一种RFID天线快速部署的系统及方法

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一种RFID天线快速部署的系统及方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及电子信息技术领域，尤其涉及一种在复杂应用环境下快速部署RFID天线的系统及方法。\n背景技术\n[0002] RFID全称为射频识别(Radio Frequency Identification)，是一种利用射频技术实现的非接触式自动识别技术。RFID标签具有体积小、读写速度快、形状多样、使用寿命长、可重复使用、存储容量大、能穿透非导电性材料等特点，结合RFID读写器可以实现多目标识别和移动目标识别，进一步通过与互联网技术的结合还可以实现全球范围内物品的跟踪与信息的共享。RFID技术应用于物流、制造、公共信息服务等行业，可大幅提高管理与运作效率，降低成本。\n[0003] 作为物联网的核心技术之一，RFID技术的应用领域非常广泛。复杂的应用环境和多种多样的RFID设备给RFID系统部署和测试带来了新的挑战，尽管可以通过设计合理的基准测试方法和自动测试系统对RFID系统各组成部分的性能指标进行专门测试，但是还需要对应用中的基准测试试验方案设计和测试数据分析进行研究，以经济地、科学地、优化地制定基准测试的试验方案，提高测试效率，研究测试对象的变化规律，获得更加可靠、高效的RFID基准测试数据，为使用者提供辅助决策依据。\n[0004] 使用RFID设备对出入库的商品进行自动、批量、远距离的识别是RFID技术最典型的应用之一，可以用来控制库存水平、决定补充时间及订购量大小。在入库环节，使用固定式RFID设备对物料进行数量清点和核对，做到帐物相符，进而确定物料在仓库中的存放位置；在出库环节，根据出库商品的唯一标识确定存放位置，并按照订单数量取出相应物料，然后再次对提出的物料进行数量清点和核对，发往目的地。基于RFID技术的仓储管理在满足供应链管理要求的前提下，通过对企业的库存水平进行控制，可以提高物流系统效率，降低企业流动资金，强化企业竞争力。\n[0005] 当前阶段，在使用RFID设备完成出入库商品的自动识别时，识别可靠性是所面临的最突出问题。一方面，不同种类的商品通过RFID天线识别范围时摆放形式和数量不同，另一方面，部署RFID天线的闸门周围的电磁环境和空间也不同，因此很难找到一个通用的RFID天线部署方案。即使是在实验室仿真环境中通过详细测试获得了天线部署的最佳高度、位置和角度，转移到现场环境时往往也会出现识别不可靠的问题。由于RFID应用部署与应用现场的环境和部署条件密切相关，因此这类应用测试必须通过在现场部署前利用现场环境对系统架构和设备性能进行验证性测试才能完成。目前现场应用测试往往利用排除法和试错法实现，即根据操作者经验或随机选择不同输入组合，直到产生一个可以接受的输出后停止。这种方法存在三个问题，一是过于依赖测试者的理论知识和实践经验，二是不能确定测试结果是否是最优解，三是无法预测测试所需要的时间。因此，还需要一种科学、高效的RFID天线部署技术，以解决应用部署中存在的问题。\n发明内容\n[0006] 本发明所述一种RFID天线快速部署系统及方法，其目的是为使用者提供一种在RFID现场应用环境，特别是出入库环境中快速部署RFID天线的高度、位置、角度参数的测试系统以及相应的测试优化方法，通过测试一个或多个RFID天线的最佳空间部署位置，为在复杂环境条件下提高RFID系统性能，预测部署效果，优化部署条件提供可靠的保证。\n[0007] 本发明所述一种RFID天线快速部署系统及方法，其原理是通过在出入库环境中布置门型框架结构，并在门型框架结构内的不同空间位置和角度部署RFID天线，从而比较一个或多个RFID天线的参数组合在应用现场环境下对粘贴在商品上的RFID标签的识读性能。为了优化测试过程，缩短测试时间，首先通过正交试验选取代表性测试点进行试验，其次通过零水平重复试验检验自变量与因变量之间的拟合关系，随后通过梯度搜索试验确定RFID天线的最佳部署位置，最后将测试中的三自由度电机替换为固定支架即可完成在该环境中的RFID设备部署。\n[0008] 为达成所述目的，本发明的第一方面，提供本发明所述一种RFID天线快速部署系统包括：门型框架结构、框架导轨槽、RFID读写器、三自由度电机、RFID天线，以及商品上粘贴的RFID标签，其中门型框架结构置于应用现场用于部署RFID读写器的位置，一条或多条框架导轨槽固定于门型框架结构上，一个或多个三自由度电机安装于框架导轨槽上，RFID天线通过螺栓固定于三自由度电机的顶端，RFID天线还与RFID读写器通过射频电缆相连，在三自由度电机的驱动下实现与框架导轨槽相对位移、垂直角度和水平角度的变化，粘贴了RFID标签的商品按照应用中的摆放特点放置于运输车或传送带上，并设定穿越门型框架结构的路线，测试时，粘贴了RFID标签的商品堆放在运输车或传送带上经过门型框架结构，同时RFID读写器通过RFID天线识别商品RFID标签，调节三自由度电机的参数改变RFID天线与框架导轨槽的相对位移、垂直角度和水平角度，RFID读写器对三自由度电机在不同参数下的识读性能进行比较，获得最佳识读结果，以此最佳识读结果作为判断RFID天线最佳部署位置的辅助决策依据。\n[0009] 其中：所述框架导轨槽、三自由度电机和RFID天线的数量相等，一条框架导轨槽上只能安装一个三自由度电机，一个三自由度电机顶端也只能固定一个RFID天线。\n[0010] 其中：所述多条框架导轨槽固定于门型框架结构上，可以是平行排列、上下排列、交错排列，任意两条框架导轨槽之间不存在任何交点。\n[0011] 其中：判断RFID天线最佳部署位置的辅助决策依据获得后，将框架导轨槽和三自由度电机从门型框架结构上拆除，在该位置上安装固定支架，并将固定支架与RFID天线固接，使RFID天线保持最佳部署的位置和角度。\n[0012] 为达成所述目的，本发明的第二方面，提供一种使用RFID天线快速部署系统的RFID天线快速部署方法，包括以下步骤：\n[0013] 步骤1：将门型框架结构、框架导轨槽、RFID读写器、三自由度电机、RFID天线，以及商品上粘贴的RFID标签布置到测试环境中；\n[0014] 步骤2：为每个三自由度电机选择三自由度电机与框架导轨槽相对位移、垂直角度和水平角度的初始值范围；\n[0015] 步骤3：确定每个三自由度电机与框架导轨槽相对位移、垂直角度和水平角度的因子水平并归一化处理；\n[0016] 步骤4：设计RFID天线快速部署测试所有参数的正交表头，对RFID读写器在三自由度电机不同参数组合下的识读性能进行正交试验；\n[0017] 步骤5：利用最小二乘估计计算以三自由度电机的所有参数作为自变量，以RFID读写器识读性能作为因变量的多元线性回归方程的系数向量；\n[0018] 步骤6：根据方差分析评价三自由度电机的所有自变量的因子显著性，简化多元线性回归方程；\n[0019] 步骤7：代入每个三自由度电机与框架导轨槽相对位移、垂直角度和水平角度的自变量编码式，获得原始自变量的多元线性回归方程；\n[0020] 步骤8：对RFID读写器在三自由度电机不同参数组合下的识读性能进行零水平点重复试验，检验多元线性回归方程的拟合度，如果通过显著性检验，则进入步骤9，未通过显著性检验则返回步骤2；\n[0021] 步骤9：对RFID读写器在三自由度电机不同参数组合下的识读性能进行梯度搜索试验；\n[0022] 步骤10：根据RFID天线部署的最佳位置参数，将框架导轨槽和三自由度电机替换为固定支架，并将固定支架与RFID天线5固接，使RFID天线保持最佳部署的位置和角度。\n[0023] 本发明的有益效果是：\n[0024] 1)根据现场应用的特点使用不同尺寸的门型框架结构，可以满足一个、多个和多层RFID天线部署的需要，并且在测试结束后，只需要将框架导轨槽和三自由度电机拆除并替换为固定支架后即可投入实际使用，门型框架结构直接保留在现场应用环境中可以降低现场环境的变化对RFID设备间电磁信号的影响；\n[0025] 2)采用多种优化方法提高测试效率，包括缩小自变量初始值范围降低组合试验次数，利用正交试验方法进一步选取试验组合中最有代表性的测试点进行试验，利用梯度搜索算法沿着因变量有最大增量(或减量)的方向逐步移动，以便在最短的步进次数内获得RFID天线部署的最佳参数，以上优化方法的联合使用使得测试方法更加科学，测试结果也更加可靠；\n[0026] 3)由于门型框架结构尺寸上的灵活性，以及多一组或多组框架导轨槽和三自由度电机的支持性，可以结合现场应用情况对一个或多个RFID天线的部署策略进行同时分析，这也有助于检验和降低RFID天线间的相互干扰，直接为使用者提供快速、可行的解决方案。\n附图说明\n[0027] 图1为本发明提供的RFID天线快速部署系统示意图。\n[0028] 图2为本发明提供的RFID天线快速部署方法流程图。\n[0029] 图3为本发明提供的RFID天线快速部署方法确定最优位置的示例图。\n[0030] 主要元件说明\n[0031] 1 门型框架结构\n[0032] 2 框架导轨槽\n[0033] 3 RFID读写器\n[0034] 4 三自由度电机\n[0035] 5 RFID天线\n[0036] 6 商品上粘贴的RFID标签\n具体实施方式\n[0037] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。\n[0038] 如图1所示，图1为本发明提供的RFID天线快速部署系统示意图，包括门型框架结构1、框架导轨槽2、RFID读写器3、三自由度电机4、RFID天线5，以及商品上粘贴的RFID标签6，其中门型框架结构1置于应用现场用于部署RFID读写器3的位置，一条或多条框架导轨槽2固定于门型框架结构1上，一个或多个三自由度电机4安装于框架导轨槽2上，例如使用者希望在商品通过位置的两旁部署两个RFID天线5识别商品RFID标签6时，则在门型框架结构1的两侧框架上固定两条框架导轨槽2，并安装两个三自由度电机4，从而实现三自由度电机4在门型框架结构1两侧的上下、左右和俯仰运动；同理，如果使用者希望在通过位置部署更多RFID天线5以保证识别商品RFID标签6的可靠性，则根据需要部署天线的数量在门型框架结构1上固定多条框架导轨槽2，并在每条框架导轨槽2上安装一个三自由度电机4即可。RFID天线5通过螺栓固定于三自由度电机4的顶端，RFID天线\n5还与RFID读写器3通过射频电缆相连，在三自由度电机4的驱动下实现与框架导轨槽2相对位移、垂直角度和水平角度的变化。粘贴了RFID标签6的商品按照应用中的摆放特点放置于运输车或传送带上，并设定穿越门型框架结构1的路线。测试时，粘贴了RFID标签\n6的商品堆放在运输车或传送带上经过门型框架结构1，同时RFID读写器3通过RFID天线\n5识别商品RFID标签6，调节三自由度电机4的参数改变RFID天线5与框架导轨槽2的相对位移、垂直角度和水平角度，RFID读写器3对三自由度电机在不同参数下的识读性能进行比较，获得最佳识读结果，以此最佳识读结果作为判断RFID天线5最佳部署位置的辅助决策依据。\n[0039] 在本发明的一个实施例中，门型框架结构1由三组支撑杆组成，分别为左侧立柱、右侧立柱和顶端横梁，其中左侧立柱和右侧立柱的高度在2.5m，顶端横梁的长度在2m，每个支撑杆上各固定有一个框架导轨槽2，左侧立柱和右侧立柱的框架导轨槽2长1.9m，顶端横梁的框架导轨槽2长1.4m，框架导轨槽2两端距离支撑杆顶点分别距离30cm，每个框架导轨槽2上分别安装有一个三自由度电机4，可以沿着框架导轨槽2移动(以位移D表示)，并实现垂直框架导轨槽2方向的转动(以角度θ表示)和沿框架导轨槽2方向的转动(以角度φ表示)。三自由度电机4的顶端有螺孔，可通过螺栓固定RFID天线5。测试中，使用者首先确定RFID标签6、RFID读写器3和RFID天线5的产品型号，然后将RFID标签6粘贴于所测商品包装上的固定位置，并以常见的堆放形式码放在运输工具上，再将RFID读写器3和三个RFID天线5固定到门型框架结构1上，通过对RFID天线5空间位置和角度的动态调整，可以获得不同参数组合下的RFID读写器3对多个RFID标签6的识读性能，从而方便使用者选择性能最好的位置和角度部署RFID天线5。\n[0040] 在本发明的另一个实施例中，30件粘贴RFID标签6的商品打为一个尺寸为(长)3.2m×(宽)1.0m×(高)1.5m的大包，由叉车运输出入库。本例中由于商品包装较长，为了保证对所有商品的识别，需要在库门左右位置部署前后两组共四个RFID天线5。为此，门型框架结构1由四组支撑杆组成，分别为左侧前立柱、左侧后立柱、右侧前立柱和右侧后立柱，立柱高度为2m，每个支撑杆上各固定有一个长1.4m的框架导轨槽2，框架导轨槽\n2两端距离支撑杆顶点分别距离30cm，每个框架导轨槽2上分别安装有一个三自由度电机\n4，顶端通过螺栓与RFID天线5连接。这样，通过控制四组三自由度电机4调整四个RFID天线5的部署位置和角度，就可以通过测试结果获得RFID读写器3相互之间干扰最小、识读性能最好的RFID天线部署参数。在应用现场中使用本发明提供的RFID天线快速部署系统时，将框架导轨槽2和三自由度电机4替换为固定支架，并按照最优部署参数将固定支架与RFID天线5固接，就可以在应用现场中长期使用。\n[0041] RFID天线快速部署系统通过对多个RFID天线5的部署位置和角度进行组合测试，可以将多个测试自变量集成到一个测试模型中同时进行分析。但是对所有的自变量进行组合测试的代价是非常高的。假设如图1所示准备部署三个RFID天线，每个RFID天线5的变量都包括位移D、角度θ和角度φ，这样将共有9个自变量。假设为每个自变量只取5\n9\n个水平，这将产生5 ＝1953125种组合，即使每组测试只需要10秒钟，测试全部组合也需要\n226天时间才能完成，由此可见全组合测试所消耗的时间和成本将是无法忍受的，也丧失了测试的价值和意义。因此还需要借助高效的组合测试与优化方法来解决组合爆炸问题，以在实际应用中快速、高效地获得可靠和有效的测试结果。\n[0042] 如图2所示，图2为本发明提供的RFID天线快速部署方法流程图，使用本发明RFID天线快速部署的系统实现RFID天线快速部署方法包括以下步骤：\n[0043] 步骤201：将RFID天线快速部署系统中的门型框架结构1、框架导轨槽2、RFID读写器3、三自由度电机4、RFID天线5，以及商品上粘贴的RFID标签6布置到测试环境中，首先确定的RFID标签5、RFID读写器3和RFID天线5的产品型号，然后将RFID标签6粘贴于所测商品包装上的固定位置，并以常见的堆放形式码放在运输工具上，最后将RFID天线\n5固定到门型框架结构1上的三自由度电机4顶端；\n[0044] 步骤202：为每个三自由度电机选择三自由度电机4与框架导轨槽2相对位移、垂直角度和水平角度的初始值范围，根据经验和应用环境中的条件约束来缩小相对位移、垂直角度和水平角度的初始取值范围，例如为了让RFID标签6在RFID天线5的主波瓣范围内，可以将三个RFID天线θ向旋转的角度控制在90°±30°，φ向旋转的角度控制在\n25°±10°，此外根据运输工具上摆放的商品高度在50cm左右，还可以将左右侧RFID天线5的位移范围控制在50cm±20cm，顶端RFID天线5的位移范围控制在120cm±20cm，这样就可以大大缩短首次测试的时间。需要指出的是，对取值范围的压缩有可能带来一种后果，即最优位置不在压缩后的取值范围内，因此还需要在后续步骤(步骤208)中对初始取值范围的合理性进行检验，并依赖搜索算法(步骤209)对取值范围进行调整和扩展，直到找到每个变量的最优水平组合。\n[0045] 步骤203：确定每个三自由度电机4与框架导轨2槽相对位移、垂直角度和水平角度的因子水平并归一化处理，进行归一化处理时，设第i个连续自变量zi的取值范围是[zimin，zimax](i＝1，2，…，m)，定义该取值范围的中点为 取值范围的步进值为 作m个线性变换 (i＝1，2，…，m)就可以将连续自变量zi\n的实际取值范围[zimin，zimax]转换为新的自变量xi的取值范围[-a，a]，实现归一化。\n[0046] 例如在如图1所示的实施例中，三个RFID天线5的位移以10cm作为一个步进值，φ向旋转以5°作为一个步进值，θ向旋转以15°作为一个步进值，这样就将每个因子划分为5个水平，由于所有自变量的取值范围都为等差数列，因此可以归一化到[-2，2]区间中。\n[0047] 步骤204：设计RFID天线5快速部署测试所有参数的正交表头，对RFID读写器3在三自由度电机4不同参数组合下的识读性能进行正交试验，例如在如图1所示的实施例\n11\n中，采用5水平、11因子、50个水平组合的L50(5 )正交表，正交表能够容纳的因子数大于测试中实际的因子数，并留有两列空列作为误差列，用于估算各因子的误差大小和进行显著性分析，设计好正交表头后进行正交试验，利用正交原理均衡搭配因子和水平，使每个因子、每个水平的试验次数都相同，这样用部分代表性试验来获得全部组合的变化规律。\n[0048] 步骤205：利用最小二乘估计计算以三自由度电机4的所有参数作为自变量Z，以RFID读写器3的识读性能作为因变量y的多元线性回归方程y＝Zβ+ε的系数向量[0049] 步骤206：根据方差分析评价三自由度电机4的所有自变量的因子显著性，简化多元线性回归方程，分别对每个因子j进行F检验，对于给定的显著性水平α，如果Fj＞Fα(dfj，dfe)，则认为因子j对试验结果有显著影响，否则认为因子j对试验结果没有显著影响，则在多元线性回归方程中省略该因子对应的项，其中Fj为因子j均方差与误差均方差的比值，dfj，dfe分别表示因子j的自由度和正交试验的误差自由度，fα(dfj，dfe)可通过F分布临界值表查得。\n[0050] 步骤207：代入每个三自由度电机4与框架导轨槽2的相对位移、垂直角度和水平角度的自变量编码式，得到y关于原始自变量的多元线性回归方程。\n[0051] 步骤208：对RFID读写器3在三自由度电机4不同参数组合下的识读性能进行零水平点重复试验，检验多元线性回归方程的拟合度，例如在如图1所示的实施例中，对于零水平点安排了p次重复试验，根据重复试验的结果可计算出重复实验误差设置误差自由度dfe0＝p-1，定义失拟离差平方和SSLf＝SSe-SSe0，失\n拟自由度为dfLf＝dfe-dfe0，此时检验 应服从自由度为(dfLf，dfe0)的F分布，对于给定的显著性水平α，如果FLf＜Fα(dfLf，dfe0)，则认为多元线性回归方程的失拟不显著，进入步骤209，否则认为失拟显著，返回步骤202重新选择自变量初始值范围；其中分别为第p次重复试验的结果和p次重复试验的结果平均值，SSe是正交试验的误差离差平方和，dfe，dfe0分别为正交试验的误差自由度和零水平点重复试验的误差自由度，FLf为失拟均方差与重复试验均方差的比值，Fα(dfLf，dfe0)可通过查询F分布临界值表求得。\n[0052] 步骤209：对RFID读写器3在三自由度电机4不同参数组合下的识读性能进行梯度搜索试验，确定RFID天线5部署的最优位置，首先根据回归方程绝对值 最大的自变量选取一个步进值Δxj，再为其它自变量计算步进值 其中i＝1，2，…，m，i≠j，在点(kΔx1，kΔx2，…，kΔxm)处安排试验，观测测试结果，直至测试结果出现拐点，其中k＝{0，1，2，…}，表示梯度搜索次数，如图3所示，当k＝3时测试结果得到最大值，则按照步进值公式反推即可获得各自变量在该点时的取值，以此作为RFID天线5部署的最佳位置。\n[0053] 步骤210：根据RFID天线5部署的最佳位置参数，将框架导轨槽2和三自由度电机3替换为固定支架，将固定支架与RFID天线5固接，使RFID天线保持最佳部署的位置和角度。\n[0054] 在如图1所示的实施例中，为了获得三个RFID天线5的9个自变量的最优方案，共进行了三组测试，分别为正交试验(50组)、零水平点重复试验(5组)和梯度搜索试验(6组)，大大缩小了测试的工作量，使得RFID天线5部署得以快速进行；最后的试验结果(原点+3Δ处的输出值)明显高于正交试验组的试验结果，证明了在以该位置和角度部署RFID天线可以获得更好的识读性能。这种RFID天线的快速部署方法对于单天线部署或多天线部署，甚至多层天线部署均有效，采用这种方法，可以协助使用者在新的环境中快速、高效地部署RFID天线，为解决应用部署中的可靠性问题提供了一种可行的解决方案。\n[0055] 上面描述是用于实现本发明及其实施例，本发明的范围不应由该描述来限定，本领域的技术人员应该理解，在不脱离本发明的范围的任何修改或局部替换，均属于本发明权利要求来限定的范围。