CN110320513A - 一种基于rfid的针对大面积车间的生产要素定位系统与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于RFID的针对大面积车间的生产要素定位系统与方法，该系统包括以交叉布局方式安装在车间两侧墙壁的若干有源标签阅读器，将阅读器接入车间网络的串口转WIFI装置，用于校准和定位的后台服务器以及展示车间模型及标签实时位置的显示终端。后台服务器的校准模块根据信号强度、距离与环境衰减因子的关系，反向计算出环境衰减因子，并记录信号强度与环境因子的对应关系；定位模块根据信号强度与环境因子的对应关系，匹配与信号强度最接近的环境衰减因子，计算得到实际距离，再计算出标签实际位置。本发明适用于对环境复杂，面积广阔的生产车间对生产人员以及生产工具的定位，具有易扩展、成本低、满足精度要求的优点。

Description

一种基于RFID的针对大面积车间的生产要素定位系统与方法
技术领域
本发明涉及一种基于RFID技术的针对大面积车间的生产要素定位系统与方法，属于射频识别领域，适用于环境复杂、面积广阔的大型生产车间的人员、工具定位。
背景技术
RFID又称无线射频识别，是一种通信技术，可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。一个RFID系统包括应答器、阅读器和应用软件系统。其中应答器由阅读器天线，耦合元件及芯片组成，一般来说都是用标签作为应答器，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象。阅读器由天线，耦合元件，芯片组成，读取(有时还可以写入)标签信息的设备，可设计为手持式RFID读写器或固定式读写器。应用软件系统通过应用层软件把收集的数据进一步处理，并为人们所使用。
标签进入磁场后，接收阅读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息(无源标签或被动标签)，或者由标签主动发送某一频率的信号(有源标签或主动标签)，阅读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。
随着工业信息化的发展，工厂对生产人员，生产工具的定位系统有着强烈的应用需求。在现有技术中，定位系统多针对小面积，环境简单的室内定位。大型车间的定位需要依赖昂贵的阅读器天线和标签来提升定位精度，且往往安装复杂，后期动态扩展不便。软件部分多针对自家阅读器天线以及标签开发，且无法兼容不同种类阅读器天线。而且由于车间具有电磁环境复杂，不同区域相差巨大，给每个阅读器天线的配置校准造成了巨大难度。此外，现阶段应用广泛的UWB超高频定位系统，虽然有着定位精度高，一般为厘米级别的优点，但是阅读器成本高昂，且单套定位面积有限，要想覆盖大面积车间，成本会进一步提高。而且车间定位主要针对人员，叉车等要素，完全没有必要达到厘米级的精度，因而UWB方式性价比较低。
发明内容
发明目的：针对现有技术的不足，本发明目的在于提供一种基于RFID的针对大面积车间的生产要素定位系统与方法，用于对环境复杂，面积广阔的生产车间对生产人员以及生产工具的定位，以便于行为或数据分析。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明所述的一种基于RFID的针对大面积车间的生产要素定位系统，包括：
若干有源标签阅读器，所述有源标签阅读器安装在车间两侧墙壁，以一定的间隔距离交叉布局；每个有源标签阅读器配置有编号和实际坐标位置；
若干串口转无线装置，每个串口转无线装置连接一个有源标签阅读器，用于将有源标签阅读器读取的标签数据以无线方式传输至后台服务器；
后台服务器，包括：
校准模块，用于获取校准人员携带的有源标签在车间内不同位置站立时阅读器读取的信号强度、校准人员输入的当前位置坐标和当前时间，根据信号强度、距离与环境衰减因子的关系，反向计算出环境衰减因子，并记录信号强度与环境衰减因子的对应关系；
以及，定位模块，用于获取系统内所述阅读器采集到的标签信号强度数据，根据校准模块获得的阅读器的信号强度与环境衰减因子的对应关系，匹配与检测的信号强度最接近的环境衰减因子，然后带入距离与信号强度、环境衰减因子的计算公式，计算得到实际距离，再通过三定定位算法，根据阅读器实际坐标计算出标签实际位置；
以及，显示终端，用于以网页加载图片的方式展示车间模型，并将定位的标签实时位置叠加在车间模型图片上进行显示。
作为优选，阅读器间的间隔距离为阅读器读取距离的一半。
作为优选，根据信号强度、距离与环境衰减因子的计算公式为：
其中，d为距离，rssi为接收信号强度，A为RFID标签和阅读器天线相隔1米时的信号强度，n为环境衰减因子。
作为优选，所述串口转无线装置为串口转WIFI装置或串口转4G/5G装置。
本发明所述的一种基于RFID的针对大面积车间的生产要素定位方法，包括如下步骤：
(1)在生产车间两侧墙壁以交叉布局方式安装阅读器天线，将阅读器与串口转无线装置连接，接入车间网络，配置阅读器编号、实际坐标位置以及接入地址信息；
(2)校准人员携带有源标签卡片进入车间，选取位置站立，使用便携测距仪器获取当前位置坐标，记录当前时间，上传到后台服务器，校准模块根据采集的数据进行分析，筛选出校准人员记录的时间下的各个阅读器天线测量到的信号强度，然后根据校准人员输入的实际坐标进行反向计算环境衰减因子，存储到数据库；同一校准位置采集的数据校准多个读取到标签信号的阅读器；
(3)在进行定位时，定位模块通过TCP方式异步循环读取系统内所有阅读器采集到的标签信号强度数据，根据校准模块获取到的相应阅读器的环境衰减因子，匹配与当前信号强度最接近的环境衰减因子，然后将信号强度计算为实际距离；再通过三点定位算法，根据阅读器天线实际坐标计算出标签实际位置；
(4)将阅读器读取到的所有的有源标签的实际位置及标签号码，通过MQTT消息队列，推送至前端显示终端进行显示。
进一步地，所述方法还包括基于存储的定位数据进行位置查询、员工考勤或检修签到。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、本发明使用有源标签降低了对阅读器天线的要求，极大的减少了成本。
2、本发明采用灵活的交叉位置以及可动态添加阅读器天线的空间布局弥补了低成本阅读器天线的测量角度范围问题，减少成本又不损失定位精度。
3、本发明提供校准工具，极大简化不同阅读器天线的环境衰减因子确定工作。
4、本发明提供用于查找和展示的网页以及APP，支持移动端上的人员位置查看。
5、本发明针对UWB定位方案，成本缩减80％，定位效果更符合对大型车间的定位精度需求。
6、本发明提高了企业信息化水平，定位数据可用于考勤，检修签到等方面，提高了生产效率。
附图说明
图1是本发明实施例的定位方法流程图。
图2是本发明实施例中阅读器布局示意图。
图3是本发明实施例中前端展示页面截图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
本发明实施公开的额一种基于RFID的针对大面积车间的生产要素定位系统，可用于大型生产车间的定位，通过安装在车间现场通过网络接入的各个RFID有源标签阅读器获取阅读器读取到的有源标签的信号强度数据，在定位程序中进行数据处理，根据特定方法生成标签坐标信息，然后进行数据存储，推送前端显示等。车间定位系统主要包括：安装在车间两侧墙壁的若干有源标签阅读器；与有源标签阅读器相连的串口转无线装置，用于将有源标签阅读器读取的RFID标签数据以无线方式传输至后台服务器；后台服务器，设有校准模块和定位模块；校准模块，用于获取校准人员携带的有源标签在车间内不同位置站立时阅读器读取的信号强度、校准人员输入的当前位置坐标和当前时间，根据信号强度、距离与环境衰减因子的关系，反向计算出环境衰减因子，并记录信号强度与环境衰减因子的对应关系；定位模块，用于获取系统内所述阅读器采集到的标签信号强度数据，根据校准模块获得的阅读器的信号强度与环境衰减因子的对应关系，匹配与检测的信号强度最接近的环境衰减因子，然后带入距离与信号强度、环境衰减因子的计算公式，计算得到实际距离，再通过三定定位算法，根据阅读器实际坐标计算出标签实际位置；显示终端，用于以网页加载图片的方式展示车间模型，并将定位的标签实时位置叠加在车间模型图片上进行显示。各模块具体说明如下：
(1)有源标签阅读器
本发明采用一种低成本的有源标签阅读器，通过串口转WIFI装置接入车间无线网络。也可使用4G/5G接入方式，可采用4G/5G网卡模块替换WIFI接入定位服务器。
串口转WIFI装置与阅读器天线之间使用标准的RS232通讯协议，配置好与定位软件通信的IP和端口后，可以使定位软件忽略天线种类，不必根据天线种类的不同进行个性化配置，便于后续天线的更换以及升级。
系统对阅读器、串口转无线装置没有品牌等限制，如实际应用中使用的阅读器为某品牌的2.4GHZ载波频率，基于IEEE 802.15.4的低速率无线个人局域网的电子标签读卡天线。串口转无线装置使用的是RS232串口转WIFI。
系统对每个阅读器天线进行编号，并在数据库存储位置信息。
针对生产车间面积大，形状规则的特点，提供基本的交叉布局方式(如图2所示，图中数字标记阅读器布置位置)，在车间两侧墙壁间隔12M交叉安装阅读器天线(间隔距离取阅读器天线读取距离的一半)。
此基本布局可以实现车间宽度小于60M的车间基本的信号覆盖，针对设备多，干扰强的车间环境可在重点定位区域继续添加阅读器，只需将阅读器安装在固定位置，接入车间网络，然后在软件系统提供的配置界面输入阅读器编号，实际位置坐标和阅读器配套的串口转WIFI装置IP地址，端口号即可。
(2)校准程序模块
软件需要将阅读器采集到的信号强度转化为标签到阅读器的实际距离，基于RFID的定位系统普遍采用以下的定位公式：
其中：d-计算所得距离(单位：m)；rssi-接收信号强度；A-RFID标签和阅读器天线相隔1米时的信号强度；n-环境衰减因子；abs–取绝对值操作。
此公式为理想空旷环境下的RFID信号强度与卡片距离阅读器的距离函数关系。定位准确性取决于卡片到阅读器的距离准确程度，而距离的准确程度完全取决于n的取值。
由于大型生产车间环境复杂，面积较大，不同区域的环境衰减因子n相差巨大，且对于同一阅读器天线，不同实际距离段由于环境的变化，例如物体的遮挡，使用的环境衰减因子也不同，所以软件系统提供一个易于使用的校准程序，可以在短短几个工作日内完成大面积上百个阅读器天线的系数确定工作。
系数确定的结果为一个根据信号强度划分的系数段，如下：
通过对信号强度的划分，使不同的距离段满足理想电磁环境下的距离计算。
校准程序只需校准人员携带有源标签卡片进入车间，选取位置站立，使用便携测距仪器获取当前位置坐标，记录当前时间即可。
校准程序会根据定位系统采集的数据进行分析，筛选出校准人员记录的时间下的各个阅读器天线测量到的信号强度，然后根据校准人员输入的实际坐标进行反向计算环境衰减因子，存储到数据库，经过校准之后，每一个天线会有多个和不同信号强度关联的环境衰减因子，系统将每个信号强度对应的环境衰减因子视为此信号强度为起点，下一信号强度为终点的信号强度段使用的环境衰减因子。
达到一次校准多个阅读器天线的效果。
(3)定位程序模块
定位程序通过TCP方式异步循环读取系统内所有阅读器采集到的标签信号强度数据，根据校准程序获取到的该阅读器的环境衰减因子，程序匹配与当前信号强度最接近的环境衰减因子，如：
当前信号强度-53，数据库中的校准结果为：-50：2.8783-55：3.472等等，则选择最接近的-55分贝的系数3.472作为此次计算的环境衰减因子。
然后将信号强度计算为实际距离。再通过三点定位算法，根据阅读器天线实际坐标计算出标签实际位置。
数据存储采用实时数据库(Redis)，满足快速存储要求。数据持久化采用可扩展的数据库(MongoDB)，支持数据存储服务器水平分割，满足大数据存储要求。
(4)前端显示终端
使用建模软件对车间进行建模，以网页加载图片的方式进行模型展示，定位系统通过MQTT消息队列，将实时位置信息推送至前端进行显示。此外，软件可同时提供行为分析等历史数据处理功能，使用所查卡号的近期位置数据，分析出勤时间，工作范围等数据，可与考勤系统结合，加强人员管理。
本发明实施例所公开的一种基于RFID的针对大面积车间的生产要素定位方法，包括如下步骤：
(1)在生产车间两侧墙壁以交叉布局方式安装阅读器天线，将阅读器与串口转无线装置连接，接入车间网络，配置阅读器编号、实际坐标位置以及接入地址信息；
(2)校准人员携带有源标签卡片进入车间，选取位置站立，使用便携测距仪器获取当前位置坐标，记录当前时间，上传到后台服务器，校准模块根据采集的数据进行分析，筛选出校准人员记录的时间下的各个阅读器天线测量到的信号强度，然后根据校准人员输入的实际坐标进行反向计算环境衰减因子，存储到数据库；同一校准位置采集的数据校准多个读取到标签信号的阅读器；
(3)在进行定位时，定位模块通过TCP方式异步循环读取系统内所有阅读器采集到的标签信号强度数据，根据校准模块获取到的相应阅读器的环境衰减因子，匹配与当前信号强度最接近的环境衰减因子，然后将信号强度计算为实际距离；再通过三点定位算法，根据阅读器天线实际坐标计算出标签实际位置；
(4)将阅读器读取到的所有的有源标签的实际位置及标签号码，通过MQTT消息队列，推送至前端显示终端进行显示。
(5)基于存储的定位数据进行位置查询、员工考勤、检修签到等。

Claims (6)

1.一种基于RFID的针对大面积车间的生产要素定位系统，其特征在于，包括：
若干有源标签阅读器，所述有源标签阅读器安装在车间两侧墙壁，以一定的间隔距离交叉布局；每个有源标签阅读器配置有编号和实际坐标位置；
若干串口转无线装置，每个串口转无线装置连接一个有源标签阅读器，用于将有源标签阅读器读取的RFID标签数据以无线方式传输至后台服务器；
后台服务器，包括：
校准模块，用于获取校准人员携带的有源标签在车间内不同位置站立时阅读器读取的信号强度、校准人员输入的当前位置坐标和当前时间，根据信号强度、距离与环境衰减因子的关系，反向计算出环境衰减因子，并记录信号强度与环境衰减因子的对应关系；
以及，定位模块，用于获取系统内所述阅读器采集到的标签信号强度数据，根据校准模块获得的阅读器的信号强度与环境衰减因子的对应关系，匹配与检测的信号强度最接近的环境衰减因子，然后带入距离与信号强度、环境衰减因子的计算公式，计算得到实际距离，再通过三定定位算法，根据阅读器实际坐标计算出标签实际位置；
以及，显示终端，用于以网页加载图片的方式展示车间模型，并将定位的标签实时位置叠加在车间模型图片上进行显示。
2.根据权利要求1所述的一种基于RFID的针对大面积车间的生产要素定位系统，其特征在于，阅读器间的间隔距离为阅读器读取距离的一半。
3.根据权利要求1所述的一种基于RFID的针对大面积车间的生产要素定位系统，其特征在于，根据信号强度、距离与环境衰减因子的计算公式为：
其中，d为距离，rssi为接收信号强度，A为RFID标签和阅读器天线相隔1米时的信号强度，n为环境衰减因子。
4.根据权利要求1所述的一种基于RFID的针对大面积车间的生产要素定位系统，其特征在于，所述串口转无线装置为串口转WIFI装置或串口转4G/5G装置。
5.使用根据权利要求1所述的一种基于RFID的针对大面积车间的生产要素定位系统的一种基于RFID的针对大面积车间的生产要素定位方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)在生产车间两侧墙壁以交叉布局方式安装阅读器天线，将阅读器与串口转无线装置连接，接入车间网络，配置阅读器编号、实际坐标位置以及接入地址信息；
(2)校准人员携带有源标签卡片进入车间，选取位置站立，使用便携测距仪器获取当前位置坐标，记录当前时间，上传到后台服务器，校准模块根据采集的数据进行分析，筛选出校准人员记录的时间下的各个阅读器天线测量到的信号强度，然后根据校准人员输入的实际坐标进行反向计算环境衰减因子，存储到数据库；同一校准位置采集的数据校准多个读取到标签信号的阅读器；
(3)在进行定位时，定位模块通过TCP方式异步循环读取系统内所有阅读器采集到的标签信号强度数据，根据校准模块获取到的相应阅读器的环境衰减因子，匹配与当前信号强度最接近的环境衰减因子，然后将信号强度计算为实际距离；再通过三点定位算法，根据阅读器天线实际坐标计算出标签实际位置；
(4)将阅读器读取到的所有的有源标签的实际位置及标签号码，通过MQTT消息队列，推送至前端显示终端进行显示。
6.根据权利要求5所述的一种基于RFID的针对大面积车间的生产要素定位方法，其特征在于，所述方法还包括基于存储的定位数据进行位置查询、员工考勤或检修签到。
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