基于RFID的智能超市系統的設計與實現

成杰 賈寧 王煒堃

摘 要：顧客在大型超市購物的時候會遇到兩個不方便之處：難以尋找到目標商品、結賬的過程需要等待較長時間。本文采用RFID（Radio Frequency Identification，無線射頻識別）和二維碼技術來解決這兩個問題。智能超市系統由四個模塊構成：（1）RFID實現入庫、出庫，從而將結賬時間降至秒級別。（2）WIFI或二維碼聯合手機和服務器實現商品定位導航功能。（3）單片機和RFID實現防盜功能。（4）二維碼聯合手機實現貨源渠道查詢功能。此系統不僅適用于超市，還可以用于物流行業、倉庫管理、室內導航等近距離定位領域。

關鍵詞：RFID；快速識別；室內導航；二維碼追蹤

中圖分類號：TP368.1 文獻標識碼：A

1 引言（Introduction）

科技帶動經濟，經濟促進科技，這兩者在人類發展歷史上如影隨形。經濟活動一直都是人類社會活動的主要成分，零售業在人類的經濟活動中占主導地位，它是國民經濟的戰略行業。我們國家的社會商品零售總額從五年前的9.4萬億增加到去年（2013年）的21萬億，而超市在零售業中處于霸主地位[1]。

相對于其他的傳統零售業來說，超市具有以下優勢：

（1）各種超市的結構和規格統一。里面的商品按一定的規格和重量分門類地包裝好并排放在不同的位置，顧客可以自助式地方便購物。

（2）超市采用計算機、條形碼、POS機等先進設備，便于超市管理人員快速掌握銷售信息，方便保存、整理和包裝商品，減少了人為操作的枯燥性、易失誤性，提高了工作人員的效率，擴大了銷售數量。

（3）超市規模龐大，商品齊全。一般采用連鎖經營作為發展模式，這樣可以一次性大批量的進貨，壓低商品的進貨成本并分攤了幾家連鎖店，還可以動態的維護各個店的需求平衡。顧客在超市購物的時候能買到生活所需的絕大多數商品，而且由于超市的超大規模和科學的管理方法降低了商品的價格，受到廣大顧客的歡迎，是顧客舒心的消費平臺。

眾多顧客已經習慣于在超市購買各種各樣的生活用品，但目前超市的效率并不高，用戶在大型超市購物的時候都會有這兩個煩惱的經歷：

（1）在結賬處等待顧客過多。經過仔細調研后發現導致排隊人數較多的原因是掃描商品耗費的時間過長，商品需要從購物袋中一一拿出，然后單個地掃描條形碼，而且條形碼在掃描的時候必須得手動對準，這個也會耗費一定的時間。

（2）迷失的顧客，顧客在尋找商品時總是需要詢問導購員，而導購員并不是很多，而且導購員會向他們推銷非目標商品。此外，很多超市規模比較龐大，顧客在陌生的環境中容易迷失方向，在購物完畢后不容易找到出口。

針對以上問題調研的基礎上，最終得到以下結論：

目前大多數的超市使用的是條形碼，目前國內沒有將RFID（Radio Frequency Identification，無線射頻識別）技術應用于超市的成熟案例。美國的沃爾瑪于2006年將RFID標簽應用于部分價值較高的商品，大部分普通商品并沒有使用RFID標簽，這也不能稱為成熟的案例[2]。隨著RFID的發展，RFID性能和成本都可以適用于超市系統了，因此，可以使用RFID技術解決快速結賬的問題。

此外，可采用WIFI或二維碼技術來實現室內導航，目前國內外的超市中沒有用WIFI或二維碼進行商品導航的案例。本文提出概念和實現方案將會極大的方便和豐富顧客的購物經歷。

下文將介紹該系統的實現方案，即如何使用RFID技術處理大型超市的結賬速度問題以及使用WIFI技術或二維碼實現智能導購功能。

2 快速購物設計方案（Quick shopping designs）

RFID技術與互聯網、通訊技術相結合可應用于物流、制造、公共信息服務等多個行業，目前RFID在零售業開始得到應用，針對目前的大型超市難以尋找到目標商品以及結賬的過程需要等待較長時間等問題，本文提出如下的快速購物設計方案：采用UHF RFID（超高頻無線射頻識別）技術，為每個商品分配一個RFID標簽，采用UHF RFID標簽做會員卡，使用UHF RFID閱讀器一次性閱讀所有標簽信息。利用此方法實現商品不用拿出購物袋而一次性掃描所有商品，并結賬，如果有會員卡可以將其一并放進購物袋，此系統會按會員價一并結賬。

2.1 快速購物設計思路

傳統的超市掃描系統是基于條形碼的，條形碼的缺點是：（1）需要近距離地讀取。（2）閱讀速度慢。（3）存儲信息量小。（4）不可以多標簽同時讀取，采用RFID技術可以同時解決以上問題。

具體設計思路如下，將RFID標簽貼在貨物上，每個RFID標簽存儲的信息是一個相對于該超市唯一的序列號。超市內所有商品的商品名稱、單價、生產廠商、生產日期等信息都被存儲在超市的服務器里的數據庫中。RFID閱讀器和天線放在超市的結賬區。當貨物通過結賬區時，放置在結賬區的閱讀器會在短時間內同時讀出貼在貨物上的RFID標簽的信息并傳遞給計算機，計算機會根據輸入的標簽的序列號到商品數據庫中檢索這些序列號對應的商品，同時把商品的清單以及總價打印出來。這樣就可以將掃描商品的時間將至十秒鐘之內，結賬時無需擔心商品的個數，因為它最多支持1000商品同時掃描。

本系統在實現快速購物的基礎上，還設計了快速入庫、防盜系統等模塊。

在入庫的過程中，此方法可以讓超市倉庫管理員從機械枯燥的工作中解放出來，在卡車進入超市倉庫的時候會從帶有RFID閱讀器的門緩緩駛入，RFID閱讀器就可以掃描商品上的RFID標簽信息，這樣可以實現所有商品信息的錄入，之后只需要用軟件程序簡單地分類錄入數據庫即可。

此外，當用戶提著裝有商品的購物袋經過防盜門的時候，防盜門處安裝的RFID閱讀器開始自動掃描包裝袋（當然也包括顧客的口袋），并與數據庫里面的商品ID進行比較，如果是數據庫里面的商品ID而且沒有經過結賬處掃描就認定為異常，此時啟動單片機的蜂鳴器發出報警聲通知相關人員[3]。

2.2 硬件設計

本文使用的RFID設備采用的是改良ALOHA算法，具有同時閱讀1000張RFID標簽的性能。這些性能足以滿足超市掃描快速商品的性能要求。如果配備上RFID四臂螺旋天線可以使閱讀距離最大增大至10米，這樣可以用于商品的入庫出庫管理[4]。具體的RFID閱讀器以及天線設計如圖1所示。

2.3 軟件設計

本系統涉及的軟件主要分為三個模塊，即快速結賬、快速入庫和超市管理。

快速結賬模塊用于接收RFID閱讀器讀取的商品信息ID，通過與數據庫里的商品ID比較，獲取商品的ID、名稱、價格以及會員卡信息，并進行相應處理彈出結賬頁面[5]。

快速入庫模塊與快速結賬類似，主要用于獲取RFID閱讀器讀取的數據，將商品信息寫入數據庫。

超市管理模塊適用于設置管理員、安排員工值班、管理顧客會員信息、管理超市收入信息等。圖2為快速結賬模塊界面。

圖2 快速結賬模塊

Fig.2 Quick shopping module

3 快速尋路設計方案（Quick find path design）

大型超市因其占地面積較大，顧客很難對其地形有一個整體的宏觀了解，顧客在尋找商品的時候根據超市懸掛的指示頗為費勁，本系統提供快速尋路方案，幫助顧客以最佳線路到達指定商品位置。

本文一共設計兩種快速尋路方案，超市可依據自身情況自行選擇：（1）智能手機或平板電腦聯合二維碼實現快速尋路功能。（2）根據超市內的WIFI信號強度定位，實現室內導航功能[6]。

3.1 二維碼導購設計思路

此方案需要事先準備超市的商品地圖。該地圖存于數據庫中[7]，顧客可以通過智能手機（或平板電腦）訪問超市的商品地圖。此外，每個商品上貼有二維碼標簽，其中二維碼儲存商品的詳細信息以及在超市的坐標，用戶用手機掃描身邊的任意一件商品（也可以掃描貨架）的二維碼以獲取自己目前的位置。然后在手機的瀏覽器輸入要查找的商品信息就可以獲取目標商品的位置以及路線圖，如圖3所示。這樣可以極大的方便顧客尋找到目標商品[8]，不僅加大了顧客購物的速度，而且可以降低超市在雇傭導購員方面的支出。

圖3 二維碼導購

Fig.3 Two-dimensional code guide

顧客可以使用二維碼和智能手機（或平板電腦）實現貨源渠道查詢功能。每個商品上的二維碼包含有商品的信息，用戶利用智能手機（或平板電腦）輕輕一掃商品上的二維碼就可以得到一個網址，該網站是超市內部數據庫的映射（為了網絡安全考慮），訪問該網站可以獲得商品的來源、渠道、生產日期、單價等信息（如圖4所示）。用戶可以利用系統提供的比價功能將其跟網上的各大網店的價格進行比較，你也可以找到該商品的用戶對該商品的評價。

圖4 商品信息

Fig.4 Product information

3.2 WIFI導購功能

該導購功能利用大型超市周邊的多個WIFI節點，通過手機搜索到的WIFI信息發送給服務器，服務器判定WIFI信號強度[9]，并換算成位移量。通過多點判定當前范圍，獲得中心位置，并將中心坐標發送給移動終端。在移動終端上顯示顧客當前位置。

該功能實現的理論依據為：

（1）每個AP（Access Point，無線接入點）都有一個全球唯一的MAC地址，在系統中AP節點固定不動，即該MAC地址固定不變，可以利用該特點模擬基站定位[10]。

（2）顧客的智能手機（或平板電腦）在開啟WIFI的情況下，即可掃描并收集周圍的AP發射的WIFI信號，顯示在信號列表中，無論該WIFI是否加密、是否連接、信號強弱，都可以獲取到AP廣播的MAC地址。

（3）終端將能夠標示AP的MAC地址數據發送到位置服務器，服務器檢索出每一個AP的地理位置，并結合每個信號的強弱程度，計算出顧客的智能手機（或平板電腦）的地理位置并返回用戶設備。

如圖5所示，服務器對在某段時間內收集到以下三個AP的信號強度進行排序處理，取信號最高的幾個值，若超過閥值的可以認為距離為0，若有多個點，取其中心點。以每個AP

的位置為中心點，距離為半徑畫圓，利用三個圓形的交點做三角形，取該三角形的內心，該內心的坐標點即為顧客的位置。獲得顧客的坐標點后結合超市的地圖信息即獲得了顧客的所在地理位置以及超市商品的擺放位置等信息。

圖5 WIFI尋路

Fig.5 WIFI wayfinding

4 結論（Conclusion）

基于RFID的智能超市購物系統實現了快速購物、快速入庫、防盜、快速尋路、商品信息來源查詢等功能，快速結賬功能極大的提高了顧客超市購物的速度，自主尋路功能減少了在超市中尋找商品的時間，此外，系統提供的二維碼掃描功能幫助顧客確認商品的來源渠道，提升顧客的忠誠度。針對超市管理人員，此系統在入庫、管理等方面提供大量自動化服務，可以減少超市的員工人數，縮減超市的支出。

后續研究工作將進一步著手于用戶的體驗感，將在超市選物環節中，增加地圖在線生成、物品貨品信息查看等功能，讓用戶獲取滿意、高效的購物過程。

參考文獻（References）

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[10] 一種基于WiFi的室內定位系統設計與實現.http：//tech.

rfidworld.com.cn/2012_05/f888fcc8780dd25b.html，2.

作者簡介：

成 杰（1989-），男，本科生.研究領域：計算機科學與技術專業.

賈 寧（1985-），女，碩士，講師.研究領域：嵌入式軟硬件設計.