本发明公开了一种基于RFID和WLAN的智能货架精准定位与管理系统，该系统由货架端的信息采集模块以及服务器端的管理定位模块组成；在货架端当物资上架时摘取货架上的移动读写器，扫描物资的RFID标签与货架虚拟分区标签，实现物资信息与货架精准位置之间的映射并通过WLAN传至服务器端，而定位子模块为货架上的可移动模块，按规则旋转在货架顶层，它在两种情况下会被激活，即当摘取读写器时和货架被移动时；当定位模块被激活后，自动向服务器端发送实时WiFi指纹信息；在服务器端，根据改进的最近邻指纹匹配算法确定货架的位置保存物资的详细信息及精准存放信息，进而实现整个仓储中的货架的全面化、可视化、规范化管理。
1.一种基于RFID和WLAN的智能货架精准定位与管理系统，其特征在于，包括智能货架端的信息采集模块(1)和服务器端的管理定位模块(2)；
所述智能货架端的信息采集模块(1)包括物资上架信息采集子模块和货架位置信息采集子模块；
物资上架信息采集子模块：该子模块包括货架虚拟分区标签、物资标签、读写器；物资上架时，摘取货架上的可移动读写器读取物资上的RFID标签和放置位置的货架虚拟分区标签，物资标签存放着货物的详细信息，如货物编号、名称、供应商、入库时间等，货架虚拟分区标签存放着该分区在货架上的精准位置；读写器在读取完信息，并加入实时时间后，通过WLAN把信息发送到服务器端的物资管理数据库中；
货架位置信息收集子模块：该子模块由开关子模块、WiFi信息采集子模块、通信子模块以及指示灯组成，该子模块安置在货架顶层的可移动组件之上；当读写器摘取时或货架移动时，开关装置被激活，指示灯开始闪烁，信息采集模块采集当前位置的WiFi信息，由通信模块通过WLAN把位置信息发送到服务器端的指纹数据库，利用指纹匹配算法进行位置匹配；当读写器放回或货架在指定时间没有发生移动时，则该模块进入休眠状态；
所述智能货架端的信息采集模块(1)采集货架的位置信息和物资的上架信息后通过WLAN发送到服务器端，在服务器端的所述服务器端管理定位模块(2)，通过指纹匹配算法确定货架的具体位置，结合物资的上架信息，在管理控制台界面，为仓储管理人员提供全面化、可视化、规范化的仓储管理功能；
基于WiFi指纹定位实现货架定位的前提是智能仓库中已部署充足的接入点AP，实现WiFi全角落覆盖；
WiFi指纹定位包括指纹数据库的建设阶段和在线指纹匹配阶段；
指纹数据库的建设是指在参考点采集指纹信息存放指纹数据库的过程；大型仓储中的货架摆放具有规则、整齐的特点，根据货架的长度，在货架摆放位置按长度方向取2‑3米的间隔，平均在货架长度上设置k个参考点RP；
设智能仓储环境中所有AP的集合为P，且|P|＝M，所有参考点个数为N；考虑到智能仓储环境规模较大，在任意参考点采集指纹时，取信号强度排在前m的AP来建立参考点的指纹库，则对N个参考点RP且参考点的位置信息已知时，指纹数据库的结构如下：T
Fi＝(xi，yi，ri1，ri2，…rim)(i＝1，2，…，N)其中，F是一个N×(m+2)矩阵；Fi表示第i个RP的指纹，它对应的AP集合记为Pi∈P，且|Pi|＝m；(xi，yi)表示第i个RP的坐标，rik(1≤k≤m)表示集合Pi中第k个AP在第i个RP处的RSS值；
为了适应指纹匹配的特性，货架上的位置信息采集子模块放置的位置以S型进行设置；
当读写器摘取时或货架移动时，该货架上的信息采集设备被激活，采集现场的Wi‑Fi指纹信息为：f＝(r1，r2，…，rm)
这里，f涉及到的AP集合记为Pf，且|Pf|＝m，rk(1≤k≤m)表示集合Pf中第k个AP在被激活模块处的RSS值；采集的指纹信息同货架的编号信息同时发送到服务器端；
在服务器端，当有指纹信息接收时，即通过改进的最近指纹匹配算法获得发送指纹信息的货架位置，从而可以获得该货架的最新位置信息，并存储在数据库中，供物资、货架管理控制台查询、管理时实时了解货架位置；
在服务器端，基于接收到的指纹信息f，在给出算法之前，先给出几个定义：
1)对接收到的指纹信息f确定匹配参考点集合，即选取指纹库中指纹信息涉及的AP为PfT的参考点，设为n个，记对应的指纹为Ff＝(F1，F2，…，Fi，…，Fn) ；定义指纹信息f与参考指纹Ff之间来自第k个AP的RSS差异为：dik＝|rk‑rik|
2)进而，接收到的指纹信息f与Ff中每个指纹信息Fi∈Ff之间来自所有AP的RSS差异向量为：(di1，di2，…，dim)
3)定义接收到的指纹信息f与Ff中指纹信息Fi之间的指纹距离为：考虑到由于环境或设备异常导致某些AP发生异常，因此，在利用最近邻算法进行指纹匹配之前，需要排除异常AP影响；其中，指纹之间对来自AP集合中的所有AP的RSS差异向量满足正态分布，使用Mesn+3S方法排除异常AP；
1)计算接收到的指纹信息f与指纹数据库中的指纹信息Fi∈Ff之间的RSS差异向量：(di1，di2，…，dim)
2)利用Mesn+3S方法选出异常AP，设第t个AP发生异常，则记该AP下的RSS差异dit＝0；
3)计算接收到的指纹信息f与指纹数据库中的所有指纹信息Fi∈Ff(1≤i≤n)之间的指纹距离Di(1≤i≤na)；
4)取所有指纹距离中最小值处的位置作为货架的所得位置，即
5)如果指纹信息f为读写器摘取时获得的位置信息，则根据定位结果更新指纹数据库中该位置的指纹；
6)如果指纹信息f为货架移动时获得的位置信息，则把定位结果存入货架信息数据中。
一种基于RFID和WLAN的智能货架精准定位与管理系统
技术领域
[0001] 本发明涉及现代智能仓储技术领域，具体为一种基于RFID和WLAN的智能货架精准定位与管理系统。
背景技术
[0002] 物流仓储的发展主要经历了五个阶段，包括人工阶段、机械化阶段、自动化阶段、集成自动化阶段和智能自动化阶段。现阶段，我国仓储发展正处在自动化阶段，且主要集中于部分行业领域内。随着中国经济的持续健康发展和中国物流业的崛起，仓储业具有巨大的市场需求。
[0003] 随着万物互联、智慧物流等应用的快速推广，在现代制造业的生产物流过程中，现代化、智能化仓储管理是一个必不可少的重要环节，而智能化货架的管理是建设现代物流仓储过程中的最关键因素之一。合理建设、使用智能货架及移动智能货架不仅可以充分利用仓库空间，提高库容利用率，扩大仓库的储存能力，而且能够实现物资的详细物流活动轨迹跟踪及实时定位等智能化操作管理。
[0004] 近年来，通信技术、传感技术、网络技术以及智能技术得以飞速发展，这些现代信息技术为智能仓储迎来了极大的机遇和挑战。现阶段，很多仓储企业已全面实现了物资的物流详细信息追踪，包括生产日期、生产厂商、出入库时间等等，但在仓储存放过程中，尤其是大型的仓储空间里，物资的详细存放过程，例如存放位置、移动过程等却依然是仓储中的管理短板，成为发展现代化仓储过程中亟待解决的问题之一。
[0005] 未来现代化智能仓储具有巨大市场需求，利用物联网技术手段，结合智能化技术方法实现智能仓储是未来的发展方向。而智能货架，尤其是可移动智能货架的精确定位与管理能够为实现现代化的仓储管理提供基础支持，但同时也给货架与物资的精准定位及管理提出了更高的技术要求。因此，设计了一种基于RFID和WLAN的智能货架精准定位与管理系统。
发明内容
[0006] 本发明的目的在于提供一种基于RFID和WLAN的智能货架精准定位与管理系统，使用RFID技术和基于WLAN室内定位与传输功能实现了智能货架的精准管理系统，能够对物品进行有效的计划、执行和控制的物流活动这不仅可以大大提高工作效率，而且有助于提高安全管理水平，简化管理工作。
[0007] 本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
[0008] 一种基于RFID和WLAN的智能货架精准定位与管理系统，包括智能货架端的信息采集模块和服务器端的管理定位模块；
[0009] 所述智能货架端的信息采集模块包括物资上架信息采集子模块和货架位置信息采集子模块；
[0010] 物资上架信息采集子模块：该子模块包括货架虚拟分区标签、物资标签、读写器；物资上架时，摘取货架上的可移动读写器读取物资上的RFID标签和放置位置的货架虚拟分区标签，物资标签存放着货物的详细信息，如货物编号、名称、供应商、入库时间等，货架虚拟分区标签存放着该分区在货架上的精准位置；读写器在读取完信息，并加入实时时间后，通过WLAN把信息发送到服务器端的物资管理数据库中；
[0011] 货架位置信息收集子模块：该子模块由开关子模块、WiFi信息采集子模块、通信子模块以及指示灯组成，该子模块安置在货架顶层的可移动组件之上；当读写器摘取时或货架移动时，开关装置被激活，指示灯开始闪烁，信息采集模块采集当前位置的WiFi信息，由通信模块通过WLAN把位置信息发送到服务器端的指纹数据库利用指纹匹配算法进行位置匹配；当读写器放回或货架在指定时间没有发生移动时，则该模块进入休眠状态；
[0012] 所述智能货架端的信息采集模块采集货架的位置信息和物资的上架信息后通过WLAN发送到服务器端，在服务器端的所述服务器端管理定位模块，通过指纹匹配算法确定货架的具体位置，结合物资的上架信息，在管理控制台界面，为仓储管理人员提供全面化、可视化、规范化的仓储管理功能。
[0013] 作为本发明进一步的方案：基于WiFi指纹定位实现货架定位的前提是智能仓库中已部署充足的接入点AP，实现WiFi全角落覆盖。
[0014] 作为本发明进一步的方案：WiFi指纹定位包括指纹数据库的建设阶段和在线指纹匹配阶段；
[0015] 指纹数据库的建设是指在参考点采集指纹信息存放指纹数据库的过程；大型仓储中的货架摆放具有规则、整齐的特点，根据货架的长度，在货架摆放位置按长度方向取2‑3米的间隔，平均在货架长度上设置k个参考点AP；
[0016] 设智能仓储环境中所有AP的集合为P，且|P|＝M，所有参考点个数为N；考虑到智能仓储环境规模较大，在任意参考点采集指纹时，取信号强度排在前m的AP来建立参考点的指纹库，则对N个参考点RP且参考点的位置信息已知时，指纹数据库的结构如下：
[0017] F＝(F1,F2,…,Fi,…,FN)T
[0018] Fi＝(xi,yi,ri1,ri2,…rim)(i＝1,2,…,N)
[0019] 其中，F是一个N×m矩阵；Fi表示第i个RP的指纹，它对应的AP集合记为Pi∈P,且|Pi|＝m；(xi,yi)表示第i个RP的坐标，rik(1≤k≤m)表示集合Pi中第k个AP在第i个RP处的RSS值；
[0020] 为了适应指纹匹配的特性，货架上的位置信息采集子模块放置的位置以S型进行设置；
[0021] 当读写器摘取时或货架移动时，该货架上的信息采集设备被激活，采集现场的Wi‑Fi指纹信息为：
[0022] f＝(r1,r2,…,rm)
[0023] 这里，f涉及到的AP集合记为Pf，且|Pf|＝m，rk(1≤k≤m)表示集合Pf中第k个AP在被激活模块处的RSS值；采集的指纹信息同货架的编号信息同时发送到服务器端；
[0024] 在服务器端，当有指纹信息接收时，即通过改进的最近指纹匹配算法获得发送指纹信息的货架位置，从而可以获得该货架的最新位置信息，并存储在数据库中，供物资、货架管理控制台查询、管理时实时了解货架位置；
[0025] 在服务器端，基于接收到的指纹信息f，在给出算法之前，先给出几个定义：
[0026] 1)对接收到的指纹信息f确定匹配参考点集合，即选取指纹库中指纹信息涉及的TAP为Pf的参考点，设为n个，记对应的指纹为F＝(F1,F2,…,Fi,…,FN) ；定义指纹信息f与参考指纹Ff之间来自第k个AP的RSS差异为：
[0027] dik＝|rk‑rik|
[0028] 2)进而，接收到的指纹信息f与Ff中每个指纹信息Fi∈Ff之间来自所有AP的RSS差异向量为：
[0029] (di1,di2,…,dim)
[0030] 3)定义接收到的指纹信息f与Ff中指纹信息Fi之间的指纹距离为：
[0031]
[0032] 考虑到由于环境或设备异常导致某些AP发生异常，因此，在利用最近邻算法进行指纹匹配之前，需要排除异常AP影响；其中，指纹之间对来自AP集合中的所有AP的RSS差异向量满足正态分布，使用Mesn+3S方法排除异常AP。
[0033] 作为本发明进一步的方案：最近邻算法具体算法如下：
[0034] 1)计算接收到的指纹信息f与指纹数据库中的指纹信息Fi∈Ff之间的RSS差异向量：
[0035] (di1,di2,…,dim)
[0036] 2)利用Mesn+3S方法选出异常AP,设第t个AP发生异常，则记该AP下的RSS差异dit＝0；
[0037] 3)计算接收到的指纹信息f与指纹数据库中的所有指纹信息Fi∈Ff(1≤i≤n之间的指纹距离Di1≤i≤na；
[0038] 4)取所有指纹距离中最小值处的位置作为货架的所得位置，即
[0039]
[0040] 其中，l＝argmin1≤i≤nDi；
[0041] 5)如果指纹信息f为读写器摘取时获得的位置信息，则根据定位结果更新指纹数据库中该位置的指纹；
[0042] 6)如果指纹信息f为货架移动时获得的位置信息，则把定位结果存入货架信息数据中。
[0043] 本发明的有益效果：该基于RFID和WLAN的智能货架精准定位与管理系统，使用RFID技术和基于WLAN室内定位与传输功能实现了智能货架的精准管理系统，能够对物品进行有效的计划、执行和控制的物流活动这不仅可以大大提高工作效率，而且有助于提高安全管理水平，简化管理工作；本发明中的定位功能不仅实现了货架的定位，而且能够针对货架使用情况进行指纹数据库的更新；货架使用越频繁，指纹更新越频繁，从而保证了定位的准确性；同时，对于不使用的货架或处理置状态的货架，所有信息采集模块处于休眠状态，大大节省了能耗，具有绿色环保功能。
附图说明
[0044] 为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。
[0045] 图1为本发明系统的框架结构；
[0046] 图2为本发明参考点的选取示意图；
[0047] 图3为本发明货架位置信息采集模块的放置示意图；
[0048] 图中：1、智能货架端的信息采集模块；2、服务器端的管理定位模块。
具体实施方式
[0049] 下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0050] 如图1‑3所示，一种基于RFID和WLAN的智能货架精准定位与管理系统，包括智能货架端的信息采集模块1和服务器端的管理定位模块2；
[0051] 智能货架端的信息采集模块1包括物资上架信息采集子模块和货架位置信息采集子模块；
[0052] 物资上架信息采集子模块：该子模块包括货架虚拟分区标签、物资标签、读写器；物资上架时，摘取货架上的可移动读写器读取物资上的RFID标签和放置位置的货架虚拟分区标签，物资标签存放着货物的详细信息，如货物编号、名称、供应商、入库时间等，货架虚拟分区标签存放着该分区在货架上的精准位置；读写器在读取完信息，并加入实时时间后，通过WLAN把信息发送到服务器端的物资管理数据库中；
[0053] 货架位置信息收集子模块：该子模块由开关子模块、WiFi信息采集子模块、通信子模块以及指示灯组成，该子模块安置在货架顶层的可移动组件之上；当读写器摘取时或货架移动时，开关装置被激活，指示灯开始闪烁，信息采集模块采集当前位置的WiFi信息，由通信模块通过WLAN把位置信息发送到服务器端的指纹数据库利用指纹匹配算法进行位置匹配；当读写器放回或货架在指定时间没有发生移动时，则该模块进入休眠状态；
[0054] 智能货架端的信息采集模块1采集货架的位置信息和物资的上架信息后通过WLAN发送到服务器端，在服务器端的服务器端管理定位模块2，通过指纹匹配算法确定货架的具体位置，结合物资的上架信息，在管理控制台界面，为仓储管理人员提供全面化、可视化、规范化的仓储管理功能。
[0055] 作为本发明的一种实施方式，基于WiFi指纹定位实现货架定位的前提是智能仓库中已部署充足的接入点AP，实现WiFi全角落覆盖。
[0056] 作为本发明的一种实施方式，WiFi指纹定位包括指纹数据库的建设阶段和在线指纹匹配阶段；
[0057] 指纹数据库的建设是指在参考点采集指纹信息存放指纹数据库的过程；大型仓储中的货架摆放具有规则、整齐的特点，根据货架的长度，在货架摆放位置按长度方向取2‑3米的间隔，平均在货架长度上设置k个参考点AP,如图2所示，设置2至3个参考点；
[0058] 设智能仓储环境中所有AP的集合为P，且|P|＝M，所有参考点个数为N；考虑到智能仓储环境规模较大，在任意参考点采集指纹时，取信号强度排在前m的AP来建立参考点的指纹库，则对N个参考点RP且参考点的位置信息已知时，指纹数据库的结构如下：
[0059] F＝(F1，F2，…，Fi，…，FN)T
[0060] Fi＝(xi，yi，ri1，ri2，…rim)(i＝1，2，…，N)
[0061] 其中，F是一个N×m矩阵；Fi表示第i个RP的指纹，它对应的AP集合记为Pi∈P，且|Pi|＝m；(xi，yi)表示第i个RP的坐标，rik(1≤k≤m)表示集合Pi中第k个AP在第i个RP处的RSS值；
[0062] 为了适应指纹匹配的特性，货架上的位置信息采集子模块放置的位置如图3所示以S型进行设置；
[0063] 当读写器摘取时或货架移动时，该货架上的信息采集设备被激活，采集现场的Wi‑Fi指纹信息为：
[0064] f＝(r1，r2，…，rm)
[0065] 这里，f涉及到的AP集合记为Pf，且|Pf|＝m，rk(1≤k≤m)表示集合Pf中第k个AP在被激活模块处的RSS值；采集的指纹信息同货架的编号信息同时发送到服务器端；
[0066] 在服务器端，当有指纹信息接收时，即通过改进的最近指纹匹配算法获得发送指纹信息的货架位置，从而可以获得该货架的最新位置信息，并存储在数据库中，供物资、货架管理控制台查询、管理时实时了解货架位置；
[0067] 在服务器端，基于接收到的指纹信息f，在给出算法之前，先给出几个定义：
[0068] 1)对接收到的指纹信息f确定匹配参考点集合，即选取指纹库中指纹信息涉及的TAP为Pf的参考点，设为n个，记对应的指纹为F＝(F1，F2，…，Fi，…，FN) ；定义指纹信息f与参考指纹Ff之间来自第k个AP的RSS差异为：
[0069] dik＝|rk‑rik|
[0070] 2)进而，接收到的指纹信息f与Ff中每个指纹信息Fi∈Ff之间来自所有AP的RSS差异向量为：
[0071] (di1，di2，…，dim)
[0072] 3)定义接收到的指纹信息f与Ff中指纹信息Fi之间的指纹距离为：
[0073]
[0074] 考虑到由于环境或设备异常导致某些AP发生异常，因此，在利用最近邻算法进行指纹匹配之前，需要排除异常AP影响；其中，指纹之间对来自AP集合中的所有AP的RSS差异向量满足正态分布，使用Mesn+3S方法排除异常AP。
[0075] 作为本发明的一种实施方式，最近邻算法具体算法如下：
[0076] 1)计算接收到的指纹信息f与指纹数据库中的指纹信息Fi∈Ff之间的RSS差异向量：
[0077] (di1，di2，…，dim)
[0078] 2)利用Mesn+3S方法选出异常AP，设第t个AP发生异常，则记该AP下的RSS差异dit＝0；
[0079] 3)计算接收到的指纹信息f与指纹数据库中的所有指纹信息Fi∈Ff(1≤i≤n之间的指纹距离Di1≤i≤na；
[0080] 4)取所有指纹距离中最小值处的位置作为货架的所得位置，即
[0081]
[0082] 其中，l＝argmin1≤i≤nDi；
[0083] 5)如果指纹信息f为读写器摘取时获得的位置信息，则根据定位结果更新指纹数据库中该位置的指纹；
[0084] 6)如果指纹信息f为货架移动时获得的位置信息，则把定位结果存入货架信息数据中。
[0085] 本发明的工作原理：在货架端当物资上架时摘取货架上的移动读写器，扫描物资的RFID标签与货架虚拟分区标签，实现物资信息与货架精准位置之间的映射并通过WLAN传至服务器端，而定位子模块为货架上的可移动模块，按规则旋转在货架顶层，它在两种情况下会被激活，即当摘取读写器时和货架被移动时；当定位模块被激活后，自动向服务器端发送实时WiFi指纹信息；在服务器端，根据改进的最近邻指纹匹配算法确定货架的位置保存物资的详细信息及精准存放信息，进而实现整个仓储中的货架的全面化、可视化、规范化管理；在管理控制台界面，通过访问物资、货架信息管理数据库，实现了货架位置、物资精准位置的可视化管理，方便查看、了解货架的当前位置、使用情况、移动轨迹等也可以精准查询物资的位置、详细信息以及移动轨迹等；该系统使用RFID技术和基于WLAN室内定位与传输功能实现了智能货架的精准管理系统，该系统能够对物品进行有效的计划、执行和控制的物流活动这不仅可以大大提高工作效率，而且有助于提高安全管理水平，简化管理工作。
[0086] 以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
