基于RFID技術的無人超市系統設計與實現

文/晏軍 劉鴻源 曹陽

1 引言

近年來，國內外都出現了“無人超市”這一概念。亞馬遜的線下無人商店Amazon Go使無須排隊結賬的購物模式成為現實：刷手機進店、選購商品、拿貨走人。消費會通過顧客綁定的信用卡自動扣除。國內的阿里巴巴、京東同樣推出了自己的無人超市模式：阿里巴巴的“淘咖啡”、京東的“7Fresh”都已經投入測試與初步運營。當前市場上出現了多種多樣實現無人超市的技術，什么是無人超市，簡言之就是不需要導購員，也不需要排隊結賬的一種新型自主購物方式。目前無人超市的技術難題便是室內定位、自動計價結賬以及成本問題。本文講述了通過RFID技術（Radio Frequency Identification），即射頻識別技術，來實現建立一個完整的無人超市系統。

2 基于RFID的無人超市系統

通過RFID技術，即射頻識別技術，來實現自動計價和室內定位。無人超市模式的運行離不開射頻識別技術：RFID技術的支撐。射頻識別（RFID）是一種無線信息交換技術，可以通過無線電訊號識別特定目標并讀寫相關數據，而無需識別系統與特定目標之間建立機械或者光學接觸。RFID在現在已經取得了較為廣泛的應用，這項技術可以應用于通道管理、數據采集、身份確認系統、定位系統、智慧校園、智能交通，這項技術對于構建無人超市系統將是突破性的應用。

基于RFID的無人超市購物系統首先我們要實現的一是識別商品上的RFID標簽，獲取商品信息。當顧客將商品放入購物車后，讀寫器將實時掃描帶有RFID標簽的商品，獲得最新的商品信息。計算出最新價格以及重量信息，實現實時計重計價。二是要設計一個自助導購的功能，因此我們在無人超市系統中引入自助購物車，該購物車上攜帶RFID讀寫器。該讀寫器主要用于當顧客掃碼獲取RFID標簽后，車載讀寫器便可實時獲取標簽的位置信息，并且通過算法優化使定位精準到cm級別，解放顧客的雙手，為一些身體不便的顧客提供便利，也讓購物更加便捷。購物完畢，總價格以二維碼形式顯示，顧客掃碼付款。付款結束，待顧客取出購物車中所有商品后，購物車通過與基站通信，智能規劃路徑，實現自動歸位。在購物車的等待區設有無線充電系統，配合自帶電池，可提高購物車續航能力。由此解決了傳統超市的結賬慢、顧客等待時間長購物體驗差等問題，同時商家可減少雇傭的員工數量、節約成本，為顧客開啟一種全新的自主自助的購物模式。

3 基于RFID的商品實時計價系統技術實現

RFID讀寫器發射UHF（超高頻）射頻信號，當附著有無源RFID標簽的商品進入讀寫器感應范圍時，無源RFID標簽被激活，向RFID讀寫器發送自身特定數據，讀寫器經過計算、解碼后向MCU發送包含標簽EPC區數據、RSSI值等信息的、具有特定格式與時序的數據幀，MCU針對數據幀的格式與時序，采用與之匹配的算法獲取完整的數據幀，再從中提取出有用信息，構成實時的商品代號列表，結合后臺商品數據庫可以將所有商品信息發送到人機交互界面。此外，該算法具有實時性，購物過程中商品的增添與移除都可以在界面上顯示出來。當購物結束、顧客完成付款后，讀寫器對購物車中標簽進行失活處理，顧客便可以取出商品離開；若顧客攜帶含未失活標簽的商品通過檢測閘門時便會響鈴報警。算法的流程圖如圖1所示。

后臺數據庫方面，采用準用的倉庫管理系統對進行管理，可以輕松進行商品入庫、批量發卡、商品出庫結算等操作，極大程度降低了商品管理的時間與經濟成本。

4 基于RFID的室內無線定位系統的設計

現有的RFID定位技術中，大多數是采用多閱讀器接受信號進行強度檢測（RSSI）來確定目標位置從而實現定位。但是現有RFID讀寫器大多不帶有RSSI功能，帶有RSSI功能的讀寫器成本過高。若要保證整個無人超市的信號覆蓋，則需要在超市內安裝大量的讀寫器，其成本相對較高。而RFID標簽分為主動式與被動式，成本較低。所以綜合考慮，我們基于RFID室內定位技術，設計了我們的定位方案——基于參考標簽的旋轉式RFID室內定位技術。

4.1 無線定位的信號強度分析與實現

依據位置是否已知，可以將在室內定位系統中各個位置分為位置已知的參考點和位置未知的待測點。定位服務程序度量目標點位置的指標有信號達到時間（TOA）、信號達到角度（AOA）和接收信號強度（RSSI）等。TOA、AOA等技術對信號傳播環境要求十分嚴格，而室內環境存在著多徑效應和非視距傳播的影響，如大型超市中，商品琳瑯滿目，貨架密密麻麻，這些都將導致多徑信號到達接收端時具有不同入射角和時延，因而在室內環境中，這些指標有不可預測的誤差，且硬件開發成本較高。對比之下，RSSI檢測更為簡單，為削弱多徑影響，獲得較精準的信號強度，可多次測量取平均值。接收信號強度指示可依據信號在空中傳播時的衰減隨距離變化的關系，計算得出待測點和接收機之間的距離。

4.2 室內傳播模型

圖1：算法的流程圖

傳播模型法依據RSSI值與距離的關系，并結合三邊測量法，計算得出待測點的位置。在超市等其他室內場所中，到達接收機的信號除了直接視距傳播的電磁波外，還包括反射、繞射、散射及投射的電磁波，導致多徑效應，即接收機在同一時刻會接收到不同時延和相位及強度的電磁波，接收到的總的電磁波是各個分量的矢量和，因此，其衰減值和相位是隨時間改變的。下式是距離路徑損耗模型：

上式中，d代表收發機，即閱讀器和商品間的實際距離；Pr代表距離為d時閱讀器接收到的功率；Pt代表信號發射出的功率；PL(d)代表距離為d時總體的信號損耗功率；d0代表參考距離；PL(d0)代表距離為d0時的信號損耗功率（d0通常取1m）；n代表不同環境的傳播損耗系數，與室內環境有關，其取值一般在1.6～3.3之間；Xδ代表遮蔽因子，是一個服從均值為0，方差為 δ 的正態分布的隨機變量。

4.3 室內定位算法設計

基于參考標簽的旋轉式RFID室內定位技術，引入了參考標簽，采用接收信號強度指示（RSSI值）和測距法來實現室內定位。其核心思想是通過擁有RSSI功能的RFID讀寫器，固定在車體中央，向雷達一樣進行旋轉測量，讀取位置固定且已知的參考標簽距離來確定購物車空間位置。該系統采用了“k近鄰”算法，通過一系列計算和實踐，找到k個和待測標簽相鄰且符合特定條件的參考標簽，從而實現對目標位置的估算，提高了定位的精度，減少了閱讀器的數量，從而降低了成本。

5 結論

綜上所述，RFID技術可在毫秒級時間內得到精度為厘米級的信息，將它應用至無人超市自助購物車，再結合云服務器、后臺管理系統和移動終端應用程序等，實現無人超市系統是切實可行的。并且RFID技術已經發展成能夠加密信息，因此RFID技術在商業領域安全又邁出了一大步。未來，隨著社會的進步，人們對識別和定位技術的需求將越來越高，科技的發展和研究的深入也必將帶動定位技術水平的提升，無人超市等其他室內定位將更加精準、安全。