基于RFID的智能購物管理系統設計與實現

賈 寧

(大連東軟信息學院計算機系，遼寧大連116023)

1 概述

超市購物是人們日常生活不可或缺的重要活動，超市作為人們生活中常用物品的主要來源之一，它需要利用少量的服務人員實現對眾多貨品信息的掌握和眾多顧客結賬流程的控制，其實現難度較大，因而針對超市購物過程的進貨、出貨問題成為近年來研究的一個熱點［1］。另一方面，顧客作為超市的主要收入來源，往往由于結賬速度過慢、服務態度較差等問題萌生對超市的誤解心理，影響顧客在該超市的購物量［2］，嚴重限制了超市的顧客流量，從而對超市的銷售額產生強烈的影響［3］。

射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)是一種新型的無線通信技術［4］，目前廣泛應用于公交、門禁、倉儲管理等方向。一套完整的RFID硬件系統由讀寫器和電子標簽構成［5］，通過讀寫器接收、修改電子標簽內部的數據，完成信息交互過程［6］。近年來，為提高超市購物速度、緩解顧客購物壓力，國內外學者提出將RFID技術融合至超市購物系統的全新思路，從根本上替代超市原有的條碼掃描機制［7］，但是該替代方案通常用于單個標簽掃描，而實際操作過程中一般需要大量電子標簽準確、快速地進行多重識別，即需要進行防碰撞處理［8］，處理過程將直接影響到RFID的整體性能［9］。由于多個電子標簽位于閱讀器的作用范圍內，當其同時發送數據的時候，會出現數據的干擾導致數據傳輸失敗，因此需要制定防碰撞算法來解決系統碰撞問題［10］。上述問題嚴重地限制了RFID技術在超市購物系統上的實際應用。

本文應用RFID技術對超市購物系統進行分析，提出一種多重識別策略，無需準確知道消費者的購物商品名、數量等參數［11］，而是通過該模塊對這些參數進行在線快速獲取，并即時顯示清單，陳列于終端之上，這種良好的獲取信息機制為它的實際應用帶來極大的便利［12］。在此基礎上，為了更好地抑制多重識別過程中產生的冗余識別、死角識別等問題［13］，本文對多種識別中采用的防碰撞算法進行改進［14-15］。

2 智能購物系統分析與設計

2．1 智能購物系統設計方案

本文將主要探討基于RFID技術的購物系統的具體設計過程。該系統集物聯網通信技術、數據庫管理技術、射頻識別技術于一體［16］，具有運維效率高、服務品質優良、進出貨便捷、結賬準確性高等優勢。

該系統主要包含以下部分功能:

(1)自助結賬

針對一類存在多重識別約束的系統，本文在對多種防碰撞算法進行分析，并考慮對冗余識別的處理方法后，確定采用一種新型的防碰撞算法進行設計，實現消費者在指定區域內部旋轉式快速結賬。

(2)自助進貨

基于自助結賬過程，超市服務人員將綜合各種進貨條件，優先選擇集中識別貨品信息。集中識別主要應用于體積較小、數量未知的貨品，通過RFID系統識別指定區域內部商品的數量，將數據保存至數據庫中。可針對無法限制指定區域中且數量已知的貨品進行人工主動識別。由于進貨過程與結賬過程相似，本文將不再贅述其實現過程。

(3)會員機制

本文系統采用會員機制進一步鼓勵頻繁訪問顧客的購物過程。每位會員將獲得標識該超市的RFID會員卡，通過引入積分、促銷、限購等機制提升超市的吸引域，并擴大超市購物群。

(4)防盜措施

為提升超市利潤，超市管理人員可減少監督服務人員數量，并采用RFID技術代替電子眼實現貨品的防盜管理。考慮到所有貨品將經過EXIT區域，可對結賬區域內的貨品信息進行特殊改寫，從而通過貨品內部信息區別非正常結賬物品，相對于傳統的條碼消磁策略，該方法可靠性高，且電子標簽可循環利用，符合現代的環保意識。

本文系統的方案設計如圖1所示。

圖1 本文系統設計方案

2．2 硬件設計

智能超市購物系統具有一個典型特點，就是要求具有快速且多重識別的能力，傳統的條碼掃描往往不能滿足要求［17］。采用RFID技術是摒棄傳統排隊結賬的一種新方案，它利用電子標簽與讀寫器之間的快速響應，實現比傳統條碼掃描更快的結賬效率。

基于以上考慮，本節將搭建基于RFID的購物系統模型，該模型主要由快速結賬和防盜兩部分組成。考慮到超市的購物規模，可將快速結賬和防盜模型并處于同一局域網中，兩者可傳輸數據，且相互獨立。

快速結賬具體硬件設計如圖2所示。

圖2 快速結賬硬件設計過程

如圖2所示，快速結賬硬件結構主要分為3個部分:RFID系統，ARM板和外圍設備。

(1)RFID系統

作為硬件結構的重要成員之一，本文系統使用PR9200超高頻RFID讀寫模塊，采用無線電信號來檢測固定區域內部電子標簽的信息和數量，在此基礎上，實現快速反饋信息至ARM板中，該系統包含3個子部件，分別為可供編程的讀寫模塊、天線及銜接底座。其中，讀寫模塊集成了高性能的RFID讀寫芯片PR9200，內置防碰撞算法主要用于信息檢測，天線作為信號的接收者，而底座用于前兩者間的銜接。

(2)ARM板

本文系統采用ARM Cortex-A8處理器，該ARM板主要用于 RFID系統數據的后期處理，它接收RFID系統的數據，在校驗處理后，為終端提供顯示的數據。其中燒錄系統運行必備的軟件系統。

(3)外圍設備

由于信號檢測必須在限定范圍內完成，因此本文設計了一系列外圍設備，如圖2所示，2個固定臺用于屏蔽范圍之外的電子標簽信號，旋轉器則用于及時調整貨品所在方位，便于提高讀寫的準確性。

防盜區域硬件設計過程如圖3所示。

圖3 防盜區域硬件設計過程

如圖3所示，防盜區域主要分為3個部分:RFID系統，ARM板和80C51單片機。

(1)RFID系統

此部分的RFID系統為防盜區域量身定制，此系統的開發原理與快速結賬基本一致，但使用機制恰好相反，此時的RFID系統并非用于獲取某時刻的可控區域內物品，而是將區域內的全部物品用于數據庫的檢測和對比，篩選出數據庫中未保留的物品，即未結賬物品，將警告信號發送至ARM板之中。

該方式的成功與否很大程度上取決于防碰撞算法的改寫思路和系統的刷新頻率。

(2)ARM板

本文系統仍采用ARM Cortex-A8處理器，它借助于RFID系統中獲得的信號來提取相關商品的詳細信息，并將警報信號發送至單片機和管理員通訊設備中，警報信號的強弱由輸入信號的數量決定，從而形成初步的防盜控制。

(3)80C51單片機

為實現警報模擬過程，本系統采用80C51單片機中蜂鳴器進行提醒，并結合LED進行輔助顯示，其中，ARM板中傳遞信號的強弱轉換為相應的表現形式，便于超市管理員觀察。

2．3 軟件設計

智能超市購物系統，以高品質的硬件設備作為保障，更需要輔以強大可靠的軟件系統。在軟件設計過程中，設計人員必須站在顧客、服務人員等使用者的角度上考慮問題。

由上節可知，本文系統使用ARM Cortex-A8智能終端平臺，該平臺配備完善的Linux操作系統，并內置有Qt 4．7平臺，本文在此基礎上進行軟件系統的開發與設計。

圖4描述了系統工作的總流程，其中關鍵技術涉及信息轉換、防盜、特殊判定處理等模塊。

圖4 系統工作流程

系統工作流程如下:

(1)信息轉換

如圖4所示，信息轉換作為軟件系統的重要環節，它主要實現RFID讀寫器到軟件系統的數據雙向流動，其中接口協議是其信息交換的標準，本文系統采用ISO 18000-7信息技術實現超高頻、多重信息讀取，同時規定標簽與讀寫器間的端口，標簽識別范圍較大。

其中，標簽內部的信息利用自定義的串口進行有效讀取，即0xBB為頭部信息，而0x7E為末位信息。為了實現快速讀取，在保證信號準確的同時，可預先對信號數據段進行規劃，在獲取讀寫器傳輸的信號后，按需獲取儲存標識信息的字段。圖5為從RFID標簽獲取的信息標準格式。

圖5 RFID標簽信息格式

(2)防盜處理與檢測

防盜處理在結賬時自動進行，該過程耗時較少且對顧客屏蔽。在對大量RFID標簽數據段歸類的基礎上，選定RFID標簽中載荷字段存儲防盜數據。利用RFID讀寫模塊進行無線廣播，即在所有標簽上進行標志位設定。

防盜檢測位于EXIT區域，利用防碰撞算法檢測出未結賬貨品時，依據其價值總額，對單片機蜂鳴器加之相對應的直流電壓。同理，可根據價值總額所屬區間將其轉換為LED燈數量，從而對單片機指示燈進行控制。

此外，防盜模塊會立即調用ARM箱上的GPRS模塊發送短信至指定Android或iOS手機中，短信內容包括時間、地點、價值總額等信息。

(3)特殊判定處理

在理想條件下，前期硬件、軟件設計可以實現電子標簽的快速處理，但綜合大量的實驗情況，該系統在冗余標簽和死角位置等方面存在一定的缺陷。貨品冗余是一種常見的現象，若貨品疊放且與讀寫器相互平行，則讀取的數量會出現誤差。在特定的情況下，貨品位于結賬區域且與讀寫器平行的角落，此時該貨品信息無法讀出。

為了將該系統真正應用于快速購物過程中，本文對此類特殊情況進行判定和處理。一方面，需要調用貨品數量過濾程序和邊界檢測程序，降低貨品數量提取過程中的重疊度。在進行多次檢測驗證的基礎上，過濾程序將在一輪識別后過濾重合的標簽信息和會員卡標簽信息，而邊界檢測程序主要用于判斷信息有出入的標簽，以此確保數據信息的正確性。另一方面，可以充分利用其他設備，如旋轉器等，調整貨品的方向，使貨品盡可能脫離讀寫器平面中心。

3 防碰撞算法的設計與改進

射頻識別系統主要存在3種不同通信形式。第1種是“無線廣播”，即閱讀器向作用范圍內的所有標簽發送數據。第 2種是“多路存取”［18］，即第1種形式的逆過程——閱讀器讀取作用范圍內的全部標簽信息。第3種是多個閱讀器同時給多個標簽發送數據。每個標簽包含唯一的“ID”，若多個標簽在同一閱讀器的作用范圍內，其信號相互干擾將產生數據碰撞，造成讀寫數據失敗［19］，為防止此類碰撞的產生，需要設計一系列的防碰撞算法。

根據本文系統的設計思路，本文算法主要針對前2種通信方式，分別應用于防盜信息處理和多重識別過程中。為避免出現實現過程中的不確定因素，如參數誤差、硬件設備因素以及空間干擾等，本文深入研究應用于RFID的防碰撞算法，以提高對于這些因素的適應能力。

3．1 多重識別

為實現多標簽快速、正確識別，在研究原有二進制防碰撞算法的基礎上，本文系統針對二進制搜索算法進行改進，主要體現在以下2個方面:減少閱讀器和標簽之間的通信數據，減少閱讀器對標簽的搜索次數。

(1)減少閱讀器與標簽之間的通信數據

閱讀器與標簽進行通信時，發送的二進制位數越少，碰撞位越小，節省傳輸數據的長度越多。在設計時，可在標簽里增加一個模擬計數器位，在開始搜索前，計數器值全部歸0。閱讀器第一次發送命令時，要求所有的標簽都做應答，返回各自的序列號，等閱讀器發現有碰撞時，分裂發生碰撞后的連續信息，把發生碰撞的最高位D位(最高碰撞位)發給所有標簽，計數器數值為0的標簽，檢測自己的D位，如果為0把剩余的序列號發給閱讀器，其他的標簽自動把自己的計數器加1，以此分出避讓等級。這樣每次閱讀器發送最高碰撞位時，就只有計數器數值為0，并且碰撞位為0的標簽應答，其他標簽的計數器數值加1，不做應答。這樣在閱讀器向標簽傳輸命令時只傳輸碰撞位的值即可，大大節省了傳輸數據的長度，減少搜索時間，從而提高效率。

(2)減少閱讀器對標簽的搜索次數

為了減少搜索次數，可在電子標簽里增加一位奇偶校驗碼。這樣原先的8位序列號，變為包含校驗碼的9位序列號。此時，電子標簽的序列號除了奇偶校驗碼之外，還包括一個唯一的ID信息，為提高檢索效率，可將校驗碼置于序列號最左側位置，此時，若需要響應閱讀器的讀寫指令，可事先對電子標簽進行分類，第1類的標簽ID信息包含奇數個1，而另一類ID則包括偶數個1。閱讀器對電子標簽進行搜索時，對應答碰撞位的數量進行合理判斷，如果碰撞位數為0，則直接獲取電子標簽信息，如果碰撞位數為2，則通過奇偶校驗位和已知標簽ID包含1的位數即可識別出這2個電子標簽的信息，搜索判斷就可以完成，從而大幅度減少搜索次數。隨著標簽越多，搜索次數降低得越明顯。

圖6為改進的二進制搜索算法流程。由于傳輸數據的改進，每次只傳輸最高碰撞位的位置，從而大大減小了傳輸的數據量;由于一位奇偶校驗位的引進，使得閱讀器的搜索次數大大減少。

圖6 二進制搜索算法流程

為了能夠更清晰地看到改進的二進制算法的優越性，表1將改進算法與原有算法的識別次數進行比較，分別使用10，20，40，80，160，200 個標簽進行測試。

表1 改進算法與原有算法識別次數比較

由測試結果可知，改進算法能夠大量減少標簽的搜索次數，隨著標簽數量的增加，其效果愈加明顯，從而大大提高系統的標簽識別效率。

3．2 防盜信息處理

以上的二進制搜索算法能夠提高系統的識別效率，在此基礎上，輔助“無線廣播”+“正常信息過濾”技術，從而實現超市系統的防盜機制。其中，無線廣播技術只需在上文介紹的算法“閱讀器與標簽進行交流”步驟之后，增加“閱讀器向標簽序列位書寫標志信息”一項即可。待全部標簽檢索完畢時，書寫信息同步完畢。

正常信息過濾過程類似于二進制搜索算法的逆過程，將第X位設置為固定標志信息位，反復讀取“第X位=0”的標簽信息，其余標簽設置為“休眠”狀態即可。同時，針對非正常標簽，系統將依照數據庫中已售商品信息進行二次比對，從而提高防盜處理環節的可靠性。

4 實驗結果與分析

仿照上文搭建的智能購物系統模型，使用Qt進行應用軟件設計，并進行實驗測試，主要考察正常/會員結賬過程效率、防盜過程的可靠性和其他特殊因素對系統的影響。

實驗1當大量含有標簽的商品經過結賬區域時，RFID系統識別時間與傳統的條碼掃描時間對比如圖7所示。

圖7 結賬效率測試結果

實驗2大量標簽同時經過結賬區域，初始條件:20，50，80，120種標簽，包含會員卡。此時的商品識別率實驗結果如圖8所示。

圖8 商品識別率測試結果

實驗3將未購買商品帶出超市。初始條件:2種商品未購買，與其他20，50，80，120種標簽同時位于EXIT區域。此時的實驗結果如圖9所示。

圖9 防盜測試結果

由圖7可知，RFID系統在結賬效率上遠優于傳統的結賬方式，從圖8、圖9可知，系統在結賬過程和防盜過程均具備良好的準確性和一致性，這在一定程度上驗證了本文建立模型和程序設計的正確性，且此系統能夠滿足日常生活所需，失敗率較低。此外，從這些結果中可以看出改進后的防碰撞算法對系統效率的改善非常明顯。

5 結束語

RFID技術是一項多學科交叉的新興研究領域，將RFID融合至超市購物環節，將促進物聯網在社會、經濟等多種方向的廣泛應用。本文從用戶和管理人員角度出發，將超市重要環節與RFID技術相結合，進一步提高超市的購物和管理效率。本文主要在以下4個方面進行研究:(1)考慮傳統形式的條碼掃描速度較慢，本文設計了快速識別特定區域內部標簽信息模塊，并采用改進后的二進制搜索算法，提高其識別效率。(2)將會員機制引入購物環節中，擁有會員卡的顧客將享受積分優惠等服務。(3)對于現有的購物系統，加入防盜策略，在特定區域內部未結賬的物品將被快速檢測，并通知相關人員。(4)通過實驗驗證系統設計過程的正確性。

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