應用NFC技術的超市支付系統設計

(常州大學信息科學與工程學院，江蘇 常州 213164)

0 引言

隨著城鄉一體化的發展，我國城鎮人口數量日益劇增，同時大型超市的數量也隨之增加。大型超市給人們帶來便利的同時也存在許多問題，結賬排隊問題尤為突出。如何提高結賬效率是亟待解決的問題。國內外不少研究人員對此展開了研究，提出了多種改進方法，但是目前提出的方法依舊存在許多問題。文獻[1]～[2]提出一種消費者通過手持掃描設備對自己的購買商品進行掃描，然后到收銀處一次性導入來提高收銀效率的方法。該方法在一定程度上縮短了排隊時間，但是它增加了消費者的工作量，缺乏人性化。文獻[3]應用射頻識別(radio frequency identification，RFID)技術對商品信息進行掃描，收銀部分依舊采用傳統的人工收銀。該方法提高了掃描效率，但是沒有解決人工收銀中找零麻煩的問題。文獻[4]提出自動出納機 (automatic teller machine，ATM)原理和嵌入式系統相結合的方案。該方法在一定程度上實現了收銀自助化，但是仍不夠完善。為實現掃描速度和收銀快捷性的有機結合，本文提出一種基于近距離無線通信 (near field communication，NFC)和RFID融合技術的超市支付系統[5-7]。RFID技術實現商品信息的快速掃描，NFC技術實現快速電子支付。兩者的有機融合能很好地克服目前超市收銀系統的缺陷。

1 系統硬件設計

系統硬件采用模塊化設計方案。系統主要由NFC支付單元[8-9]、RFID閱讀單元[10-11]、液晶顯示屏、紅外檢測單元、鍵盤單元、門禁控制單元以及壓電轉換單元等組成。其中，NFC支付單元設置于支付區內，通過有線或無線與云計算平臺連接。RFID閱讀單元由設置于支付區內的3個RFID閱讀器平行排列組成。液晶顯示屏設置于支付區內，用于實時顯示商品信息，并通過語音提示顧客確認購物。紅外檢測單元分別設置于等待區和支付區內。整個支付區域分為等待區和支付區，等待區和支付區通過第一門禁隔開，支付區的邊界由第一門禁和第二門禁限定，通過門禁控制單元的有效控制實現顧客支付流程的控制。

系統硬件結構如圖1所示。

圖1 系統硬件結構框圖

1.1 門禁控制電路

嵌入式微控制器通過I/O口高低電平控制9014的通斷，從而調節繼電器電流的通斷，實現門禁的開關控制。具體門禁控制電路如圖2所示。

圖2 門禁控制電路

控制電路通過施密特觸發器HCF40106BM1對波形進行整形，預防波形失真造成誤開門。為了預防電荷積累過多損壞9014，在9014集電極增加1N4007進行電流引導；同時為了防止9014被擊穿，在基極增加電阻R21進行限壓。

1.2 支付天線設計

天線設計采用單層圓角矩形線圈，通過在激勵處串聯一個電阻R和電容C獲得13.56 MHz匹配頻率。通過高頻結構仿真(high frequency structure simulator，HFSS)軟件得出仿真天線Smith圖。經試驗驗證，當R=50 Ω、C=26.5 pF時，散射參數最低點最接近13.56 MHz。具體匹配參數：外圈長度為35 mm、外圈寬度為23 mm、線寬為0.6 mm、線間距為0.4 mm、引線間距為3 mm、介質板厚度為0.1 mm、線圈數為5、介電常數為3.5。

1.3 壓電轉換單元

壓電轉換單元由鋪設在購物支付通道口附近的壓電材料組成，對消費者及購物車壓力變化產生的能量進行收集，用于降低市電的消耗，使得斷電時電能得到及時補給，確保消費者順利結算，提高系統的穩定性。具體轉換電路如圖3所示。

圖3 壓電轉換電路圖

首先壓電陶瓷(piezoelectric ceramic transducer，PZT)產生壓電效應，電能通過整流電路將電信號轉換為單相電能；然后通過超級電容CP暫存能量；最后通過電壓轉換電路獲得穩定的3.3 V電壓。

1.4 紅外檢測單元

系統紅外檢測單元采用人體感應模塊DYP-ME003。DYP-ME003主要由紅外探頭、菲涅爾透鏡、BISS0001調理芯片組成。DYP-ME00的3個引腳依次為工作電源、電平輸出、地線。當檢測區有人出現時，第二引腳輸出3.3 V電壓，反之為0 V電壓。第二引腳與控制器的I/O相連接，通過判斷電壓的高低來判斷是否有人。系統中采用了2個人體感應模塊，其中一個置于等待區，另一個置于支付區。

2 系統軟件設計

2.1 軟件系統結構

超市軟件系統結構如圖4所示。

圖4 軟件系統結構框圖

軟件系統由通信子系統、超市管理子系統、能源供應子系統、商品預購子系統、結賬子系統、門禁子系統和報警子系統組成。其中，通信子系統由無線網和有線網有機結合，用于完成各個子系統之間的通信以及與云計算平臺的通信；超市管理子系統用于庫存報表、營銷報表的自動制作；能源供應子系統用于超市系統能量的正常供應；商品預購子系統用于消費者對超市商品的預購；結賬子系統和門禁子系統相結合，用于控制消費者支付結賬；報警子系統用于預防消費者誤帶商品出超市以及設備故障報警。

2.2 系統主流程

系統由等待區和支付區兩部分組成，兩區的控制通過門禁設備在控制器協調下完成，同時等待區設有商品回收臺，便于對顧客不想購買的商品進行回收，極大地方便了顧客。系統軟件在Linux操作系統的基礎上展開研究，其主流程如圖5所示。

圖5 系統主流程圖

RFID閱讀器由3個閱讀器并排組成，前兩個RFID閱讀器狀態由等待區的紅外檢測器監測結果決定。當檢測器檢測到等待區有人時，激活支付區內前兩個RFID閱讀器。如果第二個閱讀器相對第一個閱讀器有新數據時，激活第三個閱讀器，并進一步讀取電子標簽，以確保讀取的準確率。

2.3 NFC支付流程

實時NFC支付流程圖如圖6所示。

圖6 NFC支付流程圖

3 系統優化

系統分別從實時性、安全性和穩定性3個方面進行優化。

① 實時性

為了增強 Linux 的實時性，對 Linux內核中的剝奪補丁和實時調度器進行修改。剝奪補丁通過修改spinlock(旋轉鎖)和中斷返回代碼來實現增強內核實時性，保證內核運行的正確性和健康性。當spinlock 釋放和中斷返回時，剝奪補丁能有效減少喚醒事件發生和設置 need_resched 標志之間的時間。

② 安全性

首先在Linux平臺設計移動可信模塊(mobile trusted module,MTM)驅動程序；然后用Hash函數和認證碼算法來架構NFC近場支付的安全、高效商務形式，代替了可信移動平臺(trusted mobile platform，TMP)標準方案中的數字簽名和驗證算法，實現移動NFC近場支付。

③ 穩定性

為了提高系統供電穩定性，在供能單元增加了壓電轉換設備，通過鋪設在購物支付通道口附近的壓電材料，對消費者及購物車壓力變化產生的能量進行收集，以降低市電的消耗和完成斷電時電能的及時補給，確保消費者順利結算。

4 結束語

基于NFC技術和RFID技術的超市支付系統，具有穩定可靠、實時性高、安裝維護方便、結算效率高等優點，但是離廣泛投產應用還存在一定距離，主要影響因素如下。

① 電子標簽價位高。目前市場電子標簽均價在2元左右，對于低價商品來說成本較高。但隨著電子標簽材料技術的改進，其成本將大幅度降低，該成本將不是主要考慮的成本。

② NFC技術終端研究相對較少。雖然現在國內外有不少廠家已開發出帶有NFC功能的便攜設備，但是NFC終端開發沒有跟上，這嚴重阻礙了NFC移動支付功能的廣泛應用。

雖然本支付系統支付方法離廣泛推廣具有一定距離，但是據市場研究公司IDC預計，到2017年全球移動支付的金額將突破1萬億美元，其中有25%來自NFC移動支付[12]，這足以看出本系統具有較好的市場前景。

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