硕士论文-RFID定位跟踪技术在大型纸品仓库的应用研究.pdf

霉南 量歹久事 S o u t hC h i n a U n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y 专业学位硕士学位论文 R F I D 定位跟踪技术在大型纸品仓库 的应用研究 作者 学科 指导 姓名 专业 教师 所在学院 论文提交日期 李山 软件工程 刘发贵副教授 刘小欣高级工程师 软件学院 2 0 0 6 年1 0 月 摘要 由于传统的定位技术不能满足室内定位环境和精度的要求 而R F I D 技术所 具有的非接触和非视距等优点使其成为优选的室内定位技术 为了解决了传统条 形码读写距离近 速度慢 不稳定等缺陷 探询R F I D 技术在库存跟踪和资产管 理方面的利用价值 本文以大型造纸厂成品仓库为具体应用对象 研究R F I D 定 位跟踪技术在纸厂仓库的应用 本论文在深入研究R F I D 定位系统工作原理和性能特征的基础上 结合造纸 厂仓储管理现状和需求的调研 对R F I D 仓库定位跟踪管理系统的总体思路 结 构框架和软件模块等要点都给出了详细地阐述 整个研究开发过程中 主要做了 以下几方面的工作 1 对R F I D 定位技术和定位算法进行了深入的研究 2 在详细了解造纸厂仓储管理现状和需求的基础上 给出在造纸厂应用R F I D 定位技术的几种模式 3 解决了边界定位以及叉车动作的捕获等关键技术问题 并对R S S I 和T D O A 两种定位算法的定位性能做了测试和分析 4 1 给出一套完整的造纸厂成品仓库的R F I D 定位跟踪管理系统解决方案 R F I D 定位跟踪技术在在大型造纸厂成品仓库的应用改变了以前传统的人工 仓储管理模式 适应了仓储管理发展的需要 充分发挥出了读写系统的远距离特 征 具有优化资源配置 节约仓储成本 提高工作效率等优点 使企业信息处理 的自动化程度得以全面提高 该项目已投入造纸厂进行现场测试 效果反映良好 关键词 大型造纸厂成品仓库 仓储管理系统 R F I D 定位技术 A b s t r a c t S i n c et r a d i t i o n a ll o c a t i o nt e c h n i q u e sa r en o ts u i t a b l ef o ri n d o o re n v i r o n m e n t n o t s a t i s l y i n gt h ea c c u r a c yr e q u i r e m e n t s R F I Dt e c h n i q u eb e c o m e sa ne x c e l l e n tc a n d i d a t e f o ri n d o o rl o c a t i o nt e c h n i q u eb e c a u s eo fi t sa d v a n t a g e ss u c ha sn o n c o n t a c ta n d n o n l i n e o f s i g h tn a t u r e T h e r e f o r e t h ea i mo ft h i st h e s i si s t oi n v e s t i g a t eh o wt o a p p l yR F I Dl o c a t i o nt e c h n i q u ea t al a r g ep a p e rm i l lw a r e h o u s e i no r d e rt or e s o l v e s u c hd i s a d v a n t a g e so ft r a d i t i o n a lb a rc o d ea sb e i n gr e a d w r i t ec l o s e s l o w n e s sa n d i n s t a b i l i t y a n ds e e k i n gt oc a p i t a l i z eo nt h i st e c h n i q u e Sp o t e n t i a lf o ri n v e n t o r y t r a c k i n ga n da s s e tm a n a g e m e n t O nt h eb a s i so fp r i n c i p l e sa n dp e r f o r m a n c e so fR F I Dl o c a t i o nt e c h n i q u e a n d w i t hr e s e a r c ho nt h es t a t u sa n dr e q u i r e m e n to fp a p e rm i l lW M Si nd e t a i l t h i sp a p e r s p e c i f i e st h ee n t i r es o l u t i o n t h es y s t e mf r a m ea n ds o f t w a r em o d u l eo ft h eR F I D w a r e h o u s el o c a t i n g t r a c k i n gm a n a g e m e n ts y s t e m T h ef o l l o w i n gp o i n t sw i l lb e c o v e r e di nt h ew h o l er e s e a r c h 1 T h eR F I Dl o c a t i o nt e c h n i q u ea n dl o c a t i o na r i t h m e t i ch a v eb e e nr e s e a r c h e d f u r t h e r 2 O nt h eb a s i so ft h es t a t u sa n dr e q u i r e m e n to fp a p e rm i l lW M Sr e s e a r c h e di n d e t a i l p r o v i d es o m ea p p l i c a t i o nm o d eo fR F I Dl o c a t i o nt e c h n i q u eo nw a r e h o u s eo f p a p e rm i l l 3 R e s o l v es o m ep i v o t a lt e c h n i q u e s u c ha sb o r d e r l i n el o c a t i n ga n dt h ec a p t u r eo f f o r k l i f ta c t i o n a n dh a st e s ta n da n a l y z e dt h el o c a t i o np e r f o r m a n c eo fR S S Ia n d T D O A 4 P r o v i d e ae n t i r e s y s t e ms o l u t i o no fR F I Dw a r e h o u s el o c a t i n g t r a c k i n g m a n a g e m e n ts y s t e mo np a p e r m i l l T h ea p p l i c a t i o no fR F I Dl o c a t i o nt e c h n i q u eo nl a r g ep a p e rm i l lw a r e h o u s eh a s c h a n g e dt h em o d eo f t r a d i t i o n a lm a n a g e m e n t w h i c hh a st h ea d v a n t a g e so fo p t i m i z i n g t h er e s o u r c eo fe n t e r p r i s e s a v i n gt h ec o s to fs t o r a g ea n di m p r o v i n gt h ee f f i c i e n c yo f w o r kS Ot h a tt h ed e g r e eo ft h ee n t e r p r i s ea u t o m a t i z a t i o nc a l lb ei m p r o v e dw e l l T h i s p r o j e c th a sb e e nu s e di nt h ep a p e rm i l la n d b e e np r o v e dt ob es a t i s f y i n g K e yw o r d s l a r g ep a p e rm i l lw a r e h o u s e w a r e h o u s em a n a g e m e n ts y s t e m R F I D l o c a t i o nt e c h n i q u e I I 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究 所取得的研究成果 除了文中特别加以标注引用的内容外 本论文不包 含任何其他个人或集体己经发表或撰写的成果作品 对本文的研究做出 重要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本人完全意识到 本声明的法律后果由本人承担 作者签名 李也 日期 枷 年l f 月沙日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 即 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属华南理工大学 学 校有权保存并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许 学位论文被查阅 除在保密期内的保密论文外 学校可以公布学位论文 的全部或部分内容 可以允许采用影印 缩印或其它复制手段保存 汇 编学位论文 本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致 本学位论文属于 口保密 在 年解密后适用本授权书 嘲i 保密 学位论文全文电子版提交后 曰同意在校园网上发布 供校内师生和与学校有共享协议的单位 浏览 请在以上相应方框内打 作者签名 惦日期 珈6 l 2 指导教师签名 纠茂L 日期 扰叼 I f 詹 l 第一章绪论 第一章绪论 1 1 论文提出的背景 目前 大部分企业的仓库管理系统还处于传统的手工作业或计算机半自动化 管理方式 对每一件产品的信息处理仍需要企业各级操作员手工完成 这种管理 模式在现代企业的发展过程中已暴露出许多缺点 大大影响了企业实现信息自动 化的进程 与此同时 中国生产企业在市场营销 技术创新 经营管理等能力方 面与国外大型企业相比还存在比较大的差距 这些差距也突出表现了企业信息化 的落后 面对日益严峻的国际竞争环境 国内企业急需加快调整的步伐 促进行 业信息化的开展 实现企业信息管理质的飞跃 随着世界经济全球化的高速发展以及科学技术的迅猛发展 众多的高新科技 产品走入了人们日常生活之中 尤其是近二十年之中 电脑技术 短程微波通信 技术 图像数字处理技术 自动控制技术的突破性发展 给人们的生活带来了深 刻的变化 现今全球步入信息化时代 人们的生活节奏加快 昔日费时费力的设 备及管理方法逐渐退出了历史的舞台 取而代之的是高智能化性能优异的高科技 产品 R F I D 因其非接触 非视距 高速多目标识别等等技术上的特性 已成为 近年来仓储 物流领域的应用热点 1 1 1 无线射频识别技术 R F I D 概况 R F I D R a d i oF r e q u e n c yI d e n t i f i c a t i o n 技术全称是无线射频识别技术 是一 种非接触式的自动识别技术 它由读写器和R F I D 标签组成 两者通过射频信号 自动获取相关数据 起到对贴有R F I D 标签的物体的识别功能 相对条形码 R F I D 技术可同时识别多个对象 并具有防水 防磁 耐高温 使用寿命长 读取距离 大 标签上数据可以加密 存储数据容量更大 存储信息更改自如等优点 R F I D 技术诞生于二战期间 1 1 但此后的5 0 多年时间里 其发展一直裹足不 前 近年来 其应用技术环境日臻成熟 又异军突起 吸引了众多企业的关注 R F I D 直接继承了雷达的概念 并由此发展出一种生机勃勃的A I D C 新技术 R F I D 技术 1 9 4 8 年 哈里 斯托克曼发表的 利用反射功率的通讯 奠定了R F I D 的理论基础 R F I D 技术的发展可按1 0 年期划分如下 1 9 4 1 1 9 5 0 年雷达的改 华南理T 大学硕 学何论文 进和应用催生了R F I D 技术 1 9 4 8 年奠定了R F I D 技术的理论基础 1 9 5 1 1 9 6 0 年早期R F I D 技术的探索阶段 主要处于实验室研究阶段 1 9 6 1 1 9 7 0 年R F I D 技术的理论得到了发展 开始了一些应用尝试 1 9 7 1 1 9 8 0 年R F I D 技术与产品 研发处于一个大发展时期 各种R F I D 技术测试得到加速 出现了一些最早的R F I D 应用 1 9 8 1 1 9 9 0 年R F I D 技术及产品进入商业应用阶段 各种规模应用开始 出现 1 9 9 1 2 0 0 0 年R F I D 技术标准化问题同趋得到重视 R F I D 产品得到广泛 采用 R F I D 产品逐渐成为人们生活的一部分 2 0 0 1 年至今R F I D 产品种类更加 丰富 有源电子标签 无源电子标签及半无源电子标签均得到发展 电子标签成 本不断降低 规模应用行业扩大 6 l R F I D 典型应用包括 在物流领域用于仓库管理 生产线自动化 日用品销 售 在交通运输领域用于集装箱与包裹管理 高速公路收费与停车收费 在农牧 渔业用于羊群 鱼类 水果等的管理以及宠物 野生动物跟踪 在医疗行业用于 药品生产 病人看护 医疗垃圾跟踪 在制造业用于零部件与库存的可视化管理 2 3 R F I D 还可以应用于图书与文档管理 门禁管理 3 1 定位与物体跟踪 环境 感知 4 5 等多种应用领域 1 1 2R F I D 系统组成 通常 R F I D 系统由标签 读写器和计算机系统这三个主要部分组成 图1 1R F I D 系统组成 1 电子标签 T A G 电子标签由一个专用电子芯片和一个微型天线组成 是R F I D 系统的核心部 件 用于储存生产厂家及货品的识别信息 E P C 标签尺寸的大小可根据用户要求 设计 标签的 面为电子部分 另一面可以印刷条形码或其它信息 2 第一章绪论 每个芯片都含有唯一的识别码 U I D 电子标签按获得能量的方法一般可分 为无源电子标签和有源电子标签两大类 无源电子标签自身不带有电源 通过天 线从读写器发出的能量中产生工作所需的电压 其特点是重量轻 体积小 寿命 长 但是工作距离短 有源电子标签通过自身带有的电池供电 特点是识别距离 长 但价格较高且寿命短 通常R F I D 标签应具有如下功能 具有一定容量的存储器 用以存储被识别对象的信息 在一定工作环境及技术条件下标签数据能被读出或写入 维持对识别对象的识别及相关信息的完整 数据信息编码后 工作时可传输给读写器 可编程 且一旦编程后 永久性数据不能再修改 具有确定的使用期限 使用期限内无须维修 对于有源标签 通过读写器能显示出电池的工作状况 2 读写器 R E A D E R 读写器可以无接触的读取电子标签中所保存的电子数据信息或向电子标签存 储器写入数据信息 从而达到自动识别物体或改写电子标签存储器数据的目的 R F I D 读写器可在5 8 米远的距离与贴在货品或托盘上的电子标签进行非接触的 快速的无线通信 采集标签中所存储的信息 并将所获得的数据通过网络传送到 R F I D 前端处理机或后台服务器 整个过程只需几毫秒即可完成 通常射频读写器应具有以下功能 一读写器与标签通信的功能 在规定的技术条件下读写器可与标签进行通信 读写器与计算机通信的功能 通过标准接口与计算机网络连接 并提供本读 写器的识别码 本读写器读出标签的日期和时间 本读写器读出的标签信息 以 实现多个读写器在系统网络中运行 有些应用系统的读写器还具有以下功能 能在读写区内查询多个标签 并能 正确区分各标签 适用于固定和移动对象 能提示读写过程中的错误信息 对于有源 标签 能读出标签电池有关信息 如电池电量指示 3 计算机系统 计算机系统通过R S 2 3 2 4 8 5 或者e t h e r n e t 以太网与系统中的各个读写器相连 接 运行与其上的应用程序平台应用中间件 m i d d l e w a r e 与读写器系统互相通 华南理一r 大学硕士学何论文 信 发送相关指令及处理采集到的数据 构成一个完整的R F I D 系统 1 1 3R F I D 定位系统 移动计算器件和无线局域网络技术的进步促进了定位技术的飞速发展 目前 最为人所熟知的定位系统是G P S 全球定位系统 G P S 定位系统属于卫星定位 已 广泛应用于许多军用及民用领域如车辆定位导航等等 但是 G P S 定位系统在进行室内定位时存在固有的定位精度问题 所以必须 通过其他定位技术解决室内定位问题 如红外线 8 0 2 1 l 超声波和R F I D 等等 这些系统各有优缺点 其中R F I D 技术由于其非接触和非视距等优点已成为优选 的定位技术 R F I D 系统可以在几毫秒内得到厘米级定位精度的信息 其传输范 围很大 成本较低 因此备受关注 R F I D 定位与跟踪系统主要利用电子标签对物体的唯一标识特性 依据读写 器与安装在物体上的标签之间射频通信的信号强度 R S S I 或信号到达时间差 T D O A 来测量物品的空间位置 主要应用于G P S 系统难以奏效的室内定位领域 1 2 国内外R F I D 产业研究现状 目前国内外R F I D 的研究主要围绕着R F I D 标准制定 R F I D 技术研究和R F I D 应用研究 1 2 1R F I D 标准的制定 R F I D 技术领先的国家和地区都在积极地制定自己的标准 目前 I S O I E C 1 8 0 0 0 美国E P C G l o b a l 钉 日本泛在中心 U b i q u i t o u s I D 9 的三个主要标准正 在制定中 这三个标准相互之间并不兼容 主要差别在通讯方式 防冲突协议和 数据格式这三个方面 在技术上差距其实并不大 这三个标准都按照R F I D 的工 作频率分为多个部分 在这些频段中 以1 3 5 6 M H z 频段的产品最为成熟 处于 8 6 0 9 6 0 M H z 内的U H F 频段的产品因为工作距离远且最可能成为全球通用的频 段而最受重视 发展最快 I S O I E C1 8 0 0 0 标准是最早开始制定的关于R F I D 的国 际标准 按频段被划分为7 个部分 目前支持I S O I E C l 8 0 0 0 标准的R F I D 产品 最多 相对的也最成熟 美国E P CG l o b a l 是由U C C 和E A N 两大组织联合成立 4 第一章绪论 吸收了麻省理工A u t oI D 中心的研究成果后推出的系列标准草案 E P CG l o b a l 最 重视U H F 频段的R F I D 产品 极力推广基于E P C 编码标准的R F I D 产品 目前 E P C G I o b a l 标准的推广和发展十分迅速 许多大公司如沃尔玛等都是E P C 标准的 支持者 日本的泛在中心 U b i q u i t o u s1 D 一直致力于本国标准的R F I D 产品开 发和推广 拒绝采用美国的E P C 编码标准 与美国大力发展U H F 频段R F I D 不 同的是 日本对2 4 G H z 微波频段的R F I D 似乎更加青睐 目前日本已经开始了许 多2 4 G H zR F I D 产品的实验和推广工作 但是 追于和美国U H F 频段R F I D 产 品互通的压力 日本也开始考虑和E P C 标准兼容的问题1 9 我国有关政府部门已 经充分认识到R F I D 产业的重要性 在2 0 0 4 年初正式成立了电子标签国家标准工 作组 其目的就是制定中国自己的R F I D 标准 推动中国自己的R F I D 产业 目 前 我国的R F I D 标准正在紧锣密鼓的制定当中 1 2 2R F I D 技术研究 R F I D 技术研究主要集中在标签芯片设计 读写器设计和天线设计 1 2 2 1 标签芯片设计 7 R F I D 标签芯片按照不同的应用场合分别工作在不同的频段 工作频率选择 是R F I D 技术中的一个关键问题 工作频率的选择既要适应各种应用需求 还需 要考虑各国对无线电频段使用和发射功率的规定 当前R F I D 工作频率跨越多个 频段 如图1 2 所示 不同频段具有各自优缺点 它不仅影响标签的性能和尺寸 大小 还影响标签与读写器的价格 此外 无线电发射功率的差别影响读写器作 用距离 图1 2R F I D 工作频率 华南理丁大学硕士学位论文 H F 频段 1 2 5 k H z 1 3 5 6 M H z 这两个频段的R F I D 芯片种类多 技术成 熟且价格低廉 其中 1 3 5 6 M H z 的I s O I E C1 5 6 9 3 标准的产品是近距离R F I D 产 品的主流 国外公司如T i P h i l i p s A t m e l E M 等提供的产品占了大部分市场 一U H F 频段 9 0 0 M H z T i P h i l i p s I n t e r m a e A l i e n M a t r i e s S G S E M 等 这些公司都已经推出U H F 频段的R F I D 产品 一2 4 G H z 频段 工作在这一频段的主要是有源R F I D 产品 目前国内的芯片公司已经完全掌握了1 2 5 k H z 和1 3 5 6 M H z 这两个频段的 R F I D 芯片设计技术 在国内的I c 卡市场 复旦微电子 上海华虹等公司都推出 了一系列成熟的R F I D 产品并在和国外大公司的平等竞争中取得越来越多的市场 份额 在U H F 和更高频段的R F I D 芯片设计上 国内公司也已经开始了研发工作 1 2 2 2 读写器设计 7 同R F I D 芯片一样 1 2 5 k H z 的低频段和1 3 5 6 M H z 的高频段的读写器设计相 对比较成熟 产品种类也较多 但在用1 3 5 6 M H z 频率的R F I D 作大于O 5 米远 距离操作时 因为此频段R F I DT 作原理的局限性 需要制作很大的天线 而且 调试比较困难 因此在远距离的R F I D 中 1 3 5 6 M H z 的读写器的制作和调试仍 是一个难点 在U H F 和更高的频段 读写器的研发工作正在快速进行中 支持各 种标准的阅读设备不断涌现 但是由于尚处于发展的初期 还存在一些如识别率 相互干扰 小型化等问题 在国外 为了支持多种规格的产品 读写器正在向小 型化 多协议 多频段的方向发展 1 2 2 3 天线设计 由于应用场合的限制 R F I D 标签通常需要贴在不同类型 不同形状的物体 表面 甚至需要嵌入到物体内部 R F I D 标签在要求低成本的同时 还要求有高 的可靠性 此外 标签天线和读写器天线还分别承担接收能量和发射能量的作用 这些因素对天线的设计提出了严格要求 当前对R F I D 天线的研究主要集中在研 究天线结构和环境因素这一天线性能的影响上 6 第 章绪论 1 2 3R F I D 应用研究和国内外应用现状 基于R F I D 标签对物体的唯一标识特性 引发了人们对基于R F I D 技术的应 用研究热潮 物流与实物互联网是当前R F I D 应用研究的热点 其中实物互联网 是通过给物品贴上R F I D 标签 在现有互连网基础之上构建所有参与流通的物品 信息网络 另一应用研究热点是空间定位与跟踪r i o R F I D 定位与跟踪系统主要利 用标签对物体的唯一标识特性 依据读写器与安装在物体上的标签之间射频通信 的信号强度或信号时间差来测量物品的空间位簧 主要应用于G P S 系统难以奏效 的室内定位领域 I I A 2 J 3 目前国内许多仓储物流领域的R F I D 应用系统 往往只是简单的实现对原有 条码管理系统的取代 对仓库出入口运用R F I D 技术进行出入库管理 而对于传 统的大型仓库管理系统凸显的许多症结 如库内货物的精确定位 查找和快速盘 点 以及叉车操作行为的全程跟踪等问题 缺乏有效的技术手段去解决 而R F I D 的室内定位系统 正是解决此类问题的有效技术手段之一 1 2 3 1R F I D 在物流仓储领域的应用 沃尔玛集团 由山姆 沃尔顿创立的沃尔玛百货有限公司成立于1 9 6 2 年 短短的4 0 年间 沃尔玛由一个小型商店发展成世界最大的零售企业 沃尔玛敏锐的商业触觉让它认识到R F I D 技术会给物流供应链带来的巨大革 新和收益 2 0 0 3 年 沃尔玛要求其全世界范围内最大的1 0 0 个供货厂家必须在2 0 0 5 年1 月前使用R F I D 技术 以提高沃尔玛整体竞争力 这使其成为世界上第一个 强制使用R F I D 技术的大型企业 在其物流供应链应用R F I D 系统后 以传统物 流系统相比较 沃尔玛的商品周转期只需2 3 天 而传统的至少需要1 2 0 天 沃 尔玛物流支出占成本的比例只有2 3 而传统的高达3 0 5 0 沃尔玛销售配送 中心安全库存时间为0 4 天 而传统的则高达4 0 6 5 天 在2 0 0 6 年 沃尔玛计划将其安装R F I D 设备的商场 连同配送中心的数量翻 一倍 在2 0 0 7 年1 月 沃尔玛希望下一批的3 0 0 多个供应商开始运送贴有电子标 签的货箱和货盘 这样在2 0 0 7 年年初使用R F I D 技术的供应商将超过惊人的6 0 0 家 3 华南理f 火学硕十学位论文 昆明市烟草公司数字化仓库 昆明市烟草公司也在近期应用无线射频识别 R F I D 技术对其卷烟配送中心 进行了数字化建设 数字化仓库项目建成后 结合计算机技术和托盘管理 在很 大程度上优化了卷烟配送中心的业务流程 入库时 货物在传送带上经扫码后 直接堆放在托盘上 由在系统控制下的提升机自动将该托盘送到相应楼层 最后 叉车将托盘送到系统分配的货位存放 出库时 叉车根据系统指示 按照先进先 出的原则将目标托盘送到提升机 再送至分拣中心进行分拣 昆明市烟草公司通过R F I D 技术对托盘的有效管理和运用 减少了卷烟货物 的搬运次数和破损机率 提高了运行效率 实施数字化仓库项目以前 完成4 0 0 0 件卷烟第一次出货工作需要约3 3 5 个小时 该项目完成之后 这一时间已缩短 到2 个小时左右 第二次补货出库的时间也由原来的2 2 5 小时缩短到了约1 个 小时 数字化仓库的建设不仅实现了更快地找到所需货物 同时实现了减少商品供 应品种中有脱销情况发生 保持了准确的适当存货 杜绝人为操作失误 缩短了 供销计划时间 从而减少存货占用资金 降低运费 使零售商的商品销售得到及 时的满足 1 2 3 2R F I D 定位跟踪系统的应用 美军在军事训练中采用超宽带R F I D 系统跟踪士兵活动 佐治亚州本宁兵营 F o r tB e n n i n g G a 中的美军在城市地形军事行动 M i l i t a r yO p e r a t i o n si nU r b a nT e r r a i n M O U T 训练中采用了位于丹佛 U b i s e n s e 公司的超宽带 u l t r a w i d e b a n d U W B R F I D 系统 跟踪在模拟村庄训 练的士兵 模拟村庄是由煤渣砖建造的一些楼房组成的 R F I D 读写器U b i s e n s o r s 遍布在建筑物中 追踪士兵的精度达l 英尺 由标签 产生的R F 信号分析士兵们的位置 由于超宽带波形可以穿过墙壁 因此很难精 确地确定士兵的具体位置 为了精确地确定某时刻士兵是否在房间内 他们在门 口安装了红外发射机 装在士兵内衣的红外接收机 I n f r a r e dr e c e i v e r s 将信息 发送到9 0 0 M H z 的无线电设备 无线电设备再将收到的信息传送到后端的系统软 件 训练过后分析再现数据 士兵们可以从中吸取教训 从而到达更好的训练结 第一章绪论 果 例如 在什么情况下射击 在什么情况下端枪不扣动板机 3 0 j 美医院选用A e r o S c o u t 和C i s c o 的资产病人跟踪解决方案 A e r o S c o u t 公司是企业可视性解决方案的先驱 近H 宣布宾夕法尼亚雷丁市 的雷丁医院和韩国汉城的天主教医疗中心一K a n g N a m 圣玛丽医院 已选择 A e r o S c o u t 定位解决方案 帮助精确了解资产位置 充分利用医疗设备 以便改 进病人护理 提高效率和降低成本 A e r o S c o u t W i F i 有源R F I D 解决方案与C i s c o 2 7 0 0 系列无线定位器相结合 能为医疗部门和其他许多行业的客户提供强大的管 理 报告及可视性功能 这两家医院都选择A e r o S c o u tW i F i 有源R F I D 解决方案与医院现有的C i s c o W i F i 网络基础设施全面可靠无缝连接 利用寿命长的A e r o S c o u t 有源R F I D 标签 和A e r o S c o u tM o b i l e V i e w 软件与C i s c o2 7 0 0 系列无线定位器 C i s c o 病房连接设备 中的主要部件 相结合 可实时跟踪所有医疗设备 资产和人员 确定其位置 医 院工作人员通过网络工具很容易得到宝贵的资料 用来改进工作 提高服务质量 1 2 9 1 3 课题的提出及研究的意义 目前R F I D 技术在应用中仍存在着几个需要解决的问题 读写冲突 R F I D 安 全和隐私保护 天线和R F I D 定位跟踪 除R F I D 定位技术外 其他的三个问题 尽管没有得到根本解决 但是已不再对R F I D 技术的实际应用造成大的障碍了 反观R F I D 定位技术 由于其他定位技术如G P S 的存在和广泛应用严重阻碍了 R F I D 定位技术的发展 现有的R F I D 定位技术多用于室内环境中 而且定位精度 不高 大多在5 m 左右的定位精度 这两年随着U W B 的兴起 R F I D 定位可以达 到更高定位精度 这种不使用载波而是采用短能量脉冲的超宽带技术 可以一定 程度克服环境噪声的干扰 根据场合采用不同的定位算法 可以达到良好的定位 精度 1 4 英国U b i s e n s e 公司采用U W B 技术推出的P o s i t i o n i n g L o c a l i z a t i o n 系 统 据称可达到1 5 c m 3 0 c m 的定位精度 1 5 随着各个领域对移动位置服务 L B S L o c a t i o nB a s e dS e r v i c e 需求的不断扩 大 现有的技术在某些方面存在着缺陷 如G P S 在室内环境就无法精确定位 所 以利用T a g 对物体的唯一标识特性 依据读写器与安装在物体上的标签之间射频 通信的信号强度来测量物品的空间位置的R F I D 定位技术得到了发展的机会 9 华南理1 大学硕十学位论文 R F I D 的普及为人与物体的空问定位与跟踪服务提供了一种新的解决方案 在零 售业 R F I D 定位系统在超市范围内对消费者进行跟踪服务 购物过程中R F I D 定位 系统帮助消费者寻找想要购买的商品 完成购物后R F I D 定位系统为消费者可在无 人收款台结账 在物流业 R F I D 定位技术结合其他定位技术实现对物流上的货 物实施实时定位并对货物动作做出反应 R F I D 定位技术帮助港口和车站的集装 箱堆场提高场位利用率减少管理成本 在大型造纸厂的成品仓库中 采用R F I D 技术对货品进行精确跟踪和定位对 于其仓库管理有着非凡的意义 造纸厂成品仓库的货品是高l m 左右 直径达1 5 m 的巨型纸卷 每个托盘上 可放置两卷这样的纸卷 由于货品的重量和体积因素 纸品仓库不可能采用货架 来管理货品 只能采用堆场的形式将货品分区域精密堆放 在这种环境下 传统 的采用条码技术的W M S 系统显然存在很多的弊端 例如 堆场中位置靠里的货品 上的条码无法被扫描 造成货物查找 盘点的困难 出入库时 货品的高度也使 的条码扫描的效率低下 并且 由于条码扫描系统中的人为因素 不可避免会产 生许多错误 如错误的出货 库存损坏或丢失等等 而由于库存不准确 企业无 法摸清家底 在生产上无法针对市场的变化做出及时合理的调整 系统库存数据 不准确 就需要经常进行人工盘点 但是在几万平方米的大型仓库中 几万件直 径超过l 米的巨型纸卷紧密堆放 盘点工作是一项费时 低效的浩大工程 严重 影响了企业的运转效率 对造纸厂成品仓库中的纸卷进行精确定位和定位 以实现准确高效的库存管 理 已成为企业最迫切的需求 采用R F I D 定位技术对纸品进行跟踪和定位 可以跟踪到纸卷经过的所有路 径 通过在后台得到的许多数据 可以图示说明库存的变化以及对纸卷整个过程 中发生的操作 并回溯 分析和优化仓库的流程 这样给仓库管理带来的好处 是增强了库存准确度 消除了产品丢失 同时也减少了运作成本与库存水平 事 实上 在恶劣的工业环境下 只有运用R F I D 技术才可达到更高的库存精确度 1 4 本文研究思路与内容安排 本文以某大型纸厂为具体应用对象 通过对现有的几种R F I D 定位技术进行 分析 结合纸品仓库的实际情况 构建一个仓库跟踪管理系统方案 并通过实际 1 0 第一章绪论 项目实现此方案 项目方案拟采用无源和有源R F I D 产品相结合的方式 通过布置在仓库内的 R F I D 阅读器网络构建产品信息自动化采集平台 并通过2 4 G H z 的有源R F I D 定 位系统 实现对仓库内产品的实时跟踪和精确定位 以改变其传统的人工仓库管 理模式 使企业信息处理的自动化程度得以全面提高 围绕系统开发过程中的各种技术 本文内容将按照以下几个方面进行安排 第二章定位技术和定位算法研究 研究国内外现有的主要定位技术和室内定 位算法 为总体方案的制定给出理论基础和指导方向 第三章R F I D 定位系统在纸厂仓库应用的总体思路 针对大型纸厂的物流仓 管现状及需求 选择合适的定位系统 给出几种R F I D 定位系统的应用思路 并 结合企业实际情况选择最合适的系统解决方案 第四章关键技术点 详细描述方案中的关键技术点 包括定位系统中叉车动 作的捕获 边界定位问题等 并说明其解决方法 第五章P o s i t i o nS e r v e r 定位引擎的研究 描述了定位引擎的架构和工作方式 并搭建仿真环境 对其定位性能作出比较分析 最后给出分析的结果及改进思路 第六章仓库定位跟踪管理系统总体方案介绍 综合上述知识 提出一套仓库 定位跟踪管理系统方案 并详细说明产品出入库定位工作流程等 结束语给出本文的结论 总结了本文的主要工作 并指出可以进一步开展研 究的问题 1 5 本章小结 本章给出选择基于R F I D 定位跟踪技术在大型造纸厂成品仓库的应用这一课 题进行研究的背景和意义 对系统开发过程中所涉及的一些基本概念以及国内外 研究现状进行了详细地介绍 最后还对项目中所做的主要工作以及论文内容上的 具体安排进行概括 以指导后继章节的撰写 华南理一I 大学硕士学位论文 第二章定位技术和定位算法研究 2 1R F I D 国内外现有的定位技术研究 2 1 1 室内无线传播机理 无线电传播有许多不同的机理 主要取决于电波发射功率 对于位于室内的 R F I D 系统来说 电波传播的主要方式是视距传播和非视距传播 视距传播对信 号做出主要的贡献 若接收机在视距以外时 则发射机通过透射 反射和折射把 信号能量发送到接收机 而重要的特性参数 如接收信号功率和电波传播路径损 失 也都是通过基于电波反射 电波绕射和电波散射传播机理的传播模型来估计 的 1 6 1 7 1 8 反射 当电磁波在传播过程中遇到尺寸比电磁波波长大很多的障碍物时 发生 反射 当电波入射至地面 建筑物和墙面物体表面时 反射方式是主要的电波传 播方式 物体表面或者地板的反射产生反射波 反射波对接收机有很大干扰 绕射 当电波传播路径上存在表面具有尖锐边缘的障碍物时 会发生绕射现 象 这时 障碍物后电波传播方向上会发生绕射波继续向前传播 相当于电波在 传播过程中发生了 弯曲 现象 在很多情况下 虽然不存在视距路径 也可接 收到信号 正是由于存在这种绕射传播方式 在R F I D 系统工作频段 绕射传播 方式也取决于障碍物的尺寸 以及电波本身性质 如幅度极化方式等 散射 若电波传播路径上存在许多尺寸和电波波长差不多或者波长小的障碍 物时 发生散射 散射传播方式是由尺寸较小的障碍物的粗糙表面引起的 散射和绕射遵从相同的物理理论 因其发射机发出的能量再次辐射到许多不 同的方向 绕射是三种机制中最复杂 最难以预测的 2 1 2 信道特性与研究方法 室内无线环境的特点是传输功率小 覆盖距离更近 环境的变动更大 对于 不同的建筑物而言 室内布置 材料结构 建筑物尺度和应用类型等因素的变化 很大 这就使传播环境发生了很大的差异 即使在同一个建筑物内的不同位置 其传播环境也不尽相同 甚至差别很大 因此室内环境中电磁波的传播受到很多 1 2 第二章定位技术和定位算法研究 因素的影响 比在室外环境中的传播更复杂f 2 0 1 建筑物的内在结构会引起无线电波的反射 绕射 折射和散射 这也就引起 发射信号通过不止一条途径到达接收端 形成多径现象 窄带发射时 多径引起 接收信号包络和相位的波动 宽带脉冲发射时 结果是产生一系列的延迟和减弱的 脉冲 回波 多径衰落大大降低了室内通信系统的性能 然而多径是无法控制的 通过清楚地认识到多径媒质的特征 发射机和接收机可以设计成与信道匹配来减 少多径的影响 因此研究室内无线信道的特性是成功设计通信系统的关键所在 室内无线传播研究的方法直接依赖于通信系统的特性及内在性质 在进行室 内无线传播的研究时 需要考虑以下因素的影响 1 外部墙壁的种类 如钢铁结构 玻璃 砖 混凝土 有屏蔽作用的物体 房问的布局 摆设等 2 由于环境密度的不同带来的城市和郊区的建筑物的差别 3 o a 于结构和内部家具的不同带来的城市和郊区的建筑物的差别 4 建筑物中人t l 密度对接收信号的统计特性也有重要影响 5 传送的传导 例如发射机和接收机同时在室内还是发射机在室外 6 室内和室外的发射机高度的差别 1 9 1 2 1 3 常用的定位技术 移动计算器件的发展和无线局域网技术的进步促进了移动定位技术的突飞猛 进 三角定位 图像分析和信标定位是三大主要自动定位技术 2 1 1 目前科学家已 建立了许多自动定位系统 最主要的定位系统是大家熟知的全球定位系统1 2 2 2 3 1 由于全球定位系统属于卫星定位 在进行室内定位时存在固有定位精度问题 所 以必须通过其他定位技术解决室内定位问题 如红外线 8 0 2 1 1 超声波和R F I D 等等 这些系统各有优缺点 其中R F I D 技术由于其非接触和非视距等优点己成 为优选的定位技术 R F I D 系统可以在几毫秒内得到厘米级定位精度的信息 其 传输范围很大 成本较低 因此备受关注 目前 采用红外线 8 0 2 1 1 超声波 和R F I D 技术建立的室内定位系统主要有以下几类 红外线 O l i v e t t i 研究实验室的A c t i v eB a d g e 系统采用红外线技术实现室内定位 直线 视距和传输距离较短这两大主要缺点使其室内定位的效果很差 华南理下大学硕十学 i 论文 超声波 C r i c k e tL o c a t i o n S u p p o r tS y s t e m 和A c t i v eB a t 是采用超声波定位的两个典型 例子 它们采用超声波时延信号进行定位 其优点在于整体定位精度较高 C r i c k e t 可以对4 x 4 英尺的区域进行精确定位 而A c t i v e B a t 对于B a t 定位时 在0 9 5 概 率条件下的定位精度可以达到9 c m 但是随着定位精度要求的提高 这些系统需 要大量的底层硬件设施投资 成本高 一R F I D 1 S p o t O N 采用该技术的典型代表是S p o t O N 2 6 2 7 1 该系统基于信号强度分析 发展了 一种聚合算法对三维空间进行定位 S p o t O N 系统中硬件标签成网络状分布 无 需中央控制单元 通过标签测试到的信号强弱来表征标签之间的几何距离 但是 完整的S p o t O N 系统到目前为止还没有建成 另外 P i n p o i n t C o 销售一种基于R F I D 技术的室内定位的3 D i D 的商品 3 D i D 类似于S p o t O N 的思路 采用无线局域 网技术进行定位 该系统具有相当好的定位精度 而且该系统可调性较强 但是 系统投资较大 2 L A N D M A R C l l 2 J L A N D M A R C 系统通过引入参考定位标签 并根据不同标签之间的残差加权 算法 可以获得较高的定位精度 3 I E E E 8 0 2 1 1 R A D A R 是一种基于射频的室内定位系统 2 4 2 s 采用标准的8 0 2 1 1 网络对于 空间进行定位 工作在2 4 G H z 的频段 该系统采用经验测试和信号传播模型相结 合的方式 其主要优点在于易于安装 需要很少基站和采用相同的底层无线网络 结构 但是 到目前为止 系统总精度不尽如人意 比如 R A D A R 系统中物体 以O 5 0 的概率分布在3 米范围内 而相同概率条件下的信号分布精度为4 3 米 坶l 4 U W B 近两年随着超宽带技术 U W B 的兴起 R F I D 定位可以达到更高定位精度 这 种不使用载波而是采用短能量脉冲的超宽带技术 工作频段在5 8 G H z 7 2 G H z 可以一定