基于RFID的智能咖啡館系統設計

張 洋，劉建粉

（平頂山學院，河南 平頂山 467000）

0 引 言

隨著中國市場經濟的高速發展，越來越多的上班族和學生愿意去咖啡館消費。目前，中國的咖啡市場正在進入一個快速發展的階段。據相關數據顯示，2018年中國人均咖啡消費量6.2杯，與發達國家相比，中國人均咖啡消費量僅為美國的1.6%。2018年中國咖啡行業市場規模為569億元。隨著我國人民生活水平的提高和對咖啡文化認知程度的增長，加之巨大的人口紅利，都可能刺激國內咖啡消費，預計2023年中國人均咖啡消費量為10.8杯，咖啡市場規模為1 806億元[1]。在咖啡館高速發展的同時，咖啡館行業仍普遍采用人工管理方式。伴隨著咖啡館規模和顧客數量增加，人工管理模式無論是在工作效率還是成本上都難以適應現代化的企業發展需要。為有效解決此類問題，本文基于物聯網思維，將RFID技術、傳感器技術、數據庫技術等結合在一起，設計實現了一個智能咖啡館管理系統。

1 總體設計

基于RFID應用的會員卡消費模式更有利于咖啡管的正常運營發展。因此，智能咖啡館管理系統采用RFID技術對原材料和消費人員進行管理，同時和物聯網智能控制相結合，對咖啡館環境的安全舒適度進行監測控制，系統總體設計如圖1所示。在咖啡館開業之初，對每一位顧客發放裝有RFID標簽的會員卡，并提前初始化會員卡的信息，同時錄入顧客信息。收銀臺裝有RFID 讀寫器對每一個顧客的會員卡進行讀寫錄入，摒棄繁瑣的傳統現金支付，采用RFID技術，明顯更利于咖啡館未來的發展。同時，在每一個咖啡原材料和產品包裝上安裝電子標簽，引用EPC編碼系統，以RFID電子標簽為載體，實現多元化數據采集。從而有效提高供應鏈管理水平、降低物流成本、增強產品安全，建立一個高效的咖啡原材料、產品流動監測網絡。在餐廳中安放遠程遙控開關，可以對室內的風扇、加濕器噴頭、照明燈、窗戶等進行遙控控制。在咖啡館中安放多種傳感器對室內環境進行測量，檢測室內當前的溫度、濕度、光照強度，并進行實時顯示。還可進入智能調控安全模式，系統會根據室內有無火焰、有無煙霧等，自動選擇是否打開消防噴頭、窗戶等，從而構建一個安全、舒適、智能的咖啡館環境。

圖1 系統總體框架

1.1 會員卡服務

系統需要對進入咖啡館消費的顧客辦理會員卡服務，把用戶的手機號、姓名等信息填寫進顧客的卡中。每次顧客進店，在收銀臺裝有的RFID讀寫器都可對會員卡進行消費和充值服務，顧客還可自主進行余額查詢，使消費變得高效快捷。當顧客信息發生變化時，管理人員可以通過系統對信息進行修改等操作[2]。

1.2 授予權限與加密

與智能咖啡館相關的人員根據需要分別配備不同類別的電子標簽，標簽類別不同，對應數據操作權限亦不同。顧客為A類權限，此類用戶只具備讀取、支付功能。工作人員具備B類標簽，此類用戶具備訪問系統數據庫、操作改變咖啡館環境，如開燈、通風、加濕等權限。最后一類是臨時用戶，具備C類權限，主要是貨物配送、維修人員。C類權限用戶不需要具備數據庫的讀寫和操作環境等權限，但要具備臨時打開貨倉門、工作室門等權限。當C類用戶的數據執行過一次后，會進行自動數據清空，當相關人員在不經過允許的時間里再次嘗試進入咖啡館工作室、貨倉時，會進行自主拒絕。咖啡館運營者通過邏輯加密，對這些用戶權限進行讀寫。

1.3 咖啡館環境控制與安全防護

咖啡館環境控制首先需要連接到網關，之后可在控制臺選擇三種模式：手動控制、自動安全防控和數據檢測。在手動模式中，可對智能咖啡館的照明系統、風扇、窗戶和加濕裝置進行遠程控制。在自動安全防控模式下，當打開檢測火焰或者檢測煙霧的開關時，就能自動檢測咖啡館內的煙霧含量和火焰是否出現。當出現火災時，不需要人員的控制，就可以自動的打開消防噴頭，對火災進行控制。在出現大量煙霧時，也能自主的打開窗戶。這種智能防控裝置不需要人員調控就能自主進行反應，大大地提高了咖啡館的安全性和智能性。同時在每個產品和原材料包裝上安裝了電子標簽，結合EPC技術，對每一個產品的出售、原材料的獲取都有跡可尋，為后面的數據分析提供基礎支持。在數據檢測模式下，智能咖啡館內安裝的溫濕度傳感器、光照傳感器等，可實時顯示室內溫度、濕度和光照強度，便于人員調控室內環境，為顧客提供更加舒適的消費環境，增加顧客體驗度，促進消費和推廣，使智能咖啡館更加具有知名度。

2 硬件搭建及核心技術

2.1 智能咖啡館系統硬件選型

智能咖啡館系統的硬件主要包括：12 V電源、基于ST25R3916芯片的RFID 讀寫器、RFID電子標簽、網關、DHT11溫濕度傳感器、煙霧傳感器、火焰傳感器、光照強度傳感器。

2.1.1 基于ST25R3916芯片的RFID 讀寫器

系統中使用的RFID讀寫器既需要滿足靈敏度要求又需要保證低功耗，故選擇使用基于ST25R3916芯片的RFID 讀寫器。ST25R3916具有高射頻輸出功率，可直接高效驅動天線。它包含一個低功率電容傳感器，可在不打開讀取器字段的情況下檢測卡的存在；另外，可以通過執行天線信號的幅度或相位的測量來檢測卡的存在。它還包含一個低功耗RC振蕩器和喚醒定時器，可以在選定的時間段后自動喚醒，其在低功耗應用中使用廣泛。ST25R3916芯片的優良品質充分滿足了設計需求。

2.1.2 DHT11溫濕度傳感器

本設計需要實時檢測智能咖啡館的溫度和濕度，需要有卓越的穩定性和低功耗，而又不需要太高的精度，所以選用DHT11溫濕度傳感器。DHT11數字溫濕度傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，它采用數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，可確保產品具有極高的可靠性和卓越的長期穩定性。該產品具有品質良好、響應速度快、抗干擾能力強、性價比高等優點，非常適合智能咖啡館檢測環境的使用[3]。

2.2 核心關鍵技術

2.2.1 RFID射頻識別技術

射頻識別（Radio Frequency Identification, RFID）是物聯網中一種非接觸式的物品自動識別技術，通常由電子標簽，閱讀器和后端數據庫三部分構成。后端數據庫存儲標簽和閱讀器的信息，閱讀器讀寫標簽數據。RFID技術可一次識別多個標簽，且成本低，耐久性好，因此在交通、物流、醫療等眾多領域有著廣泛的應用[4]。采用無線射頻識別技術進行咖啡館產品的銷售，可以有效地增強咖啡館日常銷售的效率。通過RFID進行非接觸式的信息采集、信息傳遞，從而自動識別目標對象，可快速地進行會員卡的消費、充值服務，方便工作人員的管理和監測控制。

2.2.2 EPC編碼實現產品跟蹤

EPC又被稱為產品電子標簽，是國際條碼組織推出的新一代產品編碼體系[5]。它以RFID電子標簽為載體，通過對單體的數據進行跟蹤、收集、傳遞等來實現狀態信息的實時共享和智能化信息分析。EPC能夠充分融合于物聯網技術之中，對物聯網的感知、識別等層面產生促進效果[6]。EPC編碼結構見表1所列。

表1 EPC編碼結構

2.2.3 數據庫技術

數據庫技術作為數據管理和應用的重要手段，已成為各行各業數據處理、數據資源共享、信息化服務的重要基礎和核心。在物聯網時代發展背景下，數據庫存儲與管理技術在數據傳輸與應用過程中發揮著不可替代的作用，可以在很大程度上提升信息利用率，同時實現信息共享[7]。本設計使用SQL Server數據庫管理系統來存放RFID電子標簽信息，并通過設計電子標簽信息管理模塊、感知終端設備信息管理模塊以滿足智能咖啡館管理的具體需求，從而進行數據存儲和數據分析。

3 軟件設計與實現

3.1 數據庫設計

智能咖啡館系統中的電子標簽信息管理模塊包括一張用于儲存電子標簽UID、用戶余額、地址、手機號等數據的表單。該表單以用戶UID為主鍵， 每個用戶UID對應一條不重復的記錄，必須通過B類卡片的UID才能登錄系統進行管理、控制[8]，具體設計見表2所列。感知終端設備信息管理模塊通過串口將傳感器獲取的數據解析后，采用ADO的方式存入SQL Server數據庫，并且數據庫能夠存儲店中人數、室內溫濕度數據，具體設計見表3所列。產品外銷信息和原材料追蹤數據信息極大，將這部分數據建立一張表，將產品的UID設為表的主鍵，進而跟蹤產品或原材料的信息，具體設計見表4所列。

表2 電子標簽數據表

表3 感知終端設備數據表

表4 產品及原材料數據表

3.2 獲取RFID電子標簽數據

首先設置波特率，調用OpenSerialPort打開串口，采用RFID讀寫器將信息通過串口傳輸到終端。當讀寫器接觸到電子標簽時，觸發中斷[9]，打開RFID讀寫器，搜尋天線區內所有卡，得到卡類型。當檢測到電子標簽時，RFID讀寫器進行防沖撞，之后進行卡片選取，將此卡片的信息與SQL Server數據庫表中的主鍵信息相對應，檢測出電子標簽的權限類型，從而進行數據庫相應權限的操作。

3.3 智能環境控制

智能環境控制過程如下：將咖啡館內感知識別設備讀取的環境數據通過串口傳遞到終端設備上，之后經過數據分析，終端自主進行反應，并發送到執行器上，進行控制操作，從而實現智能環境控制[10]。程序執行流程如圖2所示。

圖2 智能環境控制流程

4 結 語

本文基于物聯網思維，將RFID、傳感器、數據庫等技術應用于咖啡館日常管理中，設計實現了一個智能咖啡館系統。充分迎合了當今時代咖啡館發展方向，解決傳統管理模式整體科技含量低的問題，提高了管理效率，并構建出一個安全、智能、舒適、便捷的智能咖啡館休閑環境。

注：本文通訊作者為劉建粉。