基于RFID技術的智能購物車系統設計

李根，朱其祥

（安徽財經大學管理科學與工程學院，安徽蚌埠233030）

基于RFID技術的智能購物車系統設計

李根，朱其祥

（安徽財經大學管理科學與工程學院，安徽蚌埠233030）

智能購物車主要針對大型購物超市，可實現室內定位導航，使得顧客能夠快速的找到自己所需求的商品.在顧客購物時，通過嵌入式系統為顧客提供商品信息，并且根據搜索記錄和賬戶消費記錄，提供個性化商品推薦，提升顧客購物體驗.在每件商品上標記電子標簽，使得顧客在查詢商品和結算繳費時，無需逐個掃描，而是將購物車推進一個裝有無線射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）的高頻讀卡器的區域，通過掃描電子標簽同數據庫中數據進行比對計算，自動完成商品結算，通過網銀或移動支付（POS機、支付寶、NFC等）方式，從用戶賬戶上減掉消費金額，實現即時支付.

RFID；嵌入式；室內定位；即時支付

隨著社會經濟的發展，大型連鎖超市隨處可見，物品越來越齊全，種類也越來越豐富，但是對消費者來說，購買商品并不是一件輕松愉快的事.大型超市常常會出現結算付款的長隊，特別是在促銷活動或者節假日的結賬高峰期，會出現收銀臺阻塞的現象.有的顧客甚至直接放棄商品離開，這給超市帶來很大的損失[1].

在超市購物過程中，往往會出現顧客不易找到所需商品，商品信息不明確，排長隊付款等購物體驗差的問題.為了解決購物中的這些問題，幾年前，就已經有一些大型企業開始研發智能購物車.2008年，微軟開發并試行了MediaCart智能推車，顧客可以通過購物車上的顯示屏查詢到所需商品位置，并通過掃描商品價格直接算賬，這樣顧客不必在收款臺前排長隊[2].2011年，韓國最大電信運營商SK Telecom也推出智能推車[3]，與MediaCart不同的是，顧客可事先生成購物清單，購物時直接將購物清單同步至智能購物車上.

1 智能購物車系統概述

智能購物車以STM32芯片為核心控制系統，其中包括閱讀器、重量傳感器模塊、Zigbee無線通信模塊和語音模塊等構成，完成定位導航、商品查詢、即時支付、個性化推薦等功能，嵌入式系統的液晶觸摸屏為人機交互服務，如圖1所示.首先，顧客通過觸摸屏查詢商品并生成購物清單，智能購物車根據數據管理系統查詢到商品位置，并規劃出最佳購物路線，直接在購物車屏幕上顯示超市的電子地圖.接著，隨著購物車的移動,閱讀器將會自動識別商品上的RFID標簽信息,讀取商品上RFID標簽的內容，并定位所需商品.然后，將目標商品放入購物車內，RFID閱讀器和購物車內重量傳感器同時檢測，保證商品的100%識別率.最后，智能結算，從用戶賬戶上減掉消費金額，實現即時支付.

圖1 智能購物車系統框圖

當超市給貨架上貨時，工作人員給每個商品貼上電子標簽，通過后臺數據管理系統錄入此商品的詳細信息，并通過閱讀器寫入到相應的電子標簽里，并可以在促銷消息變化或者物品價格變化時隨時更新信息.同時也方便管理人員了解商品的銷售量、存貨數量、生產日期等消息，為進貨、促銷提供一些數據參考.

2 智能購物車的工作原理

2.1 RFID系統基本組成

RFID技術具有環境適應性強，可重復使用，傳輸范圍廣，可同時讀取多個電子標簽，可識別高速運動物體.因此，RFID技術將會成為21世紀改變我們生活的一項重要技術[4].RFID系統由電子標簽(Tag)、閱讀器（Reader）和數據交換與管理系統(Processor)三大部分組成[5]，如圖2所示.

圖2 RFID系統組成

一般來說,有兩種類型的RFID標簽：無源RFID標簽和有源RFID標簽.綜合這兩類電子標簽的優缺點以及成本，最終選擇無源電子標簽.如表1所示.

表1 RFID標簽比較

2.2 RFID定位原理

電磁波會隨著距離的增加，信號強度會非線性衰減，故閱讀器與標簽的距離可以利用接收信號的強度值來標定.RFID室內定位原理就是將接收信號的信號強度值（Receive Signal Strength Indication，RSSI）與距離擬合出對應關系，從而確定被測物體的位置.信號強度值與距離的對應關系式如2.2.1所示：

其中：d為發射端與接收端之間的距離；RSSI（d0）參考距離d0對應的接收信號強度；d0為單位距離，經驗取值為1m；n為電磁波信號損耗指數，與環境有關；X0為背景噪聲.

忽略背景噪聲的影響，則公式2.2.1簡化為式2.2.2.

經過多次實驗結果，本文中n取值為3.3，A取值為42.1dBm，MATLAB擬合出的信號強度值與距離的對應曲線，如圖3所示.

圖3 信號強度值與距離的關系

2.3 RFID定位算法

由于超市環境的復雜性，根據RSSI值計算的參考節點間的距離往往大于其真實距離，所以采用基于距離的質心定位算法[6].假設購物車獲取距離自己最近的3個電子標簽坐標分別為O1(x1,y1)，O2(x2,y2)，O3(x3,y3)，它們有效輻射范圍分別為R1，R2，R3，實際模型如圖4所示.

圖4 三角質心定位示意圖

由于受實際環境的影響，假設三個圓的交點分別為A，B和C，因此選擇該三點組成三角形的質心作為智能購物車的前進坐標，即點D.設點A的坐標為（xa,ya）,B(xb,yb),C(xc,yc)，則有：

由公式2.3.1求得點A的坐標為（xa,ya），同理可求出點B和點C的坐標值B(xb,yb),C(xc,yc).設點D的坐標為(xd,yd)，由三角形的質心公式可得，則有：

利用信標節點對未知節點的不同影響力來確定加權因子（1/（+）），進行加權質心算法定位，從而提高物體定位精度[7].設點D’的坐標為(，)，則有：

3 智能購物車的功能設計

3.1 室內導航

在超級市場購物時，商品琳瑯滿目，在沒有售貨員的指引下，很難找到自己所需商品，未規劃的購物路徑如圖4所示.所以，商品定位就顯得非常重要.由于G P S導航的精度問題，無法用在室內導航.通過建立數據庫和數學建模方式，智能購物車的顯示屏可顯示商場的詳細地圖，隨著智能購物車的不斷移動,閱讀器會自動識別商品上的R F ID標簽,并且讀取標簽內容.顧客添加完商品后，智能購物車自動規劃出最佳路線，節省顧客大量的時間和精力.規劃后的最佳路徑如圖5所示.

圖4 未規劃的購物路徑

圖5 規劃后的最佳路徑

3.2 智能結算

顧客列好的購物清單后，在液晶屏上顯示商品的相關信息，還可以進行同類商品的對比，方便顧客選擇適合自己的商品.智能結算，顧客將購物車推進一個裝有R F ID的高頻讀卡器的區域，自動完成商品結算.在避免漏刷商品方面，在購物車加了重量傳感器，用以檢測重量的增加，把購物車上的商品重量與數據管理系統中對應商品的重量參數對比，如果有遺漏，在清單上顯示即可.

3.3 個性化推薦

通過身份驗證，智能購物車直接建立各商品之間的相似度關系矩陣，就像各大網購網站推薦一樣，“購買了這個商品的人，還買了XX”.通過對顧客進行大數據分析，例如分析瀏覽和消費記錄，分析與你購買同一款商品的人，推算顧客將要購買什么，并在智能購物車上進行精準投送，為消費者推薦超市促銷商品以及一部分廣告.智能購物車為顧客推薦可能潛在購買的商品，同時也方便顧客及時了解促銷信息.

4 結語

本智能購物車具有定位導航、商品查詢、即時支付、個性化推薦等功能，除了給顧客帶來不一樣的購物體驗，同時也為商家構建了一個現代化的智能平臺，通過與后臺數據庫或云平臺的連接，可以完成商品從入庫存儲、出庫，上架，銷售，結算的全方位管理，也減輕了部分商家在推銷新產品方面所要花費的人力物力財力[8].

但是，R F ID的一些技術問題制約著智能購物車的發展，比如復雜的周邊環境，金屬產品等，對射頻識別存在一定的干擾，而且目前R F ID技術還達不到一次性掃描購物車里所有商品100%的成功率，故本購物車同時增加了重量傳感器，保證掃描的準確率.隨著物聯網的飛速發展，技術不斷革新，R F ID技術瓶頸將會不斷突破，智能購物車將會普及到各大超市.

〔1〕陳凈娟.從顧客損失角度研究某大型超市的現行結算方式[D].吉林大學,2011.

〔2〕何珊.微軟研發出智能購物車：算賬促銷二合一[N].新華每日電訊,2008-01-18007.

〔3〕于冬雪.“終極購物模式”來了？[N].南方日報, 2015-03-06C02.

〔4〕吳泳.無線射頻識別技術(RFID)及應用[J].長沙通信職業技術學院學報,2006（01）:45-50.

〔5〕顧毓豪.BG公司門崗人車進出管理方案可行性研究[D].東北大學,2010.

〔6〕Seidel S Y,Rappaport T S.914 MHz path loss prediction models for indoor w ireless communications in multifloored buildings[J].IEEE Transactions on Antennas&Propagation, 1992,40(2):207-217.

〔7〕郜麗鵬.基于ZigBee的加權質心定位算法的仿真與實現[J].傳感技術學報,2010,23(1):159-152.

〔8〕李金.大型連鎖超市的贏利模式研究[D].天津大學,2012.

TP368

：A

：1673-260X（2017）03-0019-03

2016-12-09

安徽財經大學國家級大學生創新創業訓練計劃資助(201610378129)；安徽財經大學2017年度大學生科研創新基金項目（XSKY1773）