基于无源RFID位置指纹识别的智能仓储系统研究

史雪振 柯成杰 沈子成 朱泽玉 周彪

（江南大学 江苏省无锡市 214122）

1 引言

无源射频识别（Radio Frequency Identification，RFID)是20 世纪末开始被各方学者大量研究，逐渐兴起的一种无线数据传输自动识别技术。当无源RFID 标签进入读写器的读取范围时，读卡器通过天线发送射频信号，而RFID 标签内感应线圈通过电磁感应产生感应电流，驱动标签进行工作；RFID 标签通过内部天线发送自己的代码信包；读卡器天线接收到信号后把信号发送给读卡器，读卡器对信号进行调整、译码，再将信号发送给主系统。这样，连接计算机系统的读写器可以通过无线的方式，对不需要电源的低成本RFID 标签中保存的数据进行读写操作，从而达到自动识别、数据交互等目的。

基于无源RFID 技术的物品识别,无需被识别物品安装电池，即可完成信息的采集和处理，且由于阅读器覆盖面积小、无视光线条件的优点，具有精度高、适应环境能力强、抗干扰能力强、操作快捷并且可同时识别多个物品等诸多优点，目前已经在仓库管理、商业零售、生产制造等领域逐步开始应用。而智能仓库的概念也已经实现落地，国内的图书馆、博物馆、部分仓库、物流公司逐渐开始采用物联网技术来管理信件以及包裹，即精简了人员配置，又提高了安全性和工作效率，实现对包裹进行高效的管理。

仓储直接面对物资需求方，对物流作业的规范性与时效性有极高的要求，必须竭尽全力提高在库物资的周转速度，充分利用仓储中心的存储功能。类似于图书档案馆、博物馆的仓库管理场景每日接触的物资种类多达上千种，每日单据量数以万计，收发货数量更是惊人，日工作量非常饱满。对于仓库管理水平进行智能化提升，以实现降低人力成本、增加企业管理效率是所有仓储相关单位一直追求的目标。常见的传统仓储管理系统主要是采用光学条形码+包裹码搭配的形式来为包裹贴上标签，再依靠进行人工进行运输和盘点。其中条形码用来记录该包裹的订单号等具体信息，包裹码记录了其在货架上的具体位置，而条码扫描器则是用来在近距离扫描条码来读取包裹信息，确认包裹的出入库情况，确保包裹安全。通过传统的条形码进行包裹管理虽然有较高的检测率以及较低的误报率，但是，采用这种标记方式仍存在很大的问题，例如，只能通过近距离激光识别的方式获取放在条码上的包裹信息，需要大量的人工作业来对包裹进行逐一盘点，工作人员有可能无法通过记忆找到所要移动的包裹，仓库无法动态跟踪具体的包裹位置信息等等，以上缺点限制了包裹的管理效率，降低了物件的流动速度。

通过引入无源RFID 技术，利用其远距离无接触识别、快速读写的特性能够很好地解决仓储管理过程中包裹难搜寻、包裹具体位置难以确定等问题，可以显著提高仓库的运作效率[1-5]。在货架上安装读取器及天线即可动态追踪包裹的具体位置，可显著降低人力物力的投入、节省排列整理时间、降低包裹移动出错发生的概率和遗失的几率，也可以做到一天内多次高效的整理盘点。对包裹RFID 标签的准确定位是仓储管理系统的基础。目前，在可用于物体定位用的无线电技术中，以无源超高频RFID（UHF）技术较为实用，且性价比较高。针对仓库内的实际场景，首先包裹是在货架上紧密排列的，RFID 标签之间距离较小，大约在2 厘米左右，而UHF RFID 标签的精确定位技术非常适合用于精确定位出包裹在货架上的位置。

图1：阅读器对于地面的覆盖情况

2 国内外研究现状分析

在对无源RFID 技术应用在仓储管理的研究中，西方发达国家，比如美国、德国等，一直在行业应用以及技术研究方面处于领先地位。但是目前制约RFID 技术的广泛普及和技术发展的瓶颈因素有两方面，其一是RFID 的标准统一，第二则是RFID 阅读设备的高成本。RFID 电子标签的价格在其诞生后的十几中来并没有很明显的降低，长期保持着较高的成本，这就致使在市场竞争中有很多中小企业在当时根本不会考虑应用RFID 技术进行企业智能化管理应用，但是近些年来，由于技术的越来越成熟，无源RFID 标签成本明显下降，市场成本一般不到一元人民币，为其广泛应用打开了局面。但是在RFID 标准制订以及同一方面方面，各国国内都有着较为统一的标准，但从全球范围来看，RFID 行业标准仍然没有完全统一[3]。在目前RFID 应用市场中，RFID 技术最成功的应用案例是零售业中的沃尔玛零售公司，该公司在仓储管理中应用RFID 进行物品的分类、存储、查找等大大降低了人力成本，另外该公司同时通过采用RFID 技术进行商品的防盗监控，提高了营业毛利率。从以上两方面，沃尔玛公司每年可以节省人工成本近百亿美元。因为传统的人工仓储需要人工查看进货的条码，此项工作费时费力，而RFID 也大大降低了沃尔玛公司货品管理的差错率；另外基于RFID的防盗装置也通过自动报警使得商品被盗的概率减小，某种程度上也降低了社会贫富矛盾。

图2：系统定位结果展示

就目前而言，我国国内RFID 技术起步时间相较于西方要晚，但是目前处于快速发展阶段。虽然在我们日常生活中RFID 技术的实际应用虽然常见，但仍处在最原始的物品识别阶段，缺乏进一步的应用拓展。而传统的仓库管理一般都是采用非自动化、以纸张文件为出入库凭证作为基础的系统来跟踪、记录出入的货物。但随着国内电子商务的急剧发展，带动了仓储物流业的蓬勃发展以及智能化开始普及。如何进行高效、准确、大批量的资产识别已成为我国物流仓储行业重要的研究课题[1]。早在2005年，深圳白沙物流引入无源RFID 技术对货物流通流程进行了智能化的升级，主要包括物流产品下线、货物运输、入出库等流程都实现了全程监控和即时准确的管理。引入RFID 技术后，该公司只需在产品出厂入库前扫码一次，随后运用自动化分拣系统对仓库物品信息进行管理从而省掉人工繁琐的机械重复性劳动[2]，仓库利用率也得到大大的提升。目前，包括顺丰、圆通等全国各大仓储物流企业也全部实现了RFID 的入库管理、以及物流追踪，使得物流用户可以在手机端实时监视自己物品目前所在的位置，用户体验感和安全感也得到了很大的改善，需要注意的是这些入库管理只是机械性质的位置管理，当出现不可控因素导致物品丢失时并没有更好的寻物办法。

3 基于无源RFID寻物系统工作流程

由上可知，传统定位系统大多都需要物品携带有源标签。在物品密集度较高的、目标容量较大时，无疑将大大增加定位系统的成本。另外有源标签常常需要电池更换的日常维护，无疑增加了日常维护的难度。在本论文中，我们利用无源标签远程阅读技术，搭建出一套基于位置指纹识别[6]的寻物系统。其工作流程如下：

第一步：在物品寻找区域的天花板上，空间均匀地固定N 个标签阅读器，当然视成本和定位精度需要，决定N 的大小。在理想情况下。阅读器对于地面的覆盖情况如图1 所示。

第二步：建立RFID 阅读器覆盖信息数据库。在定位区域划分等间隔划定M 个参考点。建立参考点的数据库结构如下,对于M个参考点P=[P1,…,Pm,…,PM]，记录每个点的二维位置和阅读器的覆盖情况Pm=[Lm,Rm]，其中Lm=[xm,ym]，Rm=[rm,1,…,rm,n,…,rm,N]。阅读器的覆盖情况用0 和1 表示，其中0 代表阅读器未能读到该标签，1 代表阅读器能读到该标签。

第三步：系统定位阶段。以上两步在仓储区域完成后，当我们要寻找某一标签时，在寻物界面输入物品的RFID 编号，然后确认，使得各阅读器进行该标签的搜索。N 个读写器的搜索结果记为R目标=[r1,…,rn,…,rN]，R目标亦为N 维二进制序列，然后进行参考点匹配。对第m 个参考点的匹配度计算方法如下：Om=∑Nn=1(rm,n-rn)2。最后选择Om中最低的参考点坐标作为目标物品所在位置。系统定位场景如图2 所示。

总体来说，本寻物系统具有多目标同时定位，而无电磁干扰的优势，且定位精度可以达到实际要求，具体精度视RFID 阅读器密度而定。

4 应用价值

（1）简化包裹出入库验证流程，提高物流效率。以前图书馆、博物馆仓储工作人员只能凭借临时的记忆来判断包裹大概的位置再慢慢查找，应用RFID 技术，以RFID 标签取代条码及包裹码，而RFID 标签则可以利用无线电波感应迅速查到工作人员所需要的包裹，使得包裹查找工作变得轻松高效。

（2）加速盘点作业。传统的条码阅读器必须在近距离而且没有物体阻挡下，才可以辨读条形码，因此，图书馆、博物馆仓储工作人员在盘点时需将包裹逐一地从货架上取下，逐个盘点。而RFID 标签可以通过无线电波传送讯号，一次同时读取多个RFID标签的数据信息，简化盘点工作。

（3）提高货物的安全性，降低货物失窃率。传统的光学条形码无法辅助包裹盘点工作所在位置，当货物缺失等情况发生时，图书馆、博物馆管理人员很难从庞大的包裹流中注意到遗失的包裹，而RFID 能对包裹进行实时定位，让员工及时发现包裹的遗失情况，减少单位信誉损失。

（4）更好地利用图书馆、博物馆仓库空间。所有货物都拥有自己的储位信息，且一直被实时定位着，这样就不会在仓库内出现由于按分类划分仓库空间一边放不下，一边几乎空架的情况，在必要的时候可以暂时把不同种类的货物放在一起。