以及外圍電路在內的完整系統架構,并對其中的部分關鍵器件進行選型與布局?；诖擞布?搭建了一個完整的物聯網網絡架構。MT7628路由模塊實現了邊緣計算主機和設備之間的廣泛互聯,從而促進了它們之間的互聯互通和信息共享。

圖4 系統硬件設計方案

1.3 系統軟件方案

如圖5所示,該系統軟件總體架構包括傳感器、MPU預處理、設備注冊、數據融合服務和云端等幾個環節。通過將傳感器獲取的數據經上位機處理后顯示于界面,從而達到對數據進行實時監控和控制的目的。

圖5 系統軟件設計方案

通過對不同種類設備特點的分析和分類處理,按照相應的策略來實現設備狀態監測、設備參數管理和設備故障報警的應用要求。fusion模塊在數據融合過程中起著關鍵作用,它的主要功能是:對登記信息進行匯總,以達到對數據有效集成的目的;轉發由所述注冊裝置生成的心跳;篩選傳感器信息中的異常。

2 新型智能貨架的傳感器設計

在本文系統中,邊緣計算主機可以與多種傳感器相互連接,包括但不限于電容傳感器及RFID傳感器。當需要對貨物實施檢測時,可將這些信息通過無線網絡發送給服務器,由服務器端根據所接收到的數據來判斷是否有物品被放入貨架上。根據這些信息,就可實現對貨物位置和狀態的定位。針對不同的應用場景,可以采用多種傳感器解決方案來實現貨物的識別,本章將重點探討電容傳感器和RFID標簽的設計。

2.1 電容傳感器

電容傳感器在很多領域中都有重要應用,如生物醫學研究、工業自動化控制、電子與信息通信技術、汽車電子、軍事以及醫療診斷等。電容傳感器的探測機制基于傳感器幾何形態的變化或感測層介電特性的變化,以實現對電容傳感器的檢測。電容傳感器是通過改變電極上的電荷量來實現的,而不是利用電介質本身的介電常數。相較于其他技術手段,電容傳感器呈現出卓越的分辨率和出色的動態響應能力。

如圖6所示,本文搭建了采用LC振蕩電路的電容傳感器。這種電容傳感器的運行狀態是通過單片機來控制的。本文通過電容放大交流電壓信號,然后經濾波輸出平穩的直流信號。LC振蕩電路是電感與電容并聯而成,銅箔是電容傳感器兩極板,貨物置于銅箔上時會出現振蕩頻率,此頻率值可用來推算被測電容值。由所測量電容變化可推測物體間距離或者材料變化。

圖6 電容傳感器原理

根據LC振蕩電路的基本原理,電容傳感器的頻率可以通過以下公式推導而來,即

(1)

CSEN傳感器的差分配置可以通過以下方式來確定其電容,即

(2)

2.2 反向RFID傳感器

RFID識別原理如圖7所示。從圖7中可以看出,RFID系統的工作原理是讀寫器接收到電子標簽的電磁信號后會在天線上產生射頻電場,進而將電磁波轉化為電信號,并最終通過單片機進行處理獲取對應信息以達到自動跟蹤管理物品的目的。在貨物表面貼上電子標簽并與之捆綁,使得標簽所處位置和屏蔽層密合,達到屏蔽信號的目的。由于屏蔽層的內部具有空腔,可將讀寫器置于該腔體內。貨架上所有貨物均貼有對應貨物ID且有屏蔽層屏蔽的標簽。當取走物品時標簽會從屏蔽層中脫離,這樣就能從讀寫器接收數據并且把標簽ID送回讀寫器。讀寫器能夠基于所接收到的標簽ID來完成對貨物的標識。

圖7 RFID識別原理

反向RFID識別系統屏蔽材料或者屏蔽結構設計對RFID標簽屏蔽效果非常重要,4種新型RFID屏蔽結構設計方案如下所述。

a.按照圖8a的規定,貨物被貼在金屬板上面,這種金屬板可用來屏蔽多種物質,如無線電波屏蔽膜、金屬網。標簽上的ID和相應貨物捆綁在一起,標簽被金屬板遮擋。拿起物品后,只要把標簽移出金屬板就可以收到讀寫器的信息,標簽ID返回給讀寫器。讀寫器收到信號后對電子標簽的ID進行解碼,然后把標簽的號碼封裝進去。最后,打包信息可通過USB接口傳輸給上位機,上位機根據收到的電子標簽ID對貨物類目進行標識,由讀寫器編號判斷貨物位置范圍。

圖8 反向RFID屏蔽結構設計

b.從圖8b中可以看出,電子標簽和銅箔組合構成高效屏蔽結構,利用物品粘貼于貨物底部,再置于貨架之上,使標簽和銅箔緊密配合,從而達到有效屏蔽。

c.按照圖8c的規定,該結構包括貨物、屏蔽層、回彈結構和標簽。標簽在被擠壓時發生形變被壓在標簽層上。在物品擺放時,利用回彈結構使屏蔽層和標簽接觸,達到有效屏蔽效果;當取走貨物后,屏蔽層在標簽上的屏蔽效應會因為回彈結構的回彈而抵消掉。

d.圖8d是一種新型RFID標簽結構,在天線端引入薄膜常閉開關來進一步提高其性能及可靠性。當貨物在貨架上時,電子標簽天線斷開造成RFID不可讀。當取走物品后,天線端的開關切換到關閉狀態,電子標簽上的天線導通即可收到讀卡器傳來的信息并將標簽ID返回讀卡器。讀卡器收到信號后對電子標簽的ID進行解碼,并封裝在其中的號碼。最后通過USB接口將打包后的消息傳輸給上位機,上位機根據收到的電子標簽ID對貨物類目進行標識。

3 新型智能貨架的測試

3.1 電容傳感器測試

將同樣重量的塑料瓶裝飲料和金屬罐裝咖啡分別置于銅箔上,通過電容變化來判斷這2種貨物的電容值變化,從而準確地確定它們的具體類型。實驗過程中,先把不同體積的瓶子放在1塊鋁箔上,然后用彈簧測力計測量它們受到的力,最后計算出該物體的質量,根據此結果就能夠很容易地判定貨物是否被放入。在圖9a所示的貨盒中,未發現任何貨物,而在圖10a所示的貨盒中,則顯示未發現任何貨物;如果有貨物的話,則該物體為金屬罐。如圖9b所示,塑料瓶裝飲料和金屬罐裝咖啡分別被放置在貨盒的兩側,而圖10a則展示了可辨認的貨物種類。

圖9 電容傳感器測試

圖10 電容傳感器測試顯示結果

3.2 RFID傳感器測試

在RFID傳感器的系統測試中,RFID讀寫器的SMA接口與1根天線相連, 接著通過USB線路與主機相連。如圖11所示,測試系統的實物展示了1個帶有屏蔽層的貨架,其中隱藏著1根天線,貨架上陳列著各式各樣的貨物,每件貨物都貼有RFID標簽。當需要讀取標簽數據時,控制主機會向讀寫器發送指令。當取起貨物時便失去了屏蔽層,此時系統將會檢索到標簽信息,并將其發送給控制主機同時將貨物詳細信息進行顯示。

圖11 RFID系統實物

如圖12所示,對基于RFID傳感器的貨物識別系統進行多次測試。由圖12可知,隨著測試次數的增加,系統的識別準確率趨于穩定,綜合識別準確率達到了99.4%。因此,本文所提系統具有較高的識別準確性,有助于實現高效的倉儲管理。

圖12 基于RFID傳感器的貨物識別系統的準確性測試

4 結束語

為了提升電網公司物資倉庫管理效率,提出了一種RFID識別智能貨架,將嵌入式平臺與邊緣計算主機相融合,以達到更高效的管理效果。通過對現有電網企業物資倉庫管理系統存在不足進行研究與分析,結合物聯網技術,建立基于物聯網技術的智能貨架系統。嵌入式邊緣計算主機利用電容傳感器和RFID傳感器識別貨物時,邊緣計算主機能夠將各種傳感器組合在一起,從而形成智能貨架識別系統的設計方案,適用于各種場景。最終,經過測試,表明智能貨架識別系統具有顯著的有效性。