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CN110907890B - Rfid智能货架物品误放检测方法 - Google Patents

Rfid智能货架物品误放检测方法 Download PDF

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CN110907890B
CN110907890B CN201911073715.9A CN201911073715A CN110907890B CN 110907890 B CN110907890 B CN 110907890B CN 201911073715 A CN201911073715 A CN 201911073715A CN 110907890 B CN110907890 B CN 110907890B
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antenna
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罗嘉庆
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University of Electronic Science and Technology of China
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S5/00—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations
    • G01S5/02—Position-fixing by co-ordinating two or more direction or position line determinations; Position-fixing by co-ordinating two or more distance determinations using radio waves
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  • Radar Systems Or Details Thereof (AREA)
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Abstract

本发明公开了一种RFID智能货架物品误放检测方法，属于货架物品检测技术领域。本发明通过在固定位置部署多个阅读器采集标签数据，同时优化阅读器的位置来最大化采集到的相位数据的差值，对采集到的相位值进行解缠绕等有效的处理，然后估计系统误差解决设备多样性问题，最后将相位测量值与理论计算的相位值进行比较并观察相位差值是否发生变化来检测物品摆放的位置是否发生变化，从而实现了货架上物品位置的有效监管和物品误放的检测。本发明用于放置附有RFID标签的物品的货架的物品位置的监管，对物品的位置进行实时地监控和管理，是一种可靠、高效、准确的智能货架物品误放检测方法。

Description

RFID智能货架物品误放检测方法
技术领域
本发明属于货架物品检测技术领域，具体涉及一种RFID智能货架物品误放检测方法。
背景技术
智能货架是RFID室内位置感知的重要应用之一。使用RFID位置感知技术来构建智能货架使用大大的减少了人力成本，现在随着物品资源的不断增多，需要对物品监控使得各领域对智能货架的需求也在不断地增加，特别是仓储物流管理领域以及无人超市领域。特别是需要一种可以及时、准确的感知每个物品位置信息的智能货架。之前关于智能货架都是还是基于有源RFID标签的管理，成本很高，使用不方便，因此大多数只能用于艺术品、奢侈品等贵重物品的感知和监控，对于购物中心和大型商场这种商品众多，流通量大的场景不能够满足。因此本发明通过研究室内物体的位置感知技术，利用RFID技术开发出一套物品的实时监控的智能货架。
对于智能货架的一个巨大挑战就是要能够实时地监控物品的位置，通常可通过绝对位置或者相对位置来定位的方法可分为动态的和静态的。而动态的追踪需要射频标签或者天线的移动来观察时间序列RF(Radio Frequency)的变化，而静态的定位则需要通过布置大量的参考标签预先采集接收信号强度(RSS)分布或者是利用高昂的设备(多阅读器天线或者合成孔径雷达)来分析相位的差值。另外，在实际生活中利用它们来检测智能货架上误放标签的时候受到一些限制。移动阅读器和标签是耗费时间和人力的，因为货架上物品大多情况都是静态的，同时复杂和价格高昂的设备也不适宜大规模的放置。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种RFID智能货架物品误放检测方法。本发明通过天线(标签阅读器天线)与标签之间的相位量测值与其理论值之间的匹配，识别由物品误放造成的相位偏移，从而实现物品误放的检测。
本发明的RFID智能货架物品误放检测方法，包括下列步骤：
步骤1：对放置附有RFID标签的物品的货架，在其周边部署多个标签阅读器，用于采集RFID标签的标签数据；
基于预设的坐标原点O，确定标签阅读器的天线的位置，以及货架上各RFID标签的布置位置；
步骤2：设置误放检测的检测门限：
任意选定一个标签阅读器的天线Ar作为参考天线，对任意两个RFID标签Ti和Tj组成标签对，交换标签对的布置位置，并计算交换后对每个标签阅读器的天线As的相位偏移
Figure BDA0002261729340000021
即天线As分别采集到标签Ti和Tj的相位理论值的相位偏移；
其中，
Figure BDA0002261729340000022
λ表示波长，
Figure BDA0002261729340000023
表示坐标原点O到标签Ti的向量，
Figure BDA0002261729340000024
表示坐标原点O到天线Ar的向量，
Figure BDA0002261729340000025
表示参考天线Ar到天线As的向量，
Figure BDA0002261729340000026
表示坐标原点O到标签Tj的向量；即分别将标签、天线的位置作为一个点所得到的两点之间的向量。
对每一对标签对，取所有相位偏移
Figure BDA0002261729340000027
中的最大者作为当前标签对相对于当前参考天线Ar的相位偏移
Figure BDA0002261729340000028
并将当前参考天线Ar下的所有标签对的相位偏移
Figure BDA0002261729340000029
中的最小相位偏移作为当前参考天线Ar的标签误放最小相位偏移
Figure BDA00022617293400000210
分别将所有标签阅读器的天线作为参考天线，并取标签误放最小相位偏移中的最大者作为误放检测的检测门限，记为
Figure BDA00022617293400000211
即对应的参考天线位置为最优位置；
步骤3：基于标签阅读器的天线当前采集到RFID标签的相位测量值对物品进行误放检测处理：
基于标签阅读器的天线As的系统误差的估计值
Figure BDA00022617293400000212
对各相位测量值
Figure BDA00022617293400000213
进行校正处理，得到相位测量值
Figure BDA00022617293400000214
的校准值
Figure BDA00022617293400000215
若
Figure BDA00022617293400000216
小于
Figure BDA00022617293400000217
则
Figure BDA00022617293400000218
否则，
Figure BDA00022617293400000219
其中，下标i为RFID标签的区分符，上标s为标签阅读器的天线区分符；
对任意一个待误放检测的物品，基于物品所附的RFID标签Ti的分布位置，计算各标签阅读器的天线As分别采集到的标签Ti的理论相位值
Figure BDA00022617293400000220
并根据公式
Figure BDA00022617293400000221
得到标签Ti的相位偏移的估计值
Figure BDA00022617293400000226
若估计值
Figure BDA00022617293400000222
大于或等于检测门限
Figure BDA00022617293400000223
则判定标签Ti对应的物品存在误放；
其中，任意天线As采集到的任意标签Ti理论相位值
Figure BDA00022617293400000224
为：
Figure BDA00022617293400000225
λ表示波长，
Figure BDA0002261729340000031
表示天线As与标签Ti之间的距离，K为预置的整数；
标签阅读器的天线As的系统误差的估计值
Figure BDA0002261729340000032
的设置方式为：
放置一定数量的参考标签Tp，并计算各天线As采集到的参考标签Tp的理论相位值
Figure BDA0002261729340000033
p为参考标签区分符；
基于天线As采集到的各参考标签Tp的相位测量值
Figure BDA0002261729340000034
确定对应各参考标签的系统误差
Figure BDA00022617293400000317
若理论相位值
Figure BDA0002261729340000035
大于相位测量值
Figure BDA0002261729340000036
则
Figure BDA0002261729340000037
否则
Figure BDA0002261729340000038
对同一天线As，取所有参考标签对应的系统误差
Figure BDA0002261729340000039
的均值作为天线As的系统误差的估计值
Figure BDA00022617293400000310
进一步的，还可以将误放检测的检测门限设置为
Figure BDA00022617293400000311
其中系数α的取值范围为：
Figure BDA00022617293400000312
进一步的，未了减少查找最优位置的参考天线的运算量，还可以将参考天线Ar的标签误放最小相位偏移
Figure BDA00022617293400000313
作为粒子的适应值进行粒子群算法查找参考天线的最优位置，得到最优参考天线；并基于最优参考天线对应的标签误放最小相位偏移
Figure BDA00022617293400000314
设置误放检测的检测门限为
Figure BDA00022617293400000315
其中系数α的取值为1或
Figure BDA00022617293400000316
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
对于待检测的场景，某些物品在重新放置的时候可能会交换位置，本发明仅通过相位实现物品误放的检测，即将处理后的测量值与计算后的理论值比较，观察相位是否发生偏移来检测物品的误放。由于相位具有周期性，从而使得不同的位置可能有相同的相位测量值，导致模糊性。为了解决可能出现的模糊性，本发明通过优化天线的部署位置来最大化任意两个位置的相位区分度来解决；相位测量值可能包含一个或多个2π的跳跃，为了保证相位值不超过其正常范围[0，2π)，本发明通过比较测量值和理论值，相位解缠绕以一个有效的标准消除2π跳跃的影响；由于天线可能会有不同的位置初始相位旋转(即使是同种型号的天线)，本发明通过估计系统误差对测量值进行校准，检测异常的相位偏移来识别误放标签。
附图说明
图1为RFID智能货架物品误放检测模型图；
图2为RFID智能货架物品误放检测框架图；
图3为天线的移动轨迹图示意图；
图4为同种类型天线的初始相位分布示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步地详细描述。
本发明针对放置附有RFID标签的物品的货架，对物品的位置进行实时地监控和管理。由于采集到标签的相位信息的测量值不经过特殊的处理与理论值看起来毫无关联，导致现有的基于RFID的物品检测处理时，几乎不会考虑将测量值与理论值进行比较的误放检测处理方式，而本发明的RFID智能货架物品误放检测方法通过高频阅读器采集标签的相位信息，通过测量值与理论计算值相比较的形式来检测误放，即通过对相位测量值进行处理，使其与理论值一致，即实现了测量值与理论值的匹配，然后识别由物品误放造成的相位偏移，从而实现物品误放的检测。本发明解决了标签存在的位置模糊性，缠绕和设备的多样性问题，是一种性价比高的、实时的检测方法。
本发明的误放检测处理的主要步骤如下：
通过优化阅读器天线的部署位置，最大化两个位置的区分度，解决位置的模糊性；
采集数据，并对相位测量值检测和纠正相位缠绕；
通过估计系统误差对测量值进行校准，解决设备多样性造成的初始相位不一致的问题；
将处理后的测量值与理论值进行比较，通过观察相位是否偏移检测误放。
参见图1，物品的误放检测可以视为一种特殊的静态定位，假设标签放在一系列固定的点上，如图1所示的服装架子，每个衣架上都设置有RFID标签(Tag),其中部分衣架存在误放(图1中所示的Misplaced Tag)。为了实现对误放物品的检测，本发明的关键处理在于：对测量的相位值进行校准和检测由物品误放造成的异常的相位偏移，而不是追踪相位的变化，从而不需要假设在初始状态所有的标签都是放置在正确的位置，即不需要标签的初始状态就在其布置位置。
参见图2，本发明的物品误放检测处理过程包括三个部分，输入、误放检测和输出。
其中，输入包括标签ID，如图2中所示的EPCxxx0001～0004，以及相位测量值(θ)和标签的分布，即各标签的布置位置；
误放检测包含三个阶段：模糊性解决、相位解缠绕和异常值检测。
输出则包含标签ID和误放标签的位置。
其中，误放检测中所涉及的位置的模糊性、相位解缠绕和异常值检测具体为：
(1)位置的模糊性。
定义天线的数量为m，标签数量为n，以及定义
Figure BDA0002261729340000051
表示从天线As(位置信息为(xs,y,s,zs)，可记为As(xs,y,s,zs))采集到的标签Ti(位置信息为(xi,yi,zi)，可记为Ti(xi,yi,zi))的理论相位值，其中i∈[1,n]，s∈[1,m]。
理论相位值(或称相位理论值)的计算公式如式(1)所示：
Figure BDA0002261729340000052
其中，λ表示波长，d表示天线与标签之间的距离，K为整数。即理论值Θ是一个周期为2π的函数，天线和标签之间的距离d每变化
Figure BDA0002261729340000053
理论值Θ就变化一个周期。
而相位测量值θ包含一个系统误差μ，定义为：
Figure BDA0002261729340000054
其中，k为整数，系统误差μ＝(θTAG+θANT)mod 2π，θTAG和θANT分别是由标签反射特点导致的阅读器天线的传输端和接收端产生的额外的相位偏移。
由公式(1)可知，
Figure BDA0002261729340000055
是由As和Ti之间的距离
Figure BDA0002261729340000056
决定的，即
Figure BDA0002261729340000057
为达到部署的目的，假设天线阵列的拓扑是固定的，如图3所示，定义一个任意的天线Ar(坐标位置为(xr,yr,zr))作为天线阵列的参考点。则向量
Figure BDA0002261729340000058
可以表示为：
Figure BDA0002261729340000059
其中，点O表示坐标原点，
Figure BDA00022617293400000510
与商店(误放检测应用的场景)的布局有关，通常都是不会改变的。
Figure BDA00022617293400000511
依赖于固定不变的天线的相对位置。因此，
Figure BDA0002261729340000061
仅与
Figure BDA0002261729340000062
有关，即意味着
Figure BDA0002261729340000063
可以被视为
Figure BDA0002261729340000064
的函数，表示为
Figure BDA0002261729340000065
如图3所示，在不旋转的条件下平移天线Ar和As。Ar和As被视为刚体，如果Ar向位置Ar'移动，As将会到达As'，这样
Figure BDA0002261729340000066
然后可以得到
Figure BDA0002261729340000067
因为
Figure BDA0002261729340000068
和
Figure BDA0002261729340000069
都是不变的，如果
Figure BDA00022617293400000610
的值已经测出来，那么
Figure BDA00022617293400000611
对于任意两个标签Ti和Tj，如果交换它们的位置，对于它们每一个相位偏移的大小
Figure BDA00022617293400000612
考虑到有m个天线，定义由Ti和Tj的交换造成的相位偏移为
Figure BDA00022617293400000613
表示为：
Figure BDA00022617293400000614
其中，s∈[1,m]。由于
Figure BDA00022617293400000615
则结合式(1)的理论相位值的表达式可得：
Figure BDA00022617293400000616
其中，向量
Figure BDA00022617293400000617
基于标签Ti和Tj的布置位置获得，向量
Figure BDA00022617293400000618
基于参考点的天线Ar的位置获得，向量
Figure BDA00022617293400000619
基于天线As与天线Ar的相对位置获得。
实际上，可以任选两个不同的标签并交换它们的位置，一共有
Figure BDA00022617293400000620
种这样的组合。计算出每一对标签的
Figure BDA00022617293400000621
定义由标签误放造成的最小的相位偏移为
Figure BDA00022617293400000622
表示为：
Figure BDA00022617293400000623
其中，i∈[1,n)，j∈(i,n]。
然后最大化
Figure BDA00022617293400000624
以实现最大最小公平分配并且避免错误结果。
Figure BDA00022617293400000625
进一步，为了降低运算量，本发明可以利用粒子群算法找到Ar的最优位置(即
Figure BDA00022617293400000626
)。具体步骤如下：
(a)在空间中随机初始化粒子群。
(b)根据公式(5)计算每个粒子的适应值，即将
Figure BDA0002261729340000071
作为粒子的适应值。
(c)根据适应值更新粒子的位置。
(d)若达到最大迭代次数或全局最优位置满足预设的最下界限，则Ar的最优位置已经找到，否则转到b)继续执行。
即本发明利用现有的粒子群算法查找Ar的最优位置，在查找处理时将
Figure BDA0002261729340000072
作为粒子的适应值。
(2)相位解缠绕。
相位解缠绕的过程就是使一个缠绕的相位变为“正确的”形式，摆脱2π跳跃的影响。用
Figure BDA0002261729340000073
表示从天线As采集到的标签Ti的相位测量值，
Figure BDA0002261729340000074
表示由标签Ti和天线As产生的系统误差。将公式(1)与公式(2)相减可得：
Figure BDA0002261729340000075
因为
Figure BDA0002261729340000076
有
Figure BDA0002261729340000077
考虑到该差值的符号，会存在以下两种情况：
(1)
Figure BDA0002261729340000078
即满足
Figure BDA0002261729340000079
Figure BDA00022617293400000710
(2)
Figure BDA00022617293400000711
即满足
Figure BDA00022617293400000712
Figure BDA0002261729340000081
结合式(7)～(9)，可得到：
Figure BDA0002261729340000082
定义
Figure BDA0002261729340000083
解缠绕后的值为
Figure BDA0002261729340000084
则：
Figure BDA0002261729340000085
根据式(11)可知，
Figure BDA0002261729340000086
的变化与
Figure BDA0002261729340000087
是一致的，这意味着
Figure BDA0002261729340000088
和
Figure BDA0002261729340000089
具有很强的线性关系。由
Figure BDA00022617293400000810
这个结果表明
Figure BDA00022617293400000811
是一个相对稳定的值。
(3)异常值检测。
参考图4给出的同种类型天线的初始相位分布示意图可知，相同型号的天线可能会存在不同的初始相位偏转。在检测误放标签之前，先估计
Figure BDA00022617293400000812
的值来校准
Figure BDA00022617293400000813
对式(11)进行重写计算
Figure BDA00022617293400000814
Figure BDA00022617293400000815
因为经论证，
Figure BDA00022617293400000816
是一个稳定的值，本具体实施方式中，通过放置l个参考标签(参考标签的放置位置可以在标签的n个布置位置上选择)以简化操作，估计系统误差
Figure BDA00022617293400000817
(系统误差的估计值)，其表达式如下：
Figure BDA00022617293400000818
其中，p∈[1,l]，l＜＜n。然后用
Figure BDA00022617293400000819
代替
Figure BDA00022617293400000820
校准
Figure BDA00022617293400000821
则
Figure BDA00022617293400000822
的校准值
Figure BDA00022617293400000823
可以定义为：
Figure BDA0002261729340000091
假设Ar在最优的位置，
Figure BDA0002261729340000092
是一个真实的值，考虑到两种情况：
1)如果Ti在正确的位置，那么
Figure BDA0002261729340000093
2)如果Ti在Tj'的位置，那么
Figure BDA0002261729340000094
定义Ti相位偏移的估计值
Figure BDA0002261729340000095
为：
Figure BDA0002261729340000096
其中，s∈[1,m]，然后通过式(16)检测Ti的误放：
Figure BDA0002261729340000097
即，若式(16)满足，则Ti存在误放，否则不存在误放。
在式(16)中，α表示控制错误率的系数。理论上，为了涵盖最坏情况的条件下可以把α设为1。
此外，还可以选择一个较大的α来进一步减小误判率，即将系数α的取值范围设置为：
Figure BDA0002261729340000098
本发明通过在固定位置部署多个阅读器(标签阅读器)采集标签数据，同时优化阅读器的位置来最大化采集到的相位数据的差值，对采集到的相位值进行解缠绕等有效的处理，然后估计系统误差解决设备多样性问题，最后将相位测量值与理论计算的相位值进行比较并观察相位差值是否发生变化来检测物品摆放的位置是否发生变化，从而实现了货架上物品位置的有效监管和物品误放的检测。可以实现在超高频RFID环境中对货架上负有超高频标签的物品的监控，从而能够实时地检测出待监控场景中的误放的物品。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (4)

1.RFID智能货架物品误放检测方法，其特征在于，包括下列步骤：
步骤1：对放置附有RFID标签的物品的货架，在其周边部署多个标签阅读器，用于采集RFID标签的标签数据；
基于预设的坐标原点O，确定标签阅读器的天线的位置，以及货架上各RFID标签的布置位置；
步骤2：设置误放检测的检测门限：
任意选定一个标签阅读器的天线Ar作为参考天线，对任意两个RFID标签Ti和Tj组成标签对，交换标签对的布置位置，并计算交换后对每个标签阅读器的天线As的相位偏移
Figure FDA0003735548290000011
即天线As分别采集到标签Ti和Tj的相位理论值的相位偏移；
其中，
Figure FDA0003735548290000012
λ表示波长，
Figure FDA0003735548290000013
表示坐标原点O到标签Ti的向量，
Figure FDA0003735548290000014
表示坐标原点O到天线Ar的向量，
Figure FDA0003735548290000015
表示参考天线Ar到天线As的向量，
Figure FDA0003735548290000016
表示坐标原点O到标签Tj的向量；
对每一对标签对，取所有相位偏移
Figure FDA0003735548290000017
中的最大者作为当前标签对相对于当前参考天线Ar的相位偏移
Figure FDA0003735548290000018
并将当前参考天线Ar下的所有标签对的相位偏移
Figure FDA0003735548290000019
中的最小相位偏移作为当前参考天线Ar的标签误放最小相位偏移
Figure FDA00037355482900000110
分别将所有标签阅读器的天线作为参考天线，并取标签误放最小相位偏移中的最大者作为误放检测的检测门限，记为
Figure FDA00037355482900000111
步骤3：基于标签阅读器的天线当前采集到RFID标签的相位测量值对物品进行误放检测处理：
基于标签阅读器的天线As的系统误差的估计值
Figure FDA00037355482900000112
对各相位测量值
Figure FDA00037355482900000113
进行校正处理，得到相位测量值
Figure FDA00037355482900000114
的校准值
Figure FDA00037355482900000115
若
Figure FDA00037355482900000116
小于
Figure FDA00037355482900000117
则
Figure FDA00037355482900000118
否则，
Figure FDA00037355482900000119
其中，下标i为RFID标签的区分符，上标s为标签阅读器的天线区分符；
对任意一个待误放检测的物品，基于物品所附的RFID标签Ti的分布位置，计算各标签阅读器的天线As分别采集到的标签Ti的理论相位值
Figure FDA0003735548290000021
并根据公式
Figure FDA0003735548290000022
得到标签Ti的相位偏移的估计值
Figure FDA0003735548290000023
若估计值
Figure FDA0003735548290000024
大于或等于检测门限
Figure FDA0003735548290000025
则判定标签Ti对应的物品存在误放；
标签阅读器的天线As的系统误差的估计值
Figure FDA0003735548290000026
的设置方式为：
放置一定数量的参考标签Tp，并计算各天线As采集到的参考标签Tp的理论相位值
Figure FDA0003735548290000027
基于天线As采集到的各参考标签Tp的相位测量值
Figure FDA0003735548290000028
确定对应各参考标签的系统误差
Figure FDA0003735548290000029
若理论相位值
Figure FDA00037355482900000210
大于相位测量值
Figure FDA00037355482900000211
则
Figure FDA00037355482900000212
否则
Figure FDA00037355482900000213
对同一天线As，取所有参考标签对应的系统误差
Figure FDA00037355482900000214
的均值作为天线As的系统误差的估计值
Figure FDA00037355482900000215
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2中，将
Figure FDA00037355482900000216
对应的天线作为最优参考天线，并将误放检测的检测门限设置为
Figure FDA00037355482900000217
其中系数α的取值范围为：
Figure FDA00037355482900000218
Figure FDA00037355482900000219
表示所有标签对相对于最优参考天线的相位偏移的均值。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2中，通过粒子群算法确定误放检测的检测门限：
将参考天线Ar的标签误放最小相位偏移
Figure FDA00037355482900000220
作为粒子的适应值进行粒子群算法查找参考天线的最优位置，得到最优参考天线；
并基于最优参考天线对应的标签误放最小相位偏移
Figure FDA00037355482900000221
设置误放检测的检测门限为
Figure FDA00037355482900000222
其中系数α的取值为1或
Figure FDA00037355482900000223
Figure FDA00037355482900000224
表示所有标签对相对于最优参考天线的相位偏移的均值。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2中，在RFID标签的布置位置上放置一定数量的参考标签Tp。
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