CC BY
105
ISSN 1560-3644 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.
TECHNICAL SCIENCE. 2020. No 1
УДК 004.023 DOI: 10.17213/1560-3644-2020-1-41-44
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЛОКАЛЬНОГО МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ ПРЕДМЕТОВ НА БАЗЕ ТЕХНОЛОГИИ РАДИОЧАСТОТНОЙ ИДЕНТИФИКАЦИИ
© 2020 г. М.А. Прийма, А.Н. Панфилов, В.М. Абас
Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия
DETERMINATION OF OBJECTS' LOCAL LOCATION IN REAL TIME ON THE BASIS OF RADIO-FREQUENCY IDENTIFICATION TECHNOLOGY
M.A. Priyma, A.N. Panfilov, W.M. Abas
Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia
Прийма Мария Андреевна - студентка, Южно-Российский Priyma Marya A. - Student, Platov South-Russian State государственный политехнический университет (НПИ) Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. E-mail: имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. E-mail: maria.priyma.s820@gmail.com maria.priyma.s820@gmail.com
Панфилов Александр Николаевич - канд. техн. наук, кафедра Panfilov Alexandr N. - Candidate of Technical «Информационные и измерительные системы и технологии», Sciences, Department «Information and Measurement Systems Южно-Российский государственный политехнический универ- and Technologies», Platov South-Russian State Polytechnic ситет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. University (NPI), Novocherkassk, Russia. E-mail: panfilE-mail: panfiloff@rambler.ru off@rambler.ru
Абас Висам Махди Абас - аспирант, кафедра «Информаци- Abas Wisam Mahdi Abas - Postgraduate Student, Department онные и измерительные системы и технологии», Южно- «Information and Measurement Systems and Technologies», Platov Российский государственный политехнический университет South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocher-(НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. E-mail: kassk, Russia. E-mail: abas.wisam.82@mail.ru abas.wisam. 82@mail.ru
Описаны технологии, используемые для определения локального местоположения предметов. На основе сравнительного анализа технологий для детального рассмотрения выбрана технология радиочастотной идентификации. Данная технология основана на использовании радиометок, закрепляемых на предметах. Излучая радиоволны, метки передают данные о предмете на ближайшие считывающие устройства, которые осуществляют сбор и обработку данных. На примере тележки, перемещающейся по полю, состоящему из радиометок, показан способ определения координат объекта с применением технологий радиочастотной идентификации.
Ключевые слова: определение местоположения; радиочастотная идентификация; RFID-метка, RFID-считыватель.
This article describes the technologies used to determine the local location of objects. Based on a comparative analysis of technologies, a radio frequency identification technology was selected for a detailed review. This technology is based on the use of RFID tags mounted on objects. By emitting radio waves, the tags transmit data about the object to the nearest readers, which collect and process the data. On the example of a trolley moving along a field consisting of RFID tags, a method for determining the coordinates of an object using radio frequency identification technologies is shown.
Keywords: positioning; radio frequency identification; RFID tag; RFID reader.
ISSN 1560-3644 ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. СЕВЕРО-КАВКАЗСКИМ РЕГИОН._ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ. 2020. № 1
ISSN 1560-3644 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION. TECHNICAL SCIENCE. 2020. No 1
Важной логистической проблемой является задача тотального отслеживания объектов на протяжении всей логистической цепи. Для решения данной проблемы применяются такие технологии, как:
- спутниковые навигационные системы -GPS, ГЛОНАСС и другие;
- технологии инфракрасного и ультразвукового позиционирования;
- радиочастотные технологии, например, технология радиочастотной идентификации -RFID.
Спутниковые навигационные системы подробно описаны в [1]. Данная технология имеет точность 6 м, что не подходит для определения локального местоположения малогабаритных товаров. Недостатком глобальных систем также является зависимость от условий использования. Практически невозможно определять местонахождение внутри зданий, в подвалах или тоннелях, уровень сигнала серьезно ухудшается под покровом листвы деревьев и даже при большой облачности. На прием сигналов GPS влияют помехи от наземных источников. Поскольку орбиты GPS имеют наклонение около 55°, точность в высоких широтах значительно снижается, т.к. спутники GPS видны низко над горизонтом. В этом отношении спутники ГЛОНАСС имеют преимущество - наклон их орбит около 65° (рассчитан на всю территорию России).
Технологии инфракрасного и ультразвукового позиционирования, подробно описанные в [2], используются для определения местоположения предметов внутри помещения. При инфракрасном позиционировании местонахождение метки рассчитывается по Time-of-flight (ToF) - времени распространения сигнала от источника до приемника. Недостаток метода - чувствительность к помехам от солнечного света. Точность позиционирования этим методом 10 - 30 см. В системах ультразвукового позиционирования используются частоты от 40 - 130 кГц. Для определения координат метки обычно измеряют ToF до четырех приемников. Основным недостатком систем ультразвукового позиционирования является чувствительность к потерям сигнала при наличии даже «легких» препятствий, к ложным эхо-сигналам и к помехам от источников ультразвука. Чтобы исключить эти недостатки, требуется тщательно планировать систему.
Технология RFID, подробное описание которой приведено в [3 - 5], позволяет получить точную информацию о местоположении объекта в режиме реального времени. В типичной
К^ТО-системе объекты помечаются миниатюрными радиометками, несущими в себе определенные данные об этих объектах. Излучая радиоволны, метки передают эти данные на ближайшие от них считывающие устройства (считыватели), которые осуществляют сбор и обработку данных. Подобная связь радиометок и считывателей открывает дорогу к реализации огромного количества практических приложений, где требуются эффективное обнаружение, распознавание и отслеживание объектов.
Преимущества К^ТО-технологий:
- в отличие от спутниковых навигационных систем, К^ТО-технологии могут быть использованы для определения местоположения предмета внутри помещения;
- в отличие от технологий инфракрасного и ультразвукового позиционирования, КРЮ-технологии не восприимчивы к световым помехам или помехам эхо-сигналов;
- КРЮ не требует прямой видимости объекта. Радиометки могут считываться вне зависимости от положения или ориентации объекта по отношению к считывателю;
- в зависимости от технологии, положенной в основу К^ТО, чтение меток может производиться с большего расстояния - вплоть до нескольких метров;
- возможность функционирования в качестве мобильных мини-баз данных, способных мгновенно сохранять информацию.
В ходе производства радиометки служат для снижения издержек и уменьшения ошибок, связанных с подобным поэтапным перемещением - метки КРЮ помогают фиксировать этапы, пройденные конкретной деталью. На каждом новом этапе считыватель посылает метке запрос, тем самым гарантируя прохождение деталью всех требуемых операций, предшествующих данному этапу. Наибольшую пользу это приносит, когда в процессе движения деталь непрерывно меняет свой вид. Польза, приносимая устройствами для автоматического отслеживания запасов и управления ими на предприятиях и складах, связана прежде всего с уменьшением издержек за счет сокращения ручных операций. Технология КРЮ позволяет определять локальное местоположение предметов на всех этапах производства (рис. 1).
Также технология КРЮ может быть применена для слежения за багажом: радиометки можно крепить на багаж в момент регистрации пассажира. Это позволит эффективнее сортировать и
ISSN 1560-3644 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.
TECHNICAL SCIENCE. 2020. No 1
направлять по нужным маршрутам багаж во время его движения по транспортировочной ленте, оснащенной расположенными в определенных местах считывателями КРЮ. После досмотра радиометка на багаже гарантирует его быстрый и эффективный возврат по назначению при минимальной потребности в ручных манипуляциях.
Упаковка и маркировка
Создание
Сортировка
Отгрузка
Рис. 1. Этапы производства / Fig. 1. Production stages
С применением технологии RFID могут быть оборудованы «умные» полки, концепция которых описана в [6]. Оборудование «умных» полок (smart shelves) позволяет обнаруживать на них маркированные предметы, благодаря определенным образом установленным считывателям и антеннам на полках и вокруг них. Идея состоит в том, чтобы фиксировать момент удаления с полки или размещения на ней единицы хранения, например, в целях более точного управления запасами или мониторинга продаж. Также технологии радиочастотной идентификации могут быть использованы для решения задач, описанных в [7, 8].
Рассмотрим механизм определения местоположения объекта в режиме реального времени. Пусть дана подвижная тележка, на которой закреплен RFID-считыватель (рис. 2).
+ +
+ +
Зона действия -- —
антенны считывателя
+ + + +
Тележка со считывателем
Поле RFID-меток
Считанные метки
Рис. 2. Схема расположения меток и подвижной тележки / Fig. 2. Layout of tags and a trolley
Как показано на рис. 2, в плоскости движения тележки построена сетка, состоящая из RFID-меток, равноудаленных друг друга. Все метки заданы множеством M={mi,m2,...,mi,...,m„], где mi - метка, определяемая уникальным иден-
тификатором и координатами в ортогональной системе:
Шг =<1йг, Хг, Уг>,
где гф - уникальный идентификатор г-й метки; Хг - координата г-й метки по оси абсцисс; уг -координата г-й метки по оси ординат.
На рис. 2 выделено поле действия сигнала, исходящего от считывателя и попавшие в данное поле КРТО-метки. Пусть размер ячейки сетки равен ДххДу. Для всех меток рассматриваемой системы известны определяющие параметры, также известно, какие именно радиометки из множества М находятся в поле действия считывателя. Необходимо определить точное положение тележки.
Обозначим зарегистрированные считывателем КРЮ-метки множеством К. Задача определения местоположения объекта сводится к нахождению центра тяжести многоугольника, описанного считанными метками. Обозначим метки, образующие вершины многоугольника множеством Р. Для описания решения данной задачи представим фрагмент псевдокода:
количество_вершин = 0 для каждого шгеК счетчик = 0
Ша= <гФа, Хг - Дх, уг+Ду> если ШаеК то
счетчик = счетчик+1 шь= <гйъ, хг, у+Ду> если шъеК то
счетчик = счетчик+1
Шс= <гФс, Хг+Дх, уг+Ду>
если ШсеК то
счетчик = счетчик+1 ша= <гфф, Хг-Дх, уг> если шаеК то
счетчик = счетчик+1 Ше= <гае, Хг+Дх, уг> если шееК то
счетчик = счетчик+1 Ш/ = <га/, Хг-Дх, уг—Ду> если ш/еК то
счетчик = счетчик+1 Шg= <гdg, хг, уг-Ду> если ШgеК то
счетчик = счетчик+1 ШН= <ган, Хг+Дх, уг-Ду> если шнеК то
счетчик = счетчик+1 если счетчик > 2 то Шге Р
количество_вершин = количество_вершин + 1 сумма_по_х = 0 сумма_по_у = 0 для каждого Шге Р
сумма_по_х = сумма_по_х + хг сумма_по_у = сумма_по_у + уг абсцисса_центра_тяжести=сумма_по_х/количество_вершин ордината_центра_тяжести=сумма_по_у/количество_вершин
ISSN 1560-3644 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION. TECHNICAL SCIENCE. 2020. No 1
С принципами алгоритмизации и использования псевдокода можно подробнее ознакомиться в [9]. Вышеприведенный псевдокод основан на анализе радиометок множества Р. Для каждой отдельной метки рассматриваются все окружающие ее метки (рис. 3).
Xi
mt=<idi, Xi, yi>
+
.r,+Ar; Vi+Av
Рис. 3. Схема взаимного расположения радиометки / Fig. 3. Scheme of rfid tags' mutual arrangement
Так как для каждой вершины многоугольника соседними могут являться только две вершины, внутренние метки исключаются из рассмотрения. Далее определяется центр тяжести полученного многоугольника. Более подробно расчет центра многоугольника описан в [10]. На рис. 4 изображен многоугольник, образованный RFID-метками, и точка А - центр тяжести многоугольника.
- Многоугольник, образованный считанными метками
+
Рис. 4. Схема многоугольника из активных меток / Fig. 4. Contour of a polygon formed by RFID tags
тывая ее местоположение при каждом перемещении. Преимущество данного способа определения местоположения заключается в неподвижности меток, благодаря чему именно радиометки являются системой координат перемещения подвижных объектов. При этом точность местоположения тележки будет тем выше, чем меньше размер сетки, образуемой RFID-метками. Однако при чрезмерном количестве меток может увеличиться время обработки поступающих RFID-сигналов.
Литература
1. Серапинас Б.Б. Глобальные системы позиционирования. М.: ИКФ «Каталог», 2002.
2. Kolodziej K.W., Hjelm J. Local Positioning Systems: LBS Applications and Services. CRC Press, 2006.
3. Власов М. RFID: 1 технология - 1000 решений: Практические примеры использования RFID в различных областях. М.: Альпина Паблишер, 2014.
4. Финкенцеллер К. Справочник по RFID. М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2008.
5. Маниш Б., Шахрам М. RFID-технологии на службе вашего бизнеса. М.: Альпина Паблишер, 2007.
6. Лайков Ю.М. Концепция «умных полок» в складском хозяйстве // Автоматизация и современные технологии. 2007. № 9. С. 23 - 25.
7. Погорелое А.С., Панфилов А.Н., Андреев Д.А. Задача оптимального размещения грузов на борту транспортного грузового корабля // Инженерный вестн. Дона, 2015, № 3. URL: http://www.ivdon.ru/uploads/article/pdl/IVD_62_ pogore-lov.pdf _38a020ea30.pdf
8. Веремеенко Е.Г. Применение системы радиочастотной идентификации (RFID) для автоматизации работы автомобильного транспорта в порту // Инженерный вестн. Дона, 2014, №3 URL: http://www.ivdon.ru/uploads/article/pdf R_96_Veremeenko.pdf_2116.pdf
9. Dasgupta S., Papadimitriou C., Vazirani U. Algorithms. McGraw-Hill Education, 2006.
10. Murray H. Protter, Charles B. Morrey Jr. College Calculus with Analytic Geometry. Reading: Addison-Wesley, 1970.
Таким образом, точка Л=<хл, ул>, c координатами (xa = абсцисса_центра_тяжести; ул = ордината_центра_тяжести) определяет расчетное положение тележки. Существует возможность определения маршрута тележки, рассчи-
References
1. Serapinas B.B. Global'nye sistemypozitsionirovaniya [Global positioning systems]. Moscow: IKF "Katalog", 2002.
2. Kolodziej K.W., Hjelm, J. Local Positioning Systems: LBS Applications and Services. CRC Press, 2006.
3. Vlasov M. RFID: 1 tekhnologiya - 1000 reshenii: Prakticheskie primery ispol'zovaniya RFID v razlichnykh oblastyakh [RFID: 1 technology-1000 solutions: Practical examples of using RFID in various fields]. Moscow: Al'pina Pablisher, 2014.
4. Finkentseller K. Spravochnikpo RFID [Guide to RFID]. Moscow: Publ. "Dodeka-XXI", 2008.
5. Manish B., Shakhram M. RFID-tekhnologii na sluzhbe vashego biznesa [RFID technologies in the service of your business]. Moscow: Al'pina Pablisher, 2007.
6. Laikov Yu.M. Kontseptsiya «umnykh polok» v skladskom khozyaistve [The incept of "smart shelves" in the warehouse economy]. Avtomatizatsiya i sovremennye tekhnologii, 2007, no. 9, Р. 23 - 25. (In Russ.)
7. Pogorelov A.S., Panfilov A.N., Andreev D.A. Zadacha optimal'nogo razmeshcheniya gruzov na bortu transportnogo gruzovogo korablya [The problem of optimal placement of goods on Board of a cargo transport vehicle]. Inzhenernyi vestnik Dona= Engineering journal of Don, 2015, no. 3. Available at: http://www.ivdon.ru/uploads/article/pdfIVD_62_pogorelov.pdf_38a020ea30.pdf.
8. Veremeenko E.G. Primenenie sistemy radiochastotnoi identifkatsii (RFID) dlya avtomatizatsii raboty avtomobil'nogo transporta v portu [Application of the radio frequency identification system (RFID) for automating the operation of road transport in the port]. Inzhenernyi vestnikDo-na= Engineering journal of Don, 2014, no. 3. Available at: http://www.ivdon.ru/uploads/article/pdfR_96_Veremeenko.pdf_2116.pdf.
9. Dasgupta S., Papadimitriou C., Vazirani U. Algorithms. McGraw-Hill Education, 2006.
10. Murray H. Protter, Charles B. Morrey Jr. College Calculus with Analytic Geometry. Reading: Addison-Wesley, 1970.
Поступила в редакцию /Received
27 февраля 2020 г. /February 27, 2020
