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倉儲物流中UWB技術的應用

2021-12-23 15:27| 發布者: www.artist-contribution.com| 查看:

摘要: 作為一種無線通信技術,UWB技術因其自身所具有的高速、低成本和低功耗等優勢而成為未來無線定位技術的熱點?;赨WB技術的Ubisense 7000定位系統是Ubisense公司推出的第一個民用精密實時無線定位系統,其3D定位精度可達到15cm左右。文中簡述了UWB技術的基本概念,給出了Ubisense 7000定位系統在倉儲物流中的應用實例,并預測 ...

1 UWB技術

UWB (Ultra Wide Band, 超寬頻技術) 是一種高速、低成本和低功耗的無線通信技術。它不用載波, 而采用時間間隔極短 (納秒或納秒級以下) 的非正弦波窄脈沖進行通信, 也稱作脈沖無線電 (Impulse Radio) 、時域 (Time Domain) 或無載波 (Carrier Free) 通信。通過在較寬的頻譜 (暫時限制在3.1~10.6GHz) 上傳送極低功率的信號, 能在10米左右的范圍內實現超過100Mbps/s的數據傳輸速率。UWB具有帶寬極寬、低功耗、傳輸速率高、抗干擾性強, 保密性好等特點。
UWB技術最初是被作為軍用雷達技術開發的, 早期主要用于雷達技術領域, 并一直是美國軍方使用的作戰技術之一。2002年2月, 美國FCC批準了UWB技術用于民用, UWB技術的發展步伐開始逐步加快。UWB技術的一個重要應用是精確地理定位。在UWB定位系統中, 位置可從一個移動終端至多個固定參考點的信號傳輸時間推算出來。UWB定位估算的精度受限于交叉曲線的寬度, 而曲線寬度又是信號抵達參考點的時間不確定性的函數。有多種機制可以用來提供此參數中小的不確定性。由于UWB系統的脈沖持續時間極短, 具有較強的時間、空間分辨率, 因此可以有效地對抗多徑衰落, 可以在測距、定位和跟蹤方面實現很高的精度, 在無線定位中具有突出的特點和優勢。有資料表明, UWB技術在某些方面具有比GPS更高的定位精度。

2 Ubisense 7000系統介紹

Ubisense 7000系統是由英國Ubisense公司利用UWB技術 (Ultra Wide Band, 超寬頻技術) 構建的精確實時無線定位系統。其運用到達時間差 (TODA) 和到達時間角度 (AOA) 的混合定位算法, 利用三維坐標將定位誤差降到最小。相比基于RFID技術、Wi-Fi技術等的定位系統, 該系統具有很好的穩定性, 在典型應用環境中可達到15cm的較高的定位精度。
Ubisense 7000系統包含三部分:電池供電的活動標簽 (Ubisense tag) , 能夠發射UWB信號來確定位置;位置固定的傳感器 (Ubisense Sensor) , 能夠接收并估算從標簽發送過來的信號;綜合所有位置信息的軟件平臺, 能夠獲取、分析并傳輸信息給用戶和其他相關信息系統。
圖1 系統定位原理圖示圖1 系統定位原理圖示  下載原圖
 
在該系統中, 標簽發射極短的UWB脈沖信號, 傳感器接收此信號, 并根據脈沖到達的時間差分和脈沖到達的角度計算出標簽的精確位置, 如圖1所示。由于采用了UWB技術, 加上傳感器內部有一個UWB接收器陣列, 從而可以很高的精度計算出角度, 確保了較高的定位精度和室內應用環境的可靠性。傳感器通常按照蜂窩單元的形式進行組織, 典型的劃分方式是矩形單元, 附加的傳感器根據其幾何覆蓋區域進行增加。每個定位單元中, 主傳感器配合其他傳感器工作, 并與單元內所有檢測到位置的標簽進行通訊。通過類似于移動通訊網絡的蜂窩單元組合, 能夠做到較大面積區域的覆蓋。同時, 傳感器也支持雙向的標準射頻通訊, 允許動態改變標簽的更新率, 使交互式應用成為可能。
標簽的位置通過標準以太網線或無線局域網, 發送到定位引擎軟件。定位引擎軟件將數據進行綜合, 并通過API接口傳輸到外部程序或Ubisense定位平臺, 實現空間信息的處理以及信息的可視化。由于標簽能夠在不同定位單元之間移動, 定位平臺能夠自動在一個主傳感器和下一個主傳感器之間實現無縫切換。在建立系統時, 需要對整體的多單元空間結構指定3D參考坐標系。當標簽在參考坐標系內的多個單元中移動時, 可視化模塊能夠實時顯示標簽位置。

3 UWB技術在倉儲物流中的應用

上世紀90年代以后, 世界倉儲物流業快速發展, 持續10年保持了每年20%~30%的高速增長, 從而一舉上升為與高科技、金融業并駕齊驅的三大朝陽產業之一。在西方發達國家, 現代倉儲物流業已高度發達, 并成為國民經濟的重要支柱。而我國倉儲物流業尚處于起步發展初期, 與發達國家相比, 我國倉儲物流業的發展水平相當滯后, 管理效率低下, 這同時也從另一個角度反映出我國倉儲物流業有著巨大的發展空間和潛力。
由于傳統倉儲物流操作所采用的設備和技術較落后, 因此其操作與管理過程中存在很多缺點, 如入庫驗收時間長, 在庫盤點亂且數量不準, 出庫揀貨時間長且經常揀錯貨, 有些貨物會因為不正確的揀貨順序而導致保質期到期不能再用等。倉儲公司和物流公司希望有一套系統能夠自動定位貨物的存放位置、記錄貨物出入倉庫的時間, 節省搜索貨品所花費的人力成本, 也能有效地解決一些貨物損壞、丟失或過期等索賠問題。
在倉儲物流業中使用Ubisense 7000定位系統, 能很好地解決以上問題。Ubisense 7000定位系統采用UWB技術, 構建了革命性的RTLS系統 (Real-time Location System, 實時定位系統) , 該系統在典型的應用環境中能達到15cm的3D定位精度, 并具有很好的穩定性。借助該系統, 倉儲物流企業能夠完成貨物的進出管理, 準確快捷地盤點倉庫物品, 方便迅速地查詢倉庫物品, 高效精確地找出貨物位置, 同時, 還能解決防盜等貨物安全問題。
基于UWB技術的倉儲物流系統以Ubisense 7000定位系統為底層硬件平臺, 結合了UWB技術和RFID技術, 利用以太網 (采用有線或無線方式) 為骨干傳輸網, 將倉庫等倉儲物流場所劃分為多個監控單元。其網絡結構如圖2所示。
圖2 倉儲物流系統網絡結構示意圖圖2 倉儲物流系統網絡結構示意圖  下載原圖
 
該系統的具體工作流程是:每件貨物都附加了RFID標簽, 提供貨物的ID號, 相應地在倉庫各入口的通道處設置RFID閱讀器。貨物在進出倉庫通過閱讀器時, 閱讀器即可讀取標簽, 獲得貨物的ID號、進出時間和運送該貨物的叉車ID號等相關信息, 并通過無線局域網連接, 利用UWB信號將貨物信息發送到后端Ubisense 7000定位平臺。倉庫內部根據具體環境布置一定數量的閱讀器, 每個閱讀器同時也是一個傳感器節點, 節點通過UWB信號將標簽的位置信息發送到傳感器匯聚節點上。閱讀器與一個振動傳感器相互配合, 通常節點處于睡眠狀態, 一旦振動傳感器檢測到振動信號時, 節點被喚醒并開始發送UWB信號。傳感器匯聚節點接收到UWB信號, 即可獲知哪個閱讀器被使用, 其讀取到的貨物信息也一并傳入后臺。在閱讀器沒有使用時, 節點處于休眠狀態, 從而延長節點電池壽命。一般在貨物進出倉庫時都經過閱讀器掃描, 當貨物轉移地點時, 閱讀器也會再次掃描。在運載貨物的叉車臂上也安裝標簽, 當叉車安放貨物的時候, 通過標簽向節點發送信號, 便可記錄下該貨物存放的位置。
Ubisense 7000定位系統的傳感器節點是集2.4G超寬頻定位通訊于一體的智能化設備, 可以根據實際情況部署在倉庫的周圍, 一般安裝在墻壁上, 高度以3~5米為宜, 其信號覆蓋整體監控區域。系統可以采用有線 (或無線) 方式進行傳感器的通訊。各監控區域的傳感器運算數據和RFID物品信息均傳到裝有定位引擎和后臺服務軟件的終端用戶。用戶可根據需要定制軟件的數據報表等應用功能。
在倉儲物流領域中應用Ubisense 7000定位系統, 具有以下基本功能:
(1) 支持2D/3D定位, 在3D模式下, 定位精度達到15cm;
(2) 能對貨物的出入庫信息、擺放位置、運輸路線等進行查詢和追蹤;
(3) 能夠實時查詢貨位、動態分配貨位、實現隨機存儲, 從而最大限度利用倉儲空間;
(4) 能夠自動精確地更新各種信息, 實現系統綜合盤點、隨機抽查盤點;
(5) 實時監控人員工作情況、分析貨物調度管理數據, 動態綜合分配人力物力資源;
(6) 實時統計報表, 匯總各類信息, 滿足關聯客戶內部數據查詢。

4 前景展望

在倉儲物流中應用基于UWB技術的Ubisense 7000定位系統, 可以有效地減少物品的丟失或損壞, 節約人力物力成本, 提高操作管理效率, 從而大大提高倉儲物流領域自動化程度。目前, 制約UWB技術發展的主要問題是其標準化工作還沒有完成, 一些技術問題需要不斷完善。在定位方面, 與當前流行的短距離無線通信技術相比, UWB技術可以提供更高的定位精度和更快的傳輸速率, 這一優勢是其它短距離無線通信技術無可比擬的。在軍事需求和倉儲物流市場的推動下, UWB技術將會進一步發展和成熟起來, 其應用必將更加廣泛。