RFID定位方法及其在智能制造中的應(yīng)用

郭桓宇，侯悅民，李 康

(北京信息科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，北京 100192)

RFID定位方法及其在智能制造中的應(yīng)用

郭桓宇，侯悅民，李 康

(北京信息科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，北京 100192)

無線射頻技術(shù)是智能制造重要支撐技術(shù)之一，對(duì)信息物理系統(tǒng)的信息和數(shù)據(jù)交換起到了不可或缺的作用。但是RFID技術(shù)在制造業(yè)的應(yīng)用還處于對(duì)生產(chǎn)裝備、生產(chǎn)刀具等實(shí)時(shí)跟蹤、定位，對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理、分析的階段。 RFID系統(tǒng)定位方法的選取將直接影響企業(yè)信息交互、制造過程管理等。針對(duì)這種情況，文中對(duì)現(xiàn)有的RFID定位方法進(jìn)行了總結(jié)歸納，并討論了RFID技術(shù)在國內(nèi)制造業(yè)中可能的應(yīng)用方向。

RFID技術(shù)；定位算法；智能制造

RFID作為一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，憑借其識(shí)別距離遠(yuǎn)、速度快、抗干擾能力強(qiáng)與標(biāo)簽的防水、防磁、耐高溫、壽命長、讀取遠(yuǎn)等特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于物流、體育、交通、軍事等多個(gè)行業(yè)[1]。隨著“中國制造2025”的提出，業(yè)界開始將RFID技術(shù)和智能制造有效結(jié)合，能夠在一定程度上彌補(bǔ)企業(yè)計(jì)劃層與控制層之間的“信息斷層”，能有效地進(jìn)行智能化、可視化管理，大幅提升制造效率和質(zhì)量。但國內(nèi)在此方面的應(yīng)用還處于初級(jí)階段。為了能夠高效運(yùn)用RFID系統(tǒng)，本文對(duì)現(xiàn)有RFID定位方法進(jìn)行系統(tǒng)地梳理總結(jié)，并介紹RFID技術(shù)在我國制造業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀與可能發(fā)展方向。

1 RFID系統(tǒng)

RFID是一種無線通信技術(shù)，通過射頻信號(hào)來識(shí)別特定目標(biāo)并讀取相關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)一種無接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。RFID系統(tǒng)由閱讀器、天線、應(yīng)答器(電子標(biāo)簽)、應(yīng)用軟件系統(tǒng)4部分組成。當(dāng)電子標(biāo)簽進(jìn)入天線磁場范圍后，標(biāo)簽接收天線發(fā)出的射頻信號(hào)，并根據(jù)接收到的射頻信號(hào)發(fā)送出與之相匹配的標(biāo)簽信息，閱讀器讀取標(biāo)簽信息并解碼后，通過應(yīng)用軟件系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)簽的自動(dòng)識(shí)別[2]。

2 RFID定位方法

2.1 RSSI方法

RSSI定位原理[3]如下：設(shè)發(fā)射端與接收端的距離為Di，第i個(gè)閱讀器接收到的功率為Pri，則

(1)

式中，Pt表示標(biāo)簽的發(fā)射功率；λ表示電磁波的波長；Gt和Gri分別表示標(biāo)簽及第i個(gè)閱讀器天線的增益。

基于場強(qiáng)定位方法的系統(tǒng)易搭建,但室內(nèi)環(huán)境存在多徑效應(yīng)及NLOS干擾，定位精度不高。

2.2 TOA方法

TOA定位原理[4]如下：設(shè)電磁波的傳播速度為光速C，測量信號(hào)從發(fā)出到閱讀器接收的時(shí)間為t，則標(biāo)簽到閱讀器的距離S=Ct。

TOA方法的定位精度較高，但要求發(fā)射和接收在時(shí)間上要保持同步。但室內(nèi)環(huán)境阻擋物較多，在傳播過程中易產(chǎn)生散射波導(dǎo)致多徑效應(yīng)，甚至讀不到標(biāo)簽信息。故閱讀器接收到的時(shí)間間隔非常小,現(xiàn)有設(shè)備的分辨率不易區(qū)分。

2.3 TDOA方法

TDOA定位原理如下：通過測量多個(gè)天線與待測標(biāo)簽的到達(dá)時(shí)間差來確定待定位點(diǎn)的相對(duì)位置，根據(jù)數(shù)學(xué)關(guān)系，待定位點(diǎn)在以任意兩參考點(diǎn)為焦點(diǎn)的雙曲線上，因此多條雙曲線的交點(diǎn)即為待定位點(diǎn)的實(shí)際位置[5]，如圖1所示。

圖1 TDOA定位方法示意圖

TDOA定位方法的定位精度較高，節(jié)點(diǎn)在時(shí)間上不需要完全同步，而且能緩解硬件延遲問題。但是閱讀器必須保持同步，多徑效應(yīng)、噪聲、NLOS等對(duì)定位效果有一定影響。

2.4 AOA方法

AOA定位原理[6]如下：兩個(gè)或以上的閱讀器通過天線讀取標(biāo)簽的RFID信號(hào)，根據(jù)傳輸路徑的到達(dá)方向進(jìn)行定位。通常標(biāo)簽處于天線陣元的遠(yuǎn)場區(qū)域,因此將標(biāo)簽的來波看作平面波,則間隔位置為d的相鄰陣元所接收到的來自同一標(biāo)簽的到達(dá)角為θ的相位差φ

φ=2π×d×cosθ/λ

(2)

式中，λ是電磁波波長。根據(jù)式(2)測量不同陣元接收信號(hào)的相差φ，可得到來波信號(hào)的到達(dá)角θ。再根據(jù)兩個(gè)閱讀器接收到同一個(gè)標(biāo)簽的到達(dá)角信息計(jì)算標(biāo)簽的具體位置，算法原理如圖2所示。

圖2 AOA定位方法示意圖

AOA方法定位精度較高，與TOA、TDOA方法相比，結(jié)構(gòu)更簡單，但對(duì)天線的靈敏度和分辨率要求更高，設(shè)備成本也較高。同時(shí)還需投入大量的計(jì)算和通信開銷。但在NLOS環(huán)境下，AOA方法的定位誤差明顯增大，因此AOA方法不適用于低成本的室內(nèi)定位系統(tǒng)。

3 RFID定位算法

目前基于RFID系統(tǒng)的定位算法主要有場景分析法、距離估計(jì)法、近似估計(jì)法三類。場景分析法通過預(yù)先建立基于RSSI值的先驗(yàn)分布圖，再根據(jù)概率模型、KNN模型等做具體的分析。距離估計(jì)法是通過測量RSSI、TOA等參數(shù)值，再借助數(shù)學(xué)模型對(duì)位置信息進(jìn)行估計(jì)。近似估計(jì)法是預(yù)先用閱讀器和天線對(duì)定位環(huán)境布局，再通過讀標(biāo)簽的方式對(duì)位置進(jìn)行估計(jì)[7]。

3.1 Monte Carlo定位算法

Monte Carlo采用測量模型來估計(jì)標(biāo)簽位置的后驗(yàn)概率分布，采用隱馬爾科夫模型計(jì)算每時(shí)每刻的概率。該定位算法包括預(yù)測階段和更新階段，遞歸調(diào)用這兩個(gè)階段便可實(shí)現(xiàn)定位[8]。

(1) 預(yù)測模型。假定室內(nèi)噪聲為高斯噪聲，則通過第k-1時(shí)刻來預(yù)測第k時(shí)刻時(shí)標(biāo)簽可能會(huì)出現(xiàn)的位置。其預(yù)測模型如下

(3)

(4)

x(k)=x(k-1)+V(k)cos(θ(k))dk

(5)

y(k)=y(k-1)V(k)sin(θ(k))dk

(6)

式中，N(0,σ2)為高斯分布；x(k)、y(k)為橫縱坐標(biāo)；θ(k)、σθ為標(biāo)簽運(yùn)動(dòng)角度和方差；V(k)、σV為標(biāo)簽運(yùn)動(dòng)速度和方差；dk指時(shí)間步長；

(2) 測量模型。讀寫器通過TOA方法測得第k時(shí)刻待測標(biāo)簽和采樣點(diǎn)分別與閱讀器的距離，再通過測量模型計(jì)算標(biāo)簽的位置。公式如下

(7)

式中，Dk代表采樣點(diǎn)Sk與讀寫器在k時(shí)刻的距離；Zk是標(biāo)簽到閱讀器的測量距離；δ為標(biāo)準(zhǔn)差。

3.2 Landmarc算法(K最鄰近法)

Landmarc算法通過比較待測標(biāo)簽與參考標(biāo)簽的列陣特征向量來估計(jì)待測標(biāo)簽位置。具體如下：在定位空間設(shè)置大量參考標(biāo)簽，其位置信息都已知。標(biāo)簽對(duì)應(yīng)的RSSI值構(gòu)成標(biāo)簽的特征向量。待測標(biāo)簽與參考標(biāo)簽特征向量最接近的參考標(biāo)簽位置即為待測標(biāo)簽的估計(jì)位置[9]。在實(shí)際中，待測標(biāo)簽的位置由向量差最小的k個(gè)參考標(biāo)簽共同決定。公式如下

(8)

式中，k代表向量差最小的參考標(biāo)簽的個(gè)數(shù)，(xi-yi)代表第i個(gè)參考標(biāo)簽的坐標(biāo)；Wi指每個(gè)參考標(biāo)簽的權(quán)值因子

(9)

式中，Ej代表待測標(biāo)簽與參考標(biāo)簽j的歐氏距離。

文獻(xiàn)[10]將等勢點(diǎn)的概念引入Landmarc算法，并提出修改權(quán)重求解公式的方法來提高定位精度。文獻(xiàn)[11]對(duì)傳統(tǒng)的Landmarc算法中K值隨環(huán)境能夠自適應(yīng)改變。結(jié)果表明改進(jìn)后的自適應(yīng)K鄰近算法70%的標(biāo)簽精度在1 m之內(nèi)，93%的標(biāo)簽精度在1.5 m之內(nèi)，較傳統(tǒng)的Landmarc算法，誤差降低10%。

3.3 質(zhì)心定位方法

質(zhì)心定位算法是將所有信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的幾何質(zhì)心作為待定位節(jié)點(diǎn)的估計(jì)位置。加權(quán)質(zhì)心算法是對(duì)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)質(zhì)心坐標(biāo)進(jìn)行加權(quán)[12]。假設(shè)待定位節(jié)點(diǎn)在其通信范圍內(nèi)有3個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，則通過加權(quán)質(zhì)心算法求得的待定位節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)為

(10)

(11)

d1、d2、d3是待定位節(jié)點(diǎn)與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的距離。該定位系統(tǒng)要保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，讀寫器不發(fā)生相互干擾。文獻(xiàn)[13]將Landmarc算法和質(zhì)心算法結(jié)合起來以實(shí)現(xiàn)三維空間定位，實(shí)驗(yàn)表明誤差在0.41 m內(nèi)。

3.4 DV-Hop定位算法

DV-Hop定位算法首先通過距離矢量交換協(xié)議將錨節(jié)點(diǎn)的位置信息和跳數(shù)信息廣播到網(wǎng)絡(luò)中，使網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)獲取到與錨節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)。錨節(jié)點(diǎn)然后根據(jù)接收到的跳數(shù)信息計(jì)算網(wǎng)絡(luò)平均每跳距離，并將其作為跳距校正值廣播到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，未知節(jié)點(diǎn)通過該校正值和平均每跳距離值估計(jì)與錨節(jié)點(diǎn)的歐式距離。最后通過三邊測量法或最大似然估計(jì)法來實(shí)現(xiàn)定位[14]。

文獻(xiàn)[15]提出一種改進(jìn)的DV-hop定位算法，將錨節(jié)點(diǎn)按等腰三角形進(jìn)行部署，減小了計(jì)算量，降低通信開銷及成本。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在單獨(dú)計(jì)算節(jié)點(diǎn)的橫縱坐標(biāo)的情況下定位精度提升3.17%，平均定位誤差為0.33 m。

3.5 APIT定位算法

APIT算法的基本思想是：從信標(biāo)節(jié)點(diǎn)中任選3個(gè)，判斷待定位節(jié)點(diǎn)是否位于這3個(gè)錨節(jié)點(diǎn)組成的三角形內(nèi)，如果在三角形內(nèi)，則將其標(biāo)記，并依次檢測錨節(jié)點(diǎn)的組合，最終將該未知節(jié)點(diǎn)包含在內(nèi)的所有三角形相交區(qū)域的質(zhì)心作為待定位節(jié)點(diǎn)的估計(jì)位置[16]。

APIT定位算法采用PIT法來判斷定位點(diǎn)的位置，PIT法的原理如下：如果待測點(diǎn)M能夠沿某一方向同時(shí)遠(yuǎn)離或接近三角形的所有頂點(diǎn)，則待測點(diǎn)在三角形外，否則在三角形內(nèi)。

APIT定位算法的優(yōu)點(diǎn)是定位精度高，性能穩(wěn)定，對(duì)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)分布要求低。但每個(gè)節(jié)點(diǎn)需要大量的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測試，對(duì)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)密度要求較高。但在網(wǎng)絡(luò)邊緣區(qū)域，未知節(jié)點(diǎn)附近的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)較少，可能無法滿足APIT定位條件，需依靠其他方法定位。

3.6 凸規(guī)劃定位算法

凸規(guī)劃定位算法是將節(jié)點(diǎn)間點(diǎn)到點(diǎn)的通信連接作為節(jié)點(diǎn)位置的幾何約束，把整個(gè)網(wǎng)絡(luò)模型化為一個(gè)凸集，節(jié)點(diǎn)問題將轉(zhuǎn)化為凸約束優(yōu)化問題。再通過全局優(yōu)化的解決方案求節(jié)點(diǎn)位置。根據(jù)位置節(jié)點(diǎn)與錨節(jié)點(diǎn)的通信連接和節(jié)點(diǎn)射程計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)可能存在的矩形區(qū)域，最后把矩形的質(zhì)心作為未知節(jié)點(diǎn)的位置[17]。如圖3所示。

凸規(guī)劃定位算法通信開銷小、計(jì)算量小、容易實(shí)現(xiàn)，對(duì)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)和分布要求較低。信標(biāo)重疊范圍決定其定位精度。

文獻(xiàn)[18]提出一種RSSI-Convex算法，將RSSI值與凸規(guī)劃相結(jié)合，縮小未知節(jié)點(diǎn)可能存在范圍，從而減小定位誤差。文獻(xiàn)[19]提出一種Convex-CIS算法，通過確定矩形區(qū)域最大內(nèi)接圓，來縮小未知節(jié)點(diǎn)可能存在范圍。

3.7 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)定位算法

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過處理輸入信號(hào)來確定輸出。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型描述如下[20]：

設(shè)神經(jīng)元j的輸入向量Xj=(x1,x2…xn)T其中，xi(i=1,2，…，n)表示第i個(gè)神經(jīng)元的輸入。

輸入神經(jīng)元節(jié)點(diǎn)鏈接到神經(jīng)元節(jié)點(diǎn)j的加權(quán)向量Wi=(w1j,w2j，…，wnj)T。其中，wij(i=1,2，…，n)表示神經(jīng)元節(jié)點(diǎn)i與神經(jīng)元節(jié)點(diǎn)j之間的鏈接強(qiáng)度。

神經(jīng)元j的閾值為θj，用x0=1的固定偏置輸入節(jié)點(diǎn)表示閾值節(jié)點(diǎn)，則它與神經(jīng)元j之間的鏈接強(qiáng)度為w0j=θj，所以神經(jīng)元j的輸入加權(quán)和為

(12)

神經(jīng)元j的輸入狀態(tài)為：yj=f(sj)，神經(jīng)元j的輸出為

(13)

其中，函數(shù)f(·)為神經(jīng)元輸入與輸出的關(guān)系，稱為轉(zhuǎn)移函數(shù)。

文獻(xiàn)[21]采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了信號(hào)強(qiáng)度值與路徑損耗系數(shù)的映射模型，有效地提高了路徑損耗系數(shù)的準(zhǔn)確度。文獻(xiàn)[22]運(yùn)用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了標(biāo)簽信號(hào)強(qiáng)度和到讀寫器的距離的映射模型，實(shí)驗(yàn)表明平均定位誤差為0.184 m，較BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)定位精度提高了0.076 m。

3.8 新型定位算法

文獻(xiàn)[23]提出一種基于RSSI值的定位算法，算法的原理如下：當(dāng)讀寫器監(jiān)測到待測標(biāo)簽時(shí)，記錄讀寫器坐標(biāo)(x,y)，讀寫器沿原方向繼續(xù)移動(dòng)，將該方向記為 正向，當(dāng)接收信號(hào)消失時(shí)記錄閱讀器坐標(biāo)(x0,y0)，待定位標(biāo)簽位于兩圓的交點(diǎn)位置，通過上下移動(dòng)讀寫器的方式來確定是哪一點(diǎn)，示意圖如圖4所示。

圖4 新型定位算法示意圖

4 RFID技術(shù)與智能制造

在制造業(yè)中，上海大眾公司將RFID系統(tǒng)集成到發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)線的零點(diǎn)定位系統(tǒng)，降低人工操作對(duì)生產(chǎn)控制的影響，提高了生產(chǎn)效率[24]。天津豐田汽車公司皇冠車的生產(chǎn)線也開始使用RFID讀寫器對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行管理。大連機(jī)床股份有限公司利用RFID系統(tǒng)對(duì)測試刀具進(jìn)行生產(chǎn)驗(yàn)證，解決了因刀具使用混亂造成的資源浪費(fèi)問題[25]。我國一些衛(wèi)浴企業(yè)也運(yùn)用RFID系統(tǒng)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、動(dòng)態(tài)調(diào)配和監(jiān)控生產(chǎn)過程。廣州某大型現(xiàn)代企業(yè)對(duì)產(chǎn)品的生產(chǎn)，存儲(chǔ)全程跟蹤，實(shí)時(shí)獲取產(chǎn)品數(shù)據(jù)、監(jiān)控產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)品的具體位置[26]。三一重工、上汽通用五菱、上海通用等國內(nèi)龍頭企業(yè)也開始實(shí)施RFID項(xiàng)目，運(yùn)用RFID標(biāo)簽對(duì)制造過程進(jìn)行管理等。

目前我國制造業(yè)對(duì)RFID的應(yīng)用集中在制造系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析。智能制造的發(fā)展方向是使制造系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)狀態(tài)感知和響應(yīng)自助決策[27]，通過建立物理信息融合系統(tǒng)(Cyber-Physical System, CPS)實(shí)現(xiàn)智能連接的工廠。信息技術(shù)向制造業(yè)全面嵌入，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)要素高度靈活的配置。加快傳統(tǒng)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的步伐，通過互聯(lián)網(wǎng)智能設(shè)備將這些數(shù)據(jù)聯(lián)系起來并進(jìn)行分析、調(diào)整、決策并開展智能生產(chǎn)，生產(chǎn)高品質(zhì)產(chǎn)品。

5 結(jié)束語

RFID技術(shù)是CPS支撐技術(shù)之一，可以實(shí)現(xiàn)不同資源的連接。通過RFID技術(shù)為企業(yè)提供決策依據(jù)，提高各個(gè)生產(chǎn)階段的運(yùn)行效率、制造業(yè)的集約化程度，對(duì)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型具有重要推動(dòng)作用。

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RFID Positioning Method and Its Application in Intelligent Manufacturing

GUO Huanyu,HOU Yuemin,LI Kang

(School of Electromechanical Engineering,Beijing Information Science and Technology University,Beijing 100192,China)

RFID technology is a key technology for information and data exchange in CPS systems to support intelligent manufacturing. Current applications in manufacturing industry include real-time tracking, positioning of production equipment and collection, processing, analysis of production data. The existing RFID positioning methods are reviewed and summarized, and the RFID technology in domestic manufacturing industry application direction is discussed.

RFID technology; location algorithm; intelligent manufacturing

2016- 05- 30

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51175284)；北京市教委科研基金資助項(xiàng)目 (SQKM201211232002)

郭桓宇(1990-)，男，碩士研究生。研究方向：RFID技術(shù)等。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.04.029

TP29

A

1007-7820(2017)04-115-05