CN109034293A - Rfid智能监管货架系统架构与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超高频RFID智能监管货架系统架构与方法，其特征在于，该系统架构与方法以普通货架的摆放和构建为设计原则，首次提出利用超高频RFID的技术通过规范化货架的调整的方式进行货架的监督和管理。创新性的设计出一套可靠性高的、准确度高的智能货架监管方法，实现了一套基于本系统的调整部署策略。在该系统的架构中，货架上标识有标签的固定点位置，智能货架前部署单个阅读器，并且控制部署距离使得整个阅读器覆盖整个货架。该系统通过利用相位匹配实现理论值和实际值的一一对应，再通过可靠性理论实现货架上每层位置的部署和可靠性计算，利用RSSI进行各层之间的划分，从而实现智能货架的可靠性部署和实时监管服务。

Description

RFID智能监管货架系统架构与方法

技术领域

本发明涉及一种超RFID智能监管货架系统架构与方法，针对普通货架的摆放和构建为设计原则，首次提出利用超高频RFID的技术通过规范化货架的调整的方式进行货架的监督和管理。创新性的设计出一套可靠性高的、准确度高的智能货架监管方法，实现了一套基于本系统的调整部署策略。通过货架前部署单个阅读器，并且控制部署距离使得整个阅读器覆盖整个货架，利用相位匹配实现理论值和实际值的一一对应，再通过可靠性理论实现货架上每层位置的部署和可靠性计算，利用RSSI进行各层之间的划分，从而实现智能货架的可靠性部署和实时监管服务。

背景技术

射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)技术并不是一项近些年才诞生的新兴技术，其最早的起源甚至可以追溯到二战时期，RFID技术通过继承二战中雷达的概念并由此发展出来的非接触式自动识别技术。RFID技术主要是利用射频信号通过空间耦合技术(即突变的磁场或电磁场)实现自动识别目标并且能够和识别的目标进行信息交互等功能。由于RFID 技术可以对目标进行有效的信息收集，为上层的应用提供数据的支持，并且可以唯一性地标识目标，所以学者们发现这项技术可以作为物联网的一项核心支撑技术具有科研和应用价值，从而对这项技术进行深入研究与应用。

在RFID的研究领域中关于利用超高频RFID技术实现室内位置感知一直是热门课题。由于这些年来对于位置信息服务(Location Based Service,LBS)的研究一直被国内外学者们所关注，特别是关于室内位置信息服务在物流领域、仓储管理领域、移动机器人方向一直都是亟待解决的课题。由于RFID技术具有远距离、非视距、高效率等特点，相比于其他的室内位置感知技术，通过RFID技术进行位置感知具有识别速度快，传输效率高，系统部署简单，方便大规模使用等优点。采取基于RFID技术进行室内位置感知技术的研究能够更好的满足于各领域的应用场景的应用。例如物流货物管理、仓库的仓储查找、停车场的车辆监控、移动机器人的定位、智能货架等。

智能货架是RFID室内位置感知的重要应用之一。使用RFID位置感知技术来构建智能货架使用大大的减少了人力成本，现在随着物品资源的不断增多，需要对物品监控使得各领域对智能货架的需求也在不断地增加，特别是仓储物流管理领域以及无人超市领域。特别是需要一种可以及时、准确的感知每个物品位置信息的智能货架。之前关于智能货架都是还是基于有源RFID标签的管理，成本很高，使用不方便，因此大多数只能用于艺术品、奢侈品等贵重物品的感知和监控，对于购物中心和大型商场这种商品众多，流通量大的场景不能够满足。因此本发明通过研究室内物体的位置感知技术，利用RFID技术开发出一套物品的实时监控的智能货架。

发明内容

本发明提出了一种RFID智能监管货架系统架构与方法，通过试验测试，有效地解决了当前智能货架监管系统中的通用性不强、部署成本高以及定位精度不高的缺点。

在本发明主要包括实现RFID智能监管系统的三种方法。所述的智能货架系统内至少设置有一层的置物层、一台超高频RFID阅读器、若干无源RFID标签、一台超高频RIFD天线、一个后台服务器；所述的无源RFID标签与货架中的摆放的物品相对应，所述的超高频RFID 阅读器与超高频RFID天线进行通讯链接，所述的超高频RFID阅读器由后台服务器通讯链接进行控制并采集。

进一步的，在每个货架层的物体摆放的方法中，通过检测标签的相位观测值分布，构建系统的可靠性模型，确定每层货架上物品的摆放。

进一步的，通过超高频RFID阅读器采集到的信号强度RSSI，利用几何模型划分完成每层货架的高度确定。

进一步的，通过后台服务器设置并控制超高频阅读器，利用无线信号反向散射通信获得无源RFID标签返回的相位和信号强度RSSI，收集并且记录数据。通过超高频RFID阅读器采集到的相位和RSSI信息，利用相位匹配完成每层货架中标签ID和固定点位置的相互匹配，最终实现标签的ID和货架中的位置相对应的查找方法。

附图说明

图1RFID智能监管货架系统架构图；

图2RFID智能监管货架系统框架图；

图3固定点部署图；

图4标签的分布图；

图5货架层划分图；

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细的说明。

如图1所示，在RFID智能监管货架系统架构与方法中，将整个货架分层布置，每层上面都摆有物体标签，同时将阅读器摆在货架中间，以便获得最大的感知范围。根据RFID阅读器的位置设置为原点，建立起3维直角坐标系，与货架面平行的为X轴，垂直货架面的为 Y轴，竖直方向为Z轴。对于每一层的物体摆放位置都处于同一个X-Y平面上。假设其每个标签位置为固定的点，目的是要通过RFID来对每个固定点的位置进行感知，进一步完成货架上的固定点与放在其位置上的物体匹配。

如图2所示，系统框架中的分为信息的输入、位置感知和信息的输出。其中信息的输入部分即数据采集部分，主要通过RFID系统设备进行实现，在系统中需要采集货架上的标签的相位值和RSSI值以及标签的信息，这会将作为系统部分观测值的输入，我们根据系统部署环境，计算出货架的上的固定点位置、理论相位值和理论RSSI值作为理论值部分的输入。在数据采集部分中，首先需要将商品的标识写入RFID标签中，接着将对应信息放入数据库中储存起来，将所对应的标签附着在正确的物体上，从而构成商品与标签ID一一对应即信息的输出。

如图3中所示，利用相位距离模型，同时利用几何关系进行计算系统的可靠性。

首先计算系统单个周期内在货架上的覆盖范围，即x₀的大小：其中y₀表示阅读器到货架的垂直距离。

另一方面，假设各个标签的范围端点为X＝{x₁,x₂,...,x_n+1}，则其端点的间隔范围为Δx＝{Δx₁,Δx₂,...,Δx_n}；根据将各段的端点到阅读器之间的距离d＝{d₁,d₂,...,d_n+1}，同时我们利用，相位与距离对应的公式，计算各个段的理论相位值。

可以得到：θ＝{θ₁,θ₂,...,θ_n+1}。

同理，我们可以得到d₁＝y₀并且设则可以计算出序列d，并且由于可以得到序列X。并且可以得到坐标之间的间隔序列Δx＝{Δx₁,Δx₂,...,Δx_n}

则我可以得到中间的位置相位：其中

可以得到每个中间位置的相位值序列θ_i＝{θ₁,θ₂,...,θ_n}

我们对系统中的每个标签进行分析，根据相位模型公式可得每个位置x_i上具有唯一的相位值，在(x_i,x_i+1)上只有一个点的概率其相位值为θ(x_i)。由于系统中会有多个标签，由于固定点对应唯一的相位值，在不同的区间内会有其他标签相位值的一项，我们系统中性能可靠定义为每个区间内只有一个标签，即放置在中间位置的标签，并且其他的标签不处于这个区间内。由此得到了系统的可靠性概率。

如图4所示，对于系统中的相位分布，可根据标签的相位值分布图，获得系统的可靠度为：

其中p_i(x)代表第i个标签的在固定点的相位值分布。表示的是第i个标签在(x_i,x_i+1)区间内的概率。表示的是除了第i个标签以外，其他标签不落入(x_i,x_i+1)的概率。

如图5所示，设定阅读器所处于的位置作为原点，对货架上所构建的点是进行模型的建立。由于相位和RSSI都与标签到阅读器的距离有关，通相位公式可以计算相同货架层相邻标签到阅读器的距离差，通过距离差带入RSSI公式可以计算相同相邻标签的RSSI差。为区分不同货架层的标签，需要使不同货架层标签的RSSI差值远大于相同货架层相邻标签的RSSI 差。为此我们对货架上的标签之间建立起几何模型，我们通过对货架的层次分析，从而进行货架各层高度之间的调整。

假设在RFID系统所监视的智能货架上的每层都放置标签，货架总共有M层，高度为H，我们设阅读器到货架之间的距离为y₀。假设每层货架中摆放有n个标签，对于货架的第m层的我们按照距离阅读器的距离远近排列成序列其位置在L_m＝{l_m1,l_m2,...,l_mn}，设所得到的 RSSI_m＝{rssi_m1,rssi_m2,...,rssi_mn}，层内的rssi_m1和rssi_m2的RSSI差值为Δrssi_m,12，层间之间的第 m层的信号强度rssi_mn和第m+1层的信号强度值rssi_(m+1)1之间的RSSI差值为Δrssi_mm+1,n1。

设置相邻标签间的距离差为Δl，因此对于货架中的第m层的相邻标签构成距离差序列ΔL_m＝{Δl_m1,Δl_m2,...,Δl_m(n-1)}，其中各个标签之间读取的RSSI差值序列为ΔRSSI_m＝{Δrssi_m1,Δrssi_m2,Δrssi_m(n-1)}需要通过构造出货架层之间的几何模型从而使得Δrssi_mm+1,n1＞＞max(Δrssi_m)。(这里max代表货架层内RSSI差值序列中的最大值)，第m层与第m+1层之间的距离为Δh_m，整个货架的示意如图5所示。

则根据各个标签的位置计算到阅读器的距离，设第m层货架上第i个标签到阅读器的距离为d_mi，则我们可以得到

式子中H指的的阅读器距离地面的高度，h_m指的是货架上货架层m距离地面的高度，l_mi指的是货架上货架层m第i个标签的位置，因为此时是按照x轴上的标签分布讨论，所以此处即第i个标签x轴上的坐标位置。

并由此可以得到第m层固定点到阅读器之间的距离序列为：

d_m＝{d_m,1,d_m,2,...,d_m,n}

根据RSSI公式计算公式可得：

又上式可以得到因为本文只需要讨论RSSI和距离之间相互的关系。方案将重点讨论RSSI 值和距离之间的关系。其主要关系为：rssi_i∝-40lg(d_i)

其中我们将d_i进行替换，可以得到

则第i个标签和第i+1个标签支架的RSSI差值Δrssi_mi为：

Δrssi_mi∝-40lg(d_i)+40lg(d_i+1) (5-3)

由式子(5-3)可得，我们要讨论Δrssi_mi，即讨论

由式子(5-2)可以得到第m层中第n个标签的RSSI值：

式中的l_mn是指在第m层货架上，第n个标签的位置，也就是最后一个标签的位置。其中 l_mn可以相位设定可知，因为每层货架上，需要将标签的相位值限定在一个周期以内，所以可以得到l_mn的值即货架的摆放标签的最大宽度。

根据几何位置关系，我们可以得到l_mn的表示方式。

在m层货架第一个标签距离阅读器的距离为：

其中l_m1＝0

第n个标签距离阅读器的距离为：

此外因为相位感知的限定，每层标签放置都在一个区间内。所以可以得到，因此可以得到下面的等式。

经过计算可得，

同时我们由式子(5-4)可以得到Δrssi_mm+1,n1与距离之间的关系：

本方案需要分别将不同层次之间的位置区别出来，既满足下列条件：

Δrssi_mm+1,n1＞＞max(Δrssi_mi)

货架管理部分，系统将会根据可靠性理论和几何模型，分别进行标签的部署以及货架的调整。最终商品匹配部分得到输出的结果，也就是标签和货架上位置所对应的关系，从而完成整个系统的室内位置感知技术。

相位匹配部分，根据采集部分的输入，将进行信号值进行不同的处理，在信号值处理中的匹配部分中，创新性采取将相位和RSSI理论值与观测值进行匹配的位置感知方案。根据模型公式，可以通过标签到阅读器距离计算相位和RSSI理论值。通过RFID系统的读取，可以得到 ID对应标签的相位观测值和RSSI观测值。如果将理论值和观测值进行关联，我们就可以得到距离和ID之间的对应关系，进而感知标签的位置。

相位的匹配过程，本发明首次将相位的理论值和观测值进行匹配来解决物体位置和商品的一一对应的问题。

我们设理论值为：观测值为：

并且通过对相位匹配条件的推导，并利用相位的取值范围和不等式的条件完成对应相位匹配的判准条件：

通过理论值与测量值的对照从而解决物体位置和商品的一一对应的问题。

系统根据货架管理部分的结果调整货架部署环境，并且根据相位匹配的结果确定各层标签的位置感知，并根据RSSI划分的结果确定标签位于哪一层货架。从而完成标签和位置的一一对应。

上述实施方式仅供说明本发明之用，而非是对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的思想和方法的情况下，可以做出应用的变化，因此所有同等的技术方案也应属于本发明的范畴。

Claims (4)

1.RFID智能监管货架系统架构与方法，其特征在于：该系统架构运用超高频RFID系统结合无源标签实施货架上物品智能监控。

2.如权利要求1所述，在RFID智能监管货架系统架构与方法中，其特征于所述的静态环境中，由相位的理论值以及标签观测值的分布构建可靠性模型，确定同一货架层上的物品位置的方法。

3.如权利要求1所述，在RFID智能监管货架系统架构与方法中，其特征在于所述的静态环境中，通过几何计算构建不同货架层RSSI路径损耗模型，确定各货架层的高度的方法。

4.如权利要求1所述，RFID智能监管货架系统架构与方法中，其特征在于所述的静态环境中，获得相位和RSSI的观测值，并将观测值与理论值进行匹配，实现标签的ID和货架中的位置相对应的实时静态查找方法。