CN115291576A - 一种用于仓储物流环境下虚拟仿真的rfid建模方法 - Google Patents

Abstract

一种用于仓储物流环境下虚拟仿真的RFID建模方法，在Twinbricks数字仿真平台上对RFID的读写器与电子标签进行数字化建模生成数字孪生体，进行虚拟仿真；在Proteus软件上仿真构建多台嵌入式RFID读写器，与Twinbricks仿真平台读写器孪生体交互数据，实时监控数据，以模拟实际生产现场获得生产线上产品的实时数据；后台系统与仿真控制器交互，实时更新数据库产品状态数据，记录产品历史数据；工作人员通过数据管理控制前台实时查看不同生产线运行状态，人工优化生产状态，系统分析数据进行优化调优，生成最优方案，反馈回仿真平台以优化生产状态。本方法实现了在仓储物流环境下对RFID设备的仿真，完成了在虚拟仿真平台上对生产线的仿真与调优。

Description

一种用于仓储物流环境下虚拟仿真的RFID建模方法

技术领域

本发明涉及数字孪生技术、物联网技术领域，具体涉及一种用于仓储物流环境下虚拟仿真的RFID建模方法。

背景技术

随着工业发展，仓储物流系统作为生产供应链的核心环节，其作业效率、服务质量和运营成本是企业的关注重点。高效合理的仓储物流系统可以帮助企业加快生产资料流通速度，降低成本，保障生产顺利进行，并可以实现对资源的高效利用和管理。

与此同时，数字孪生的概念兴起，其旨在对物理对象进行完全数字化重构，从而实现信息映射，并借助模型实现对物理设备生命周期的智能设计、制造、调试和运行维护。数字孪生技术在仓储系统中，结合物联网技术对物料进行识别、定位、跟踪、监管，实现智能化管理；结合AI数据分析，可以指导仓储分拣中心各类业务的优化；结合AR、PDA等设备，可以对作业人员具体作业过程进行指导。

RFID即无线射频识别技术，读写器通过天线进行非接触式双向射频通信，对电子标签进行读写操作，从而达到目标识别和数据交换的目的。与传统纸质标签相比，RFID可以节省人工，极大提高数据存储的信息容量和工作效率。与条码相比，RFID无须直线对准扫描，读写速度更快，可多目标识别、运动识别。

因此，将RFID与数字孪生技术相融合，应用于仓储物流环境下物料的全周期管理，可以实现虚拟仿真平台上对生产线的仿真与调优，保证信息的实时交互与生产环节的高效管理。

发明内容

本发明提出了一种用于仓储物流环境下虚拟仿真的RFID建模方法，将RFID技术与数字孪生技术结合，实现了在仓储物流环境下对RFID设备的仿真，完成了在虚拟仿真平台上对生产线的仿真与调优。

一种用于仓储物流环境下虚拟仿真的RFID建模方法，包括如下步骤：

步骤1：建立嵌入式设备以仿真RFID读写器的控制设备，设备产生物料的唯一序列ID数据，通过其串口对外发送；

步骤2：数据库管理后台通过串口读取到物料唯一ID数据，对物料进行登记注册，记录信息进入数据库中；

步骤3：建立仿真生产线环境，其中设置数字孪生体以仿真电子标签、RFID读写器和搬运控制器，将多组RFID读写器对应作为多条生产线；基于步骤1中的唯一序列ID数据，进行生产线中物料RFID标签数据的写入读取；

步骤4：通过串口，嵌入式设备仿真的RFID读写器控制设备收到步骤3得到的读取数据，处理后进行显示并传输至数据库管理后台；

步骤5：数据库管理后台读取并解析数据，更新数据库内物料信息，同时反馈给仿真生产线环境中的搬运控制器，搬运物料至下一个传送带，模拟现实仓储物流环境的分拣搬运环节；

步骤6：数据控制前台实时显示数据库数据，实时显示生产线状况，并控制生产线进行生产状态的优化调优，反馈回仿真生产线环境。

进一步地，步骤1和4中的嵌入式设备，通过Proteus软件模拟得到。

进一步地，Proteus软件中，基于以STM32F103R6为核心的MCU模块和周围附属模块建立嵌入式设备，作为RFID读写器的控制设备。

进一步地，周围附属模块包括LCD1602模块、UART串口模块和虚拟终端模块。

进一步地，步骤3中的仿真生产线环境，通过Twinbricks仿真环境实现。

进一步地，步骤3中，包括如下步骤：

步骤3-1：仿真生产线环境中，RFID读写器的数字孪生体通过串口收到物料的唯一ID数据，模拟无线射频通信方式向电子标签的数字孪生体写入ID数据，并通知传送带工作，将携带此电子标签的物料传送到下一个读写器位置。

步骤3-2：在仿真生产线环境中添加传感器组件，当传感器感知到物料到达，通知读写器数字孪生体工作，模拟无线射频通信方式读取电子标签中存储的ID数据，并通过串口对外发送此次读到的数据。

进一步地，步骤4中，包括如下步骤：

步骤4-1：基于步骤1中建立的嵌入式设备，通过串口读取到仿真生产线环境中读写器对外发送的数据；

步骤4-2：嵌入式设备根据收到的数据进行信息判断处理，在LCD模块上显示数据，同时将数据传给数据库管理后台。

与传统方案相比，本方法的有益效果在于：（1）提供了一种对于RFID读写器和电子标签设备的建模仿真思路。（2）通过结合RFID技术和数字孪生技术实现数据信息的实时处理和交互，提高信息采集的效率，同时实现对仿真生产线运行状态的可视化显示。（3）提供一种初步的数据存储管理，仿真设备控制方案，方便后续对数据进行分析计算，对生产线物流调度优化。

附图说明

图1为本发明实施例中建模方法的系统整体框图。

图2为本发明实施例中建模方法的Proteus搭建仿真环境原理图。

图3为本发明实施例中建模方法的RFID读写器模型示意图。

图4为本发明实施例中建模方法的RFID电子标签模型示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

嵌入式仿真平台选取Proteus，其是较为著名的EDA工具软件，具备仿真功能，支持仿真单片机及外围器件的功能，符合本次设计的要求。选取的具体版本为Proteus8.9，其版本支持以STM32为MCU的系列仿真。

数字仿真平台选取Twinbricks，其是基于国产3D CAD开发的拥有自主知识产权的工业机器人生产线编程与仿真平台。

数据库管理后台和控制前台是基于Java语言自主开发的程序系统，数据库选取MySQL关系型数据库管理系统。

如图1所示，本方案是一种用于仓储物流环境下虚拟仿真的RFID建模方案，具体步骤依次为：

步骤1：

如图2在Proteus中添加以STM32F103R6为核心的MCU模块和周围附属模块（LCD1602模块，UART串口模块，虚拟终端模块），可以充当RFID的读写器控制设备。MCU模块烧入在keil5中编译的程序，程序中设定产生物料的唯一序列ID数据，通过串口对外发送，模拟RFID读写器自动写入数据的功能。LCD1602模块是一种可以对接STM32系列单片机的点阵型液晶模块，其显示数据为串口中传输的数据。UART串口模块采用COMPIM，为嵌入式设备的串行通信模块，接收端RX连接MCU，发送端TX连接MCU和虚拟终端。虚拟终端可以模拟在嵌入式系统中使用的串行通信，工作人员可以手动输入物料的ID数据，通过串口对外发送，模拟RFID读写器人工写入数据的功能。

步骤2：

数据库管理后台通过串口接收到物料的ID数据，在MySQL数据库中对物料进行注册，记录物料的序号，ID，名称，批次，登记设备，登记时间等信息。

步骤3-1：

在Twinbricks仿真环境中建立虚拟生产线，导入RFID的读写器和电子标签3D模型，如图3、4所示。其中电子标签模型以仓储物流环境下常用的符合EPC Class1 Gen2(简称G2)协议的超高频无源标签为例，它的内存数据存储区域分为4个区域：

Reserved区，存储access passwords访问口令和kill passwords灭活口令，控制电子标签是否能够写入和对外发送数据。灭活口令可摧毁或者使用该标签，一旦灭掉就不能再使用，访问口令为标签读写所需的密码，默认为0。

EPC区：存储电子产品代码（EPC码），由版本号、域名管理、对象分类、序列号四个数字字段组成。

TID区：存储标签生产厂商设定的识别号码，每一个电子标签在出厂时都具有全球唯一且不重复的标识ID号码。

User区：存储用户自定义的数据。

因此，在对电子标签建模时同样添加四个参数域存储以上数据以模拟实际生产状况，其中Reserved区、EPC区、User区提前写入数据，模拟电子标签出厂初始化流程，User区存放来自仿真平台读写器中的数据，模拟电子标签读写操作流程。额外设定一个灭活状态参数，表示电子标签是否处于灭活状态，是否可读可写。

步骤3-2：

为图1的读写器1模型添加数据采集点，使其能够接收到来自于串口的实时数据。使用Twinbricks软件中内置的Lua脚本插件进行相应的脚本程序设计，指定读写器和电子标签数字孪生体的数据节点，使模型够获取外部串口数据，实现数据映射。当读写器1通过串口收到物料的唯一ID数据，通过脚本程序向电子标签的数字孪生体发送写入命令，访问口令和物料ID数据，模拟RFID的无线射频通信方式。电子标签解析收到的数据，首先确认自身是否处于不可读写的灭活状态，若不处于该状态接着确认访问口令是否与自身存储的口令一致。若一致再依据收到的写入命令向电子标签的User区中写入ID数据，向读写器1返回写入成功信息，最后通知传送带开始工作，将携带此电子标签的物料传送到下一个读写器位置，否则任一认证环节出现错误，返回写入失败信息。

为图1的读写器2模型添加数据采集点，设计脚本程序使其能够通过串口向Proteus中的嵌入式设备2发送读取到的ID数据。在读写器2的附近添加一个距离传感器组件，此传感器组件为Twinbricks软件中内置的常用组件。当传感器感知到物料到达时通知读写器2工作，通过Lua脚本程序向电子标签的数字孪生体发送读取命令，访问口令，模拟RFID的无线射频通信方式。电子标签解析收到的数据，首先确认自身是否处于不可读写的灭活状态，若不处于该状态接着确认访问口令是否与自身存储的口令一致。若一致再依据收到的读取命令将电子标签的User区存储的数据及TID区的电子标签唯一标识ID共同返回读写器2。读写器2将距离传感器感知到的电子标签位置数据及电子标签返回的物料ID与标识ID共同通过串口对外发送。

返回TID区的ID是为了模拟简化解决RFID问题中的碰撞问题：当多个RFID标签处于同一个阅读器的作用范围内时，数据信息相互干扰，标签数据无法被正确读取。将User区与TID区的数据打包发回读写器用以区分不同标签的数据，防止碰撞问题出现。

返回传感器位置数据是为了模拟简化解决RFID问题中的定位问题，当一个电子标签处于多个读写器感知范围，可通过定位算法精确定位电子标签位置。

步骤4-1：仿照步骤1在Proteus软件上建立嵌入式设备2以仿真RFID的读写器控制设备，通过串口读取到Twinbricks仿真环境中数字孪生体读写器2对外发送的数据，模拟RFID读写器读取数据的功能。

步骤4-2：嵌入式设备2根据收到的数据进行简单的信息判断处理，判断信息是否合法，是否数据缺失。若存在数据非法或者数据缺失情况，在LCD1602模块上显示警报信息，并将此警报信息通过串口传给数据库管理后台。若数据合法且无缺失，将处理之后的物料ID和电子标签标识ID数据显示LCD1602模块上，将物料ID、电子标签标识ID、位置数据信息传给数据库管理后台。

步骤5：数据库管理后台读取并解析数据。若是收到警报信息，数据控制前台显示报警信息，且将此信息存入数据库进行日志记录，可以及时通知工作人员排查错误原因，解决生产线系统问题。若是收到正常数据，在数据库中根据物料ID为对应的物料数据添加电子标签ID记录，更新实时位置记录。向Twinbricks仿真环境中的机器人控制器发送指令，指示机器人搬运物料至下一个传送带，模拟现实仓储物流环境的分拣搬运环节。

步骤6：数据控制前台实时显示数据库数据，工作人员可实时查看生产线状况，控制生产线，人工优化生产状态，或者系统分析数据进行优化调优，生成最优调度方案，反馈回Twinbricks仿真平台以优化生产状态，指导生产。

本方法以仓储物流为背景对RFID设备进行通用化建模。RFID应用涉及到一系列的标准问题，主要包括技术标准、应用标准、数据内容标准和性能标准。目前，RFID还未形成统一的全球化标准，市场为多种标准并存的局面。

为了解决技术标准和内容标准问题，本方法可根据不同的通信协议、数据协议、数据编码规则，具体情况设定不同的数据参数及数据编码方式，以通用化方式解决以上问题。

为了解决应用标准问题，本方法可根据具体的应用场景如物流配送、仓储管理、交通运输、信息管理、动物识别、矿井安全、工业制造和休闲娱乐等导入不同的具体RFID设备模型进行场景建模，以通用化方式解决以上问题。

为了解决性能标准问题，本方法可通过改变距离传感器感知范围以模拟低频、高频、超高频、微波子标签通信距离从5cm~100m不等的通信范围。RFID读写器按可移动性分类可分为固定阅读器和移动阅读器，可以通过改变读写器孪生体在场景中的位置坐标来进行模拟。

本方法为了模拟仿真设备间通信过程，简化了读写器信号编码、调制，电子标签信号解调、译码流程及设备间通信握手确认机制。为了设备间数据通信安全，通过有效的数据验证机制模拟实际场景简化解决了电子标签和读写器之间的通信侵入问题：1、非法读写器接收数据。2、第三方堵塞数据传输。3、伪造标签发送数据。

本方法仿真了实体RFID设备进行虚拟化建模，模型各项参数逼近真实设备，数据通信流程也模拟真实设备间的通信机制，进行了通用化的系统建模。按不同的环境设定参数也模拟不同类型不同协议的设备，导入模拟仿真平台进行仿真。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (7)

1.一种用于仓储物流环境下虚拟仿真的RFID建模方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

步骤1：建立嵌入式设备以仿真RFID读写器的控制设备，设备产生物料的唯一序列ID数据，通过串口对外发送；

步骤2：数据库管理后台通过串口读取到物料唯一ID数据，对物料进行登记注册，记录信息进入数据库中；

步骤3：建立仿真生产线环境，其中设置数字孪生体以仿真电子标签、RFID读写器和搬运控制器，将多组RFID读写器对应作为多条生产线；基于步骤1中的唯一序列ID数据，进行生产线中物料RFID标签数据的写入读取；

步骤4：通过嵌入式设备仿真的RFID读写器的控制设备收到步骤3得到的读取数据，处理后进行显示并传输至数据库管理后台；

步骤5：数据库管理后台读取并解析数据，更新数据库内物料信息，同时反馈给仿真生产线环境中的搬运控制器，搬运物料至下一个传送带，模拟现实仓储物流环境的分拣搬运环节；

步骤6：数据控制前台实时显示数据库数据，实时显示生产线状况，并控制生产线进行生产状态的优化调优，反馈回仿真生产线环境。

2.根据权利要求1所述的一种用于仓储物流环境下虚拟仿真的RFID建模方法，其特征在于：步骤1和4中的嵌入式设备，通过Proteus软件模拟得到。

3.根据权利要求2所述的一种用于仓储物流环境下虚拟仿真的RFID建模方法，其特征在于：Proteus软件中，基于以STM32F103R6为核心的MCU模块和周围附属模块建立嵌入式设备，作为RFID读写器的控制设备。

4.根据权利要求3所述的一种用于仓储物流环境下虚拟仿真的RFID建模方法，其特征在于：周围附属模块包括LCD1602模块、UART串口模块和虚拟终端模块。

5.根据权利要求1所述的一种用于仓储物流环境下虚拟仿真的RFID建模方法，其特征在于：步骤3中的仿真生产线环境，通过Twinbricks仿真环境实现。

6.根据权利要求1所述的一种用于仓储物流环境下虚拟仿真的RFID建模方法，其特征在于：步骤3中，包括如下步骤：

步骤3-1：仿真生产线环境中，RFID读写器的数字孪生体通过串口收到物料的唯一ID数据，模拟无线射频通信方式向电子标签的数字孪生体写入ID数据，并通知传送带工作，将携带此电子标签的物料传送到下一个读写器位置；

步骤3-2：传感器感知到物料到达，通知读写器数字孪生体工作，模拟无线射频通信方式读取电子标签中存储的ID数据，并通过串口对外发送此次读到的数据。

7.根据权利要求1所述的一种用于仓储物流环境下虚拟仿真的RFID建模方法，其特征在于：步骤4中，包括如下步骤：

步骤4-1：基于步骤1中建立的嵌入式设备，通过串口读取到仿真生产线环境中读写器对外发送的数据；

步骤4-2：嵌入式设备根据收到的数据进行信息判断处理，在LCD模块上显示数据，同时将数据传给数据库管理后台。

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