基于RFID的無人超市系統(tǒng)優(yōu)化方案

◆侯東洋 楊梓靖 賈宇琛

基于RFID的無人超市系統(tǒng)優(yōu)化方案

◆侯東洋 楊梓靖 賈宇琛

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 河北 071001）

以無人店為代表的AI指導(dǎo)下的新零售業(yè)正在對傳統(tǒng)的零售業(yè)進(jìn)行沖擊，無人超市一詞漸漸出現(xiàn)在大眾視野中。基于目前競爭激烈的無人店熱潮，本文分析了目前無人超市對RFID技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀，并就這點(diǎn)對無人超市的管理服務(wù)層面提出了相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，完成了從身份識別進(jìn)店，信息綁定，商品導(dǎo)購，讀取商品信息到自動付款這一系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，很大程度提升了無人超市的管理能力和交互水平，為無人超市技術(shù)的普及發(fā)展提供了新的思路。

RFID技術(shù)；零售；無人超市；管理系統(tǒng)優(yōu)化

1 RFID原理簡論

無線射頻識別即射頻識別技術(shù)（Radio Frequency Identification，RFID），是自動識別技術(shù)的一種，通過無線射頻方式進(jìn)行非接觸雙向數(shù)據(jù)通信，利用無線射頻方式對記錄媒體（電子標(biāo)簽或射頻卡）進(jìn)行讀寫，從而達(dá)到識別目標(biāo)和數(shù)據(jù)交換的目的，其被認(rèn)為是21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ男畔⒓夹g(shù)之一。

無線射頻識別技術(shù)通過無線電波不接觸快速信息交換和存儲技術(shù)，通過無線通信結(jié)合數(shù)據(jù)訪問技術(shù)，然后連接數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，加以實(shí)現(xiàn)非接觸式的雙向通信，從而達(dá)到了識別的目的，用于數(shù)據(jù)交換，串聯(lián)起一個(gè)極其復(fù)雜的系統(tǒng)。在識別系統(tǒng)中，通過電磁波實(shí)現(xiàn)電子標(biāo)簽的讀寫與通信。根據(jù)通信距離，可分為近場和遠(yuǎn)場，為此讀/寫設(shè)備和電子標(biāo)簽之間的數(shù)據(jù)交換方式也對應(yīng)地被分為負(fù)載調(diào)制和反向散射調(diào)制。同時(shí)射頻識別技術(shù)也經(jīng)常泛用在人機(jī)互動和信息傳感等方面，是現(xiàn)在無人超市的AI設(shè)計(jì)最優(yōu)的技術(shù)媒介。

2 RFID室內(nèi)定位原理與實(shí)現(xiàn)

2.1 RFID定位的基本原理

通過一組固定的閱讀器讀取目標(biāo)RFID標(biāo)簽的特征信息（如身份ID、接收信號強(qiáng)度等），同樣可以采用近鄰法、多邊定位法、接收信號強(qiáng)度等方法確定標(biāo)簽所在位置。

這種技術(shù)作用距離短，一般最長為幾十米。但它可以在幾毫秒內(nèi)得到厘米級定位精度的信息，且傳輸范圍很大，成本較低。同時(shí)由于其非接觸和非視距等優(yōu)點(diǎn)，可望成為優(yōu)選的室內(nèi)定位技術(shù)。本文所述優(yōu)化方案采用近鄰定位法，通過兩個(gè)臨近基站對同一標(biāo)簽進(jìn)行掃描，將對應(yīng)距離數(shù)據(jù)進(jìn)行算法加工便可獲取有源射頻標(biāo)簽的相對位置（圖1）。

2.2 RFID定位實(shí)現(xiàn)方案

RFID定位部分主要由服務(wù)器、讀卡基站、有源標(biāo)簽設(shè)備組成。標(biāo)簽，內(nèi)置天線，每50ms進(jìn)行一次信息報(bào)送，實(shí)現(xiàn)信息的實(shí)時(shí)傳遞，其中包括標(biāo)簽的位置信息和商品信息。讀卡基站為基于有源標(biāo)簽的讀卡模塊DSR-M01的功能拓展，外接ESP8266wifi模塊，針對距離敏感性能夠進(jìn)行消失報(bào)警和信號指示（圖2）。本系統(tǒng)采用將基站貼墻掃描，進(jìn)行兩點(diǎn)間信息定位，并通過演示固件進(jìn)行模擬演示。采集信息上傳到服務(wù)器，對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，記錄歷史軌跡。

圖1 RFID近鄰法定位示意圖

圖2 讀卡基站模塊功能配置圖

3 RSSI距離算法原理與實(shí)現(xiàn)

3.1 RSSI算法原理及模型

作為一種全新的信息獲取和處理方式，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以應(yīng)用在廣泛的領(lǐng)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的大規(guī)模監(jiān)測和追蹤任務(wù)，而網(wǎng)絡(luò)自身的定位是大多數(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)。基于距離的定位是通過測量節(jié)點(diǎn)間距來實(shí)現(xiàn)的。利用RSSI測距只需較少的通信開銷和較低的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度，這在能量有限的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中是非常重要的。本文所提出的RSSI算法為一種理論模型，公式是通過大量實(shí)驗(yàn)佐證的小誤差經(jīng)驗(yàn)計(jì)算算法。

具體轉(zhuǎn)化公式為：

D（cm）=（RSSI（dBm）2）*P-L

其中：

D為根據(jù)信號強(qiáng)度轉(zhuǎn)換得到的距離，單位為cm。

RSSI為信號強(qiáng)度，取絕對值，單位為dBm。

P，L均為參數(shù)，與天線相關(guān)。

根據(jù)信號強(qiáng)度不同算法也可以分為以下四部分：

（1）如果信號強(qiáng)度大于等于L0（-22）dBm，則距離為0

（2）如果信號強(qiáng)度大于等于L（-41）dBm，按線性計(jì)算距離

distant = 100 * （L0 - rssi）/（L0 - L）;

（3）如果信號強(qiáng)度大于等于（-50），按拋物線1計(jì)算

distant = 100 + （rssi + 36）*（rssi + 36）*0.6 – 15；

（4）其他，則按拋物線2計(jì)算

distant = 1.6*（rssi + 34.5）*（rssi + 34.5） - 180.7。

3.2 算法實(shí)現(xiàn)方案

基站將數(shù)據(jù)上報(bào)上位機(jī)后，通過數(shù)據(jù)處理，使用系統(tǒng)固件獲取標(biāo)簽對應(yīng)的RSSI值，使用固件自帶算法，將RSSI值進(jìn)行空間距離的轉(zhuǎn)化，首先進(jìn)行標(biāo)簽可讀性測試，繼而對距離參數(shù)值的誤差進(jìn)行矯正，最后測試控制器對指定標(biāo)簽的命令下達(dá)。將每個(gè)基站所求RSSI值計(jì)算的距離d導(dǎo)入軌跡跟蹤固件，確定相對位置與空間x、y軸繼而計(jì)算標(biāo)簽出對應(yīng)的空間位置。

兩基站貼墻安置，以兩基站中點(diǎn)為平面坐標(biāo)軸的中心，根據(jù)兩點(diǎn)，兩線可求出對應(yīng)標(biāo)簽的空間位置（xn，yn）。距離算法固件，本系統(tǒng)固件一般存儲于設(shè)備中的電可擦除只讀存儲器EEPROM（Electrically Erasable Programmable ROM）或FLASH芯片中，可用刷新程序進(jìn)行升級的程序。擔(dān)任著軌跡顯示與距離檢驗(yàn)的最基礎(chǔ)、最底層工作的軟件。系統(tǒng)固件使用VC和C++軟件編程，內(nèi)置距離算法和空間位置算法。

4 身份認(rèn)證機(jī)制詳解

4.1 商品標(biāo)簽和IC識別原理

無源標(biāo)簽：RFID IC內(nèi)部有一個(gè)154位存儲器，用以存儲標(biāo)簽數(shù)據(jù)。IC內(nèi)部還有一個(gè)通導(dǎo)電阻極低的調(diào)制門控管，以固定頻率工作。當(dāng)讀卡器發(fā)出電磁波后，器件感電開始運(yùn)轉(zhuǎn)，將數(shù)據(jù)以曼徹斯特格式發(fā)送出去。門控管的開關(guān)頻率為70kHz，完成154位數(shù)據(jù)發(fā)送需要2.2ms，在發(fā)送完數(shù)據(jù)后標(biāo)簽隨即進(jìn)入100ms的休眠時(shí)間，期間不影響讀卡器對其他標(biāo)簽的掃描。

IC卡識別：當(dāng)有IC卡靠近讀卡器線圈時(shí)，諧振把能量感應(yīng)到IC卡內(nèi)部的線圈上，并對卡內(nèi)電容進(jìn)行充電，IC卡將以此作為電源通過負(fù)載調(diào)制的方法向讀卡器發(fā)送信息。不同IC卡產(chǎn)生不同的數(shù)據(jù)解碼。ID號寫在芯片內(nèi)部，不能進(jìn)行第二次更改。本系統(tǒng)所用IC卡為125kHz頻段下的卡種。

4.2 機(jī)制實(shí)施

通過對顧客IC卡的信息讀取，實(shí)現(xiàn)對顧客的信息綁定，實(shí)現(xiàn)商品引導(dǎo)。其中對顧客IC卡的識別采用NFC技術(shù)。近場通信（Near Field Communication），使用了NFC技術(shù)的設(shè)備可以在彼此靠近的情況下進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，通過在單一芯片上集成感應(yīng)式讀卡器、感應(yīng)式卡片和點(diǎn)對點(diǎn)通信的功能，利用終端實(shí)現(xiàn)移動身份識別功能。最終達(dá)到顧客的信用綁定，加強(qiáng)了無人超市的可控性，也為自動扣款做了進(jìn)一步鋪墊。

5 總結(jié)

在互聯(lián)網(wǎng)不斷發(fā)展的今天，尤其是向自動化發(fā)展的服務(wù)業(yè)，方便，快捷，準(zhǔn)確的自動化服務(wù)是必不可少。逐漸的，無人超市體系的逐步成型已經(jīng)成為社會趨勢和技術(shù)革新下的必然趨勢。在RFID、智能無人化技術(shù)的日益成熟下最終無人超市的成功也終將會變成世界人機(jī)AI互動技術(shù)成熟的最好印證。

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