RFID 盤點技術的應用與實現

陳瑩星 廖程鵬

（銳捷網絡股份有限公司，福建 福州350002）

1 概述

當前市場上針對無人智能零售柜的方案，主要應用的技術有RFID、機器視覺識別、重力感應三種方式。機器視覺識別是通過視覺傳感器技術，結合深度視覺圖片學習算法，識別出顧客拿走的商品。該技術對商品的大小、擺放、高度以及光照等環境條件均有較嚴格的限制，支持商品的品類也有限；而且這種視覺識別技術投入成本高、前期回報率低等缺點。重力傳感技術是利用傳感器感應貨架上的重量變化，來檢測用戶行為，一旦出現重量相近的商品時候，無法準確的判斷具體的商品，準確率較低。而RFID 技術是通過每一件商品上所附著的RFID 標簽作為唯一碼來識別商品，通過標簽信息的變化來判斷顧客行為。基于RFID 技術的自動盤點技術具有識別速度快、成本少、保密性高、數據量等優點，但也會存在弱信號標簽導致標簽識別遺漏，進而發生錯單問題。本文主要通過研究輪訓頻點及功率的學習算法提高盤點的準確率，降低市場的投訴率。

2 RFID 技術

RFID，無線射頻識別技術，又稱為電子標簽（E-Tag）技術，是一種非接觸式的自動識別技術；具有非接觸式的信息采集、可實現自動識別和自動化管理的應用特點，并且可存儲數據、讀取距離遠、可同時對多個標簽[1]。它通過視頻信號自動識別目標對象，可快速地進行物品追蹤和數據交換[2]。

目前在RFID 盤點的協議中主要使用《射頻識別協議-第1類第2 代UHF 860 兆赫-960M 兆赫通信協議》，所使用的頻段是860M-960M 共計50 個頻點。RFID 的工作原理是標簽進入磁場后，接收讀寫器發出的射頻信號，憑借感應電流所獲得能量發出存儲在芯片上的信息;或者主動發出某一頻率信號,讀寫器讀取信息并解碼后，送到數據管理系統進行數據處理[3]。具體的原理如圖1 所示：

圖1

RFID 技術主要由標簽、閱讀器和天線組成。其中標簽(Tag)也叫射頻卡，它是由耦合元件和芯片組成。RFID 標簽又分為有源標簽和無源標簽，最為本質的區別是前者由內部電池供電，主要用于轉換電子標簽與讀寫器通信所需射頻能量；后者沒有內裝電池，在讀寫器覆蓋范圍內，依靠讀寫器發出的射頻能量提取工作所需的電源；當它離開讀寫器范圍時，處于無源狀態。RFID閱讀器(Reader)也叫讀寫器,主要由天線、射頻收發模塊、控制單元等組成，主要用來讀取標簽信息的設備。天線（Antenna）用在標簽和閱讀器之間傳遞射頻信號, 利用射頻收發模塊完成射頻信號的接收與發射。

3 RFID 技術在無人售貨柜應用與實現

RFID 技術在零售行業中的應用如圖2 所示：

圖2 基于RFID 無人零售售貨柜的系統模型圖

首先，客戶通過APP 掃描柜門上的二維碼，當服務器接收到該二維碼重定向請求時，會通過工控機發送開鎖指令，則柜門打開；然后，用戶挑出相應商品后，關閉柜門同時，工控機進行上鎖操作，同時通知閱讀器進行盤點操作。當盤點結束后，后臺服務器接收到到盤點數據，通過對比上一次盤點的結果，確認客戶所購商品；最后，服務器將結算商品數量和金額發送給客戶端APP，用戶進行付款的操作。至此整個的業務流程結束。而從RFID 技術角度來說，需在無人零售貨柜的每一層部署兩根天線，并且放入柜體內的所有商品貼上相應的RFID 標簽，通過閱讀器對每一層的商品進行盤點操作。這種方式的盤點技術投入成本較少，但是在使用過程中，由于商品擺放方式、拿取方式等因素均會影響到解算的準確率。在實際的使用中，錯單率時有發生，引來大量的投訴。

3.1 典型的RFID 盤點方案

設備首次上電后，啟動閱讀器，閱讀器采用微帶天線在固定的功率28dBm，固定的頻點上采用動態Q 算法循環讀取3 次商品的EPC 信息，然后將盤點到的結果數據如標簽EPC、信道、RSSI 等信息保存在數據庫中，作為初始的數據；當用戶關閉柜門時，重啟啟動盤點，將盤點到的結果與上一次的盤點結果做對比，發現缺失的標簽EPC 信息就被判斷為該商品缺失，默認為客戶拿走的商品。依此類推進行RFID 的盤點，基于這種方式的盤點，在內部測試過程中，我們采用單層擺放41 件商品如礦泉水進行模擬盤點100 次，發現有6-8 次，會存在2-3 個標簽難以被識別到，錯單率高達8%左右。通過分析發現在柜內環境下部分覆蓋方向存在某些極化方向上的弱覆蓋問題。為了改善這類問題，我們提出了基于輪訓頻點和功率的學習算法提高盤點的準確率。

3.2 基于輪訓頻點和功率技術的RFID 盤點方案

該技術的主要設計思路是通過增加頻率校準過程，尋找到天線最佳的盤點頻率，改變了原盤點方案中所有天線采用固定頻率盤點，從根本上解決適應了不同環境的變化；然后閱讀器根據缺少的標簽重新下發盤點指令的過程進行select 盤點，盤點時間為2s；select 盤點啟動時，從緩存區中取的目標標簽的best 和last 信息，先執行根據best 的盤點條件再執行last 的盤點條件[4]。通過這種方式，解決部分標簽由于環境引起的弱覆蓋問題，如圖3 所示：

圖3 基于輪訓頻點和功率技術的RFID 盤點流程

具體的實現過程如下：

a.我們根據大量的測試實驗后，得出閱讀器良好的盤點功率為23dbm，26dbm，28dmb 和33dmb；

b.當設備上電后，在固定的時間點如每天凌晨0 點，開始進行天線的校準，即每一根天線輪訓50 個頻點，找出每根天線盤點到的數量最多的EPC 信息的前5 個頻點作為校準頻點，如0號天線的A0,B0,C0,D0,E0 5 個頻點作為校準頻點；然后在后續的盤點過程中，均采用校準頻點進行盤點；

c.當找到校準頻點后，每隔N 分鐘（該值可設置）進行一次普通盤點，選擇0#天線A0 頻點分別在四個不同的盤點功率下進行商品盤點，然后在0#天線A1 頻點分別四個不同盤點功率下進行盤點，依此類推，直到所有的天線均完成盤點過程，在每次的盤點過程中，閱讀器會將盤點的天線號，對應的頻點、功率，盤點時上報的RSSI 信息記錄在緩存中；

d.當客戶關上柜門時，下發盤點指令，閱讀器將收到的所有標簽的EPC 與數據庫中的標簽信息進行比較。如果發現缺少的標簽EPC 信息，重新對該標簽下發盤點指令，這個盤點過程稱之為select 盤點；

e. select 盤點啟動時，閱讀器會保存每次盤點到的RSSI,功率等信息保存在緩存中，然后從緩存區中取的目標標簽的best和last 信息，先執行根據best 的盤點條件再執行last 的盤點條件。直到所設定的盤點時間結束。

f.如果沒有盤點到對應的標簽EPC 信息，則認為客戶購買了此商品，并生成相應的訂單信息發給客戶。

基于輪訓和功率方式的RFID 盤點的應用，通過頻率的校準，提供了每個天線的最佳頻率，改變了原來所有天線固有的頻點，提高盤點的次數；同時對缺失的商品信息進行select 盤點，從緩存區域中取出歷史盤點的最佳RSSI 的盤點條件和最近一次的盤點條件進行再次盤點，進一步彌補了因為盤點不充分導致漏盤現象，進而提高了盤點的準確率。

結束語

通過上述算法的研究實現，在實際的應用場景中，針對弱標簽的覆蓋問題引起的錯單現象明顯降低。而且在實驗環境下，通過同樣的方式進行模擬測試，41 件商品，盤點100 次，僅出現一次漏盤一件商品的現象，比原算法盤點的準確度有顯著提升。