基于RFID的智能倉儲系統(tǒng)設(shè)計(jì)及性能評估

許 航

(國網(wǎng)江蘇省電力有限公司徐州供電分公司，江蘇 徐州 221005)

0 引言

傳統(tǒng)生產(chǎn)過程中，對物品的監(jiān)測通常需以人工方式完成。這存在物品吞吐量過大的問題，會造成某些意外狀況。這就要求全面監(jiān)控所有生產(chǎn)環(huán)節(jié)，對潛在問題開展迅速排查[1-4]。而在工業(yè)化生產(chǎn)過程中，人員在操作與維護(hù)機(jī)器設(shè)備時(shí)難免會發(fā)生傷害事故，危險(xiǎn)性高于其他行業(yè)。因此，工業(yè)化生產(chǎn)需要對倉庫系統(tǒng)的整體布局進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，嚴(yán)格設(shè)置檢測規(guī)章制度，同時(shí)制定評估預(yù)案[5-6]。

按照不同物品的特定間隔對倉庫系統(tǒng)分別設(shè)定合適的出入庫周期，可有效降低移載機(jī)的負(fù)擔(dān)。但需要注意的是：出入庫周期太短無法緩解倉庫系統(tǒng)的輸送壓力，不能充分避免擁堵的問題，從而會引起錯誤的識別結(jié)果；出入庫周期太長會導(dǎo)致某些設(shè)備處在空閑的狀態(tài)，從而降低整體運(yùn)行效率。針對以上各項(xiàng)不足，需要采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以達(dá)到不同設(shè)備的協(xié)同目標(biāo)[7-10]。

本文以射頻識別(radio frequency identification,RFID)方法建立物聯(lián)網(wǎng)和倉儲感知系統(tǒng)，同時(shí)利用云端服務(wù)與各類智能終端對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行高效傳輸。該系統(tǒng)采用非接觸控制模式，可有效減少人員工作量，使倉儲系統(tǒng)達(dá)到更高效的運(yùn)行狀態(tài)；能充分避免因人為因素而引起的系統(tǒng)運(yùn)行故障，提升了系統(tǒng)操作的安全性，達(dá)到了高效管理倉儲系統(tǒng)的目的。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主控板上配置了Wi-Fi連接器與無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，以及數(shù)據(jù)傳感器、執(zhí)行系統(tǒng)、無線數(shù)據(jù)模塊。Wi-Fi連接器可實(shí)現(xiàn)主控板、云服務(wù)系統(tǒng)與云服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)連接。用戶端通過網(wǎng)絡(luò)與云服務(wù)器構(gòu)建連接。通過建立通信和數(shù)據(jù)傳輸通道，可同時(shí)得到倉儲管理系統(tǒng)的作業(yè)信息。主控板與從控板之間通過無線通信模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。其中，主控板負(fù)責(zé)處理人員發(fā)送的指令信息以及分析傳感器數(shù)據(jù)，并把控制指令傳輸?shù)綇目匕澹粡目匕逋ㄟ^無線通信模塊把信息數(shù)據(jù)傳輸?shù)街骺匕?，同時(shí)接收主控板指令并執(zhí)行相關(guān)操作。倉儲控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 倉儲控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Warehouse control system structure

1.2 物品傳送數(shù)量和位置控制

進(jìn)行物品存儲時(shí)，可通過系統(tǒng)記憶和標(biāo)志功能記錄存儲位置信息并實(shí)施可視化監(jiān)管，并要求傳送設(shè)備在某一時(shí)刻只對其中一件物品進(jìn)行處理。為提升傳輸效率，上位設(shè)備需根據(jù)下位設(shè)備工作狀態(tài)判斷是否對物品進(jìn)行傳輸。光電傳感器在出入庫臺與傳送機(jī)首尾區(qū)域安裝，以實(shí)現(xiàn)對物品傳入、傳出過程進(jìn)行監(jiān)測的功能。壓力傳感器安裝在移載機(jī)面板，用于判斷移載機(jī)是處于空閑狀態(tài)還是被占用狀態(tài)。

在傳送機(jī)空閑而上位傳送設(shè)備物品已經(jīng)準(zhǔn)備好的情況下，物品從上位設(shè)備傳輸至下位設(shè)備，利用光電傳感器掃描物品的傳輸過程，并將傳送機(jī)數(shù)據(jù)傳輸至主控板。主控板在數(shù)據(jù)處理的過程中，會對上位傳送設(shè)備發(fā)送暫停物品傳輸?shù)闹噶?，同時(shí)實(shí)時(shí)接收下位傳送設(shè)備發(fā)送的運(yùn)行狀態(tài)信息。在下位傳送設(shè)備空閑的情況下，物品可以被連續(xù)傳輸至下位傳送設(shè)備。當(dāng)下位傳送設(shè)備占用時(shí)間大于設(shè)定值時(shí)，主控板控制傳送機(jī)停止運(yùn)行過程。當(dāng)主控板返回指令時(shí)，表明下位傳送設(shè)備已經(jīng)空閑。這時(shí)傳送機(jī)啟動并通過光電傳感器對下位設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。

2 RFID防沖突算法

基于類比機(jī)制碰撞避碰(avoiding collision based on analogy mechanision,ACAM)是1種根據(jù)RFID系統(tǒng)基數(shù)估計(jì)的方式實(shí)現(xiàn)對探測區(qū)域中的標(biāo)簽數(shù)量實(shí)施估計(jì)的技術(shù)。ACAM按照動態(tài)幀長的算法，結(jié)合標(biāo)簽數(shù)量對幀長進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)時(shí)隙的最高效利用，并顯著提升估測效率。ACAM閱讀器與標(biāo)簽在滿足哈希機(jī)制的條件下執(zhí)行以下操作：接收確認(rèn)信息標(biāo)簽后，按照種子進(jìn)行哈希運(yùn)算；以實(shí)際獲得的哈希結(jié)果表示相應(yīng)幀的對應(yīng)時(shí)隙序號；收到時(shí)隙后，再由標(biāo)簽回復(fù)1 bit以完成信息確認(rèn)[11]。

按照效率優(yōu)先的原則，確保在識別估測時(shí)間最短的條件下，推導(dǎo)出幀長參數(shù)。設(shè)T為ACAM的執(zhí)行時(shí)間，則有[12]：

(1)

式中：f為幀長；t96為標(biāo)簽回復(fù)96位ID所需時(shí)間；tshort為確認(rèn)信息最少時(shí)間。

對選定時(shí)隙的回復(fù)概率為：

(2)

式中：Xi為標(biāo)簽選擇時(shí)隙i的回復(fù);k為沖突指示值;N為標(biāo)簽數(shù)。

當(dāng)沖突時(shí)隙發(fā)生(即k>1)時(shí),P轉(zhuǎn)變?yōu)椋?/p>

(3)

當(dāng)幀長為f的各時(shí)隙都處在P概率時(shí)，各時(shí)隙會成為單一時(shí)隙，則單一時(shí)隙中標(biāo)簽完成回復(fù)確認(rèn)的個數(shù)可以表示成P×f。閱讀器進(jìn)行ACAM快速估測所需平均時(shí)間為：

(4)

γ效率越高，則平均時(shí)間應(yīng)越短。

對式(4)進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，參數(shù)γ對平均時(shí)間存在直接影響，而未識別標(biāo)簽數(shù)量則不會引起結(jié)果的變化。因此，可以將各幀參數(shù)γ都設(shè)定在最佳值1.5，以獲得最優(yōu)效率。

3 倉儲資源管理實(shí)現(xiàn)及評估

3.1 試驗(yàn)測試

本研究采用通用軟件無線電外設(shè)(universal software radio peripheral,USRP)平臺作為測試平臺，設(shè)置調(diào)制模式為二進(jìn)制相移鍵控(binary phase shift keying,BPSK)，按照前期規(guī)定的方式設(shè)置傳輸功率。為評估正交碼信號探測性能，本文綜合評估了沖突信號識別最大數(shù)量Q和偏碼長度L這2個參數(shù)。不同信噪比下信號檢測率分布如圖2所示，

圖2 不同信噪比下信號檢測率分布Fig.2 Signal detection rate distribution under different signal-to-noise ratio

由圖2可知，在信噪比超過-6 dB的情況下，各編碼長度信號成功率都接近100%。因此，當(dāng)信噪比恒定時(shí)，提高碼長可以獲得更高的信號檢測效率。根據(jù)以上測試結(jié)果可知，對信號進(jìn)行檢測的成功率受到編碼長度和信噪比的綜合影響，隨著信噪比的增大以及編碼長度的增加，可獲得更準(zhǔn)確的相關(guān)值，使信號檢測率更高。

通過測試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)編碼長度增加或信噪比增大時(shí)，可獲得更大的信號相關(guān)值。檢測率將因此更高，從而實(shí)現(xiàn)Q與L的相互平衡。同時(shí)，本文根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果確定L與Q的相互關(guān)系，并分別測試了以下2種場景。①在L為20 bit、Q為5、信噪比未超過-10 dB時(shí)，信號的成功檢測率為95%。②設(shè)定L為50 bit、Q為10，則信號被成功檢測率為97%。

3.2 試驗(yàn)評估

本文通過仿真測試，對比了利用和避免碰撞協(xié)議(utilizing and avoiding collision protocol,UACP)、電子產(chǎn)品代碼(electronic product code,EPC)與移幅鍵控(amplitude shift keying,ASK)算法的性能差異。仿真測試將標(biāo)簽的數(shù)量設(shè)定在500～10 000之間，并評估時(shí)隙利用率、平均時(shí)間、標(biāo)簽讀取速率、總執(zhí)行時(shí)間、時(shí)延等各項(xiàng)性能。按照EPC標(biāo)準(zhǔn)，閱讀器至標(biāo)簽的通信速率在26～128 kbit/s之間變化，標(biāo)簽至閱讀器的通信速率在40～640 kbit/s之間變化。進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，兩者的速率依次被設(shè)定為64 kbit/s與320 kbit/s。

通過理論推導(dǎo)并結(jié)合之前的試驗(yàn)評估結(jié)果，可以判斷UACP具備更強(qiáng)的時(shí)效性。在進(jìn)行性能評估時(shí)，待識別的標(biāo)簽數(shù)為1～10 000，發(fā)射功率為50 dB，設(shè)定信噪比為-5 dB、Q為5、W子集為30。不同標(biāo)簽數(shù)下算法執(zhí)行時(shí)間分布如圖3所示。

圖3 不同標(biāo)簽數(shù)下算法執(zhí)行時(shí)間分布Fig.3 Algorithm execution time distribution under different number tags

由圖3可知，隨著標(biāo)簽數(shù)的逐漸增多，執(zhí)行時(shí)間表現(xiàn)為線性分布的特征。其中，UACP的執(zhí)行效率比EPC高60%，與ASK相比高25%。

不同標(biāo)簽數(shù)下算法時(shí)延分布如圖4所示。

圖4 不同標(biāo)簽數(shù)下算法時(shí)延分布Fig.4 Algorithm delay distribution under different tag numbers

由圖4可知，EPC與ASK這2種算法不能完全解決沖突問題，在標(biāo)簽數(shù)量增加后形成了更大的時(shí)延；采用UACP則能夠?qū)Υ郎y信號進(jìn)行高效識別，從而顯著縮短時(shí)延。

4 結(jié)論

本文為所有堆垛機(jī)設(shè)置了RFID標(biāo)簽，通過多點(diǎn)定位的方法測試堆垛機(jī)方位。在進(jìn)行物品存儲時(shí)，倉庫通過系統(tǒng)記憶和標(biāo)志功能記錄存儲位置信息并實(shí)施可視化監(jiān)管。同時(shí)，本文為移載機(jī)面板安裝壓力傳感器，從而判斷移載機(jī)是處于空閑狀態(tài)還是被占用狀態(tài)。

通過測試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)編碼長度增加或信噪比增大時(shí)，系統(tǒng)可獲得更大的信號相關(guān)值、檢測率更高、可達(dá)到Q與L的相互平衡。

本文建立了基于RFID防沖突算法的倉儲資源管理系統(tǒng)，并對系統(tǒng)進(jìn)行了評估。隨著標(biāo)簽數(shù)的逐漸增多，執(zhí)行時(shí)間呈現(xiàn)線性分布的特征。其中，UACP執(zhí)行效率最高。采用UACP正交信號檢測方法能夠?qū)Υ郎y信號進(jìn)行高效識別，顯著縮短時(shí)延。