基于RFID的智能超市購物系統設計

邢婷婷

福州工商學院, 福建 福州 350700

0 引言

隨著我國物聯網、互聯網以及移動支付等技術的發展,人們越來越喜歡網上購物。網上購物不僅可選取心儀的商品,也無需排隊等候付款,這給實體超市常來較大的沖擊。然而網上購物往往伴隨著一些商品質量問題,因此,若改善實體超市的購物環境,提高顧客購物效率,即可提高實體超市的顧客量和銷售額。為解決實體超市排隊付款等問題,本文提出將射頻識別(radio frequency identification,RFID)技術融合至超市系統的新思路。

目前RFID技術更多的是運用于門禁、倉儲管理等方向。近幾年,利用RFID技術替代超市原有的條碼掃描機已有部分學者開展研究,例如李根 等[1]提出的基于RFID技術的智能購物車系統,可實現室內導航、商品查詢等功能。汪陽[2]提出的通過RFID識別商品的電子標簽中的信息,可實現身份識別、信息顯示、宣傳、導航等功能。賈寧[3]提出的智能購物管理系統,解決了大量電子標簽準確、快速進行多重識別。

本文根據RFID技術以及對超市系統的分析,結合之前的研究,進行智能超市購物系統設計,系統包含電源電路、紅外探測電路、RFID系統、數據通信電路、Wi-Fi聯網電路等模塊,可實現數據的實時傳輸,自動完成商品價格的錄入與結算、門禁控制及自動生成付款碼,簡化了顧客的結賬流程,縮短了等候時間。

1 總體設計

本系統以線下超市為設計主體,將廣泛運用于快遞等行業的RFID技術,應用于超市購物系統中,利用RFID的高頻讀卡功能提高顧客結賬效率。系統包括RFID系統、主控芯片電路、紅外探測電路、數據通信電路等。本系統以STM32單片機作為中央處理器,當顧客攜帶有RFID標簽的商品進入紅外感應區域時,門禁打開,進入收銀區域。收銀區域檢測到顧客進入,關閉收銀區入口,RFID系統讀取商品上的電子標簽ID號,并將信息傳輸給主控芯片,主控芯片將商品信息上傳服務器,依據電子標簽ID號,與數據庫中的商品進行對比得到商品的數量和價格,并將信息顯示在收銀室顯示屏上待顧客確認,確認后生成付款二維碼供顧客掃碼支付。智能超市購物結賬流程如圖1所示。

圖1 智能超市購物結賬流程

2 RFID系統

2.1 主要技術

2.2 基本原理

RFID系統由電子標簽、讀寫器、天線組成,其中電子標簽和讀寫器為關鍵部分。RFID標簽具有唯一的ID號,可用來區別不同的商品,讀寫器用于讀取或寫入標簽中的商品信息。在工作中,當標簽進入讀寫器的范圍后,讀寫器對其覆蓋范圍內的電子標簽發射能量,用于激活它們來進行發送和修改數據,標簽的感應元件接收發來的射頻信號,憑電流的感應獲得部分能量發送出標簽中的商品信息,讀寫器讀取信息并解碼后,傳輸給控制系統,再進行數據處理[5]。其中,電子標簽分為有源標簽、半有源標簽和無源標簽3類,考慮到超市的利潤及成本,本設計采用無源標簽。

3 系統模塊設計

3.1 主控模塊

本設計綜合考慮了資金、功耗以及穩定性等多方面因素,最終確定將STM32F103ZET6單片機作為系統的核心控制器件。STM32F103ZET6是基于ARM Cortex-M3的32位微控制器,其具有72 MHz CPU的速度和高達1 MB的閃存。該芯片具有64 KB SRAM、512 KB Flash、11個定時器、2個12通道DMA 控制器、3個SPI接口、2個 IIC接口、5個串口、1個USB、1個CAN、3個12位ADC、2個12位DAC、1個SDIO接口、1個FSMC接口以及112個通用IO口。該芯片具有低功率、低電壓的性能,并結合了實時功能,滿足了對紅外探測電路、門禁電路、數據通信電路等模塊的端口分配。

3.2 電源電路

系統各器件所需工作電壓為12、5和3.3 V。利用外接電源適配器將220 V市電轉為12 V直流電,12 V直流電利用LM2576S芯片進行降壓,輸出5 V直流電。LM2576系列開關穩壓集成電路具有可靠的工作性能、較高的工作效率和較強的輸出電流驅動能力,能為MCU的穩定、可靠工作提供強有力的保證[6]。它可提供3.3 V(-3.3)、5 V(-5.0)、12 V(-12)、15 V(-15)及可調(-ADJ)等多個電壓檔次的產品。

5 V直流電可通過AMS117穩壓芯片降壓,提供3.3 V電壓,AMS1117是一個正向低壓降穩壓器,常應用于高效率線性穩壓器和開關電源穩壓器電池充電器活躍的小型計算機系統[7]。固定最大輸入電壓為15 V,輸出電流為1 A,可輸出穩定電壓3.3 V。

3.3 紅外檢測電路

紅外檢測電路主要針對智能超市進出門以及人體紅外雷達檢測,當顧客選購完商品進入紅外感應區域時,紅外傳感器檢測并傳輸給主控模塊,控制入口閘門的開啟;當顧客進入收銀區域后,入口閘門關閉,RFID讀卡器啟動,進行商品標簽檢測及計算商品價格,待顧客掃碼付款后開啟出口閘門;若顧客超時未付款,則提示顧客返回入口處,重新進行商品檢測;若顧客未購買商品,則檢測不到商品標簽,出口閘門打開,待顧客離開后關閉閘門。本系統可設置3處紅外檢測,負責檢測顧客的位置信息。

3.4 門禁驅動模塊

門禁驅動模塊由三極管進行控制,本設計選用PNP型三極管8550,三極管發射機接3.3 V電源,集電極接繼電器。當紅外檢測電路檢測到有人時,將信號傳輸給主控,主控電路控制三極管基極為低電平狀態,此時三極管導通,繼電器工作,門鎖打開;若基極為高電平狀態,則三極管截至,門鎖關閉。門禁驅動電路如圖2所示。

圖2 門禁驅動電路

門禁驅動電路采用反饋電路,將門禁的開關狀態反饋給主控,反饋狀態通過NPN型三極管給出。當門鎖處于鎖定狀態時,門鎖反饋端兩端子短接,三極管處于截至狀態,此時連接集電極的端口為高電平,將門禁判定為鎖定狀態;當門鎖為打開狀態時,三極管導通,此時連接集電極的端口為低電平,將門禁判定為打開。通過對反饋信號的判斷,主控模塊可隨時了解進門和出門的開關狀態,確保整個付款流程的順利進行。

3.5 數據通信電路

當標簽進入特定區域時,通電的讀卡器發出高頻電磁信號,標簽的感應元件接收其發出的射頻信號,獲取相關的商品信息,獲取到的信息通過RS232串口與上位機進行通信。RS232母頭焊接封裝主要負責讀卡器和主控芯片的通信,其中3腳為接收端,4腳為發送端,1腳接地;公頭焊接封裝主要負責上位計算機的連接,其中2腳為數據接收端,3腳為數據發送端,5腳接地。

林露白和魏舟也一樣，只是他們的遺憾不一樣，魏舟的遺憾大概是他沒能實現曾經許下的諾言，要帶林露白去一趟敦煌；林露白的遺憾是，他們分手前搬進那間小兩居時，她買了一件特別好看的圍裙，一次也沒穿過，她曾想過很多次，要穿著那件圍裙和魏舟一起煮飯，鍋里咕嘟咕嘟地煮著湯，冒著熱氣的廚房里，兩個人一邊煮飯一邊說笑，不經意地接個吻，想想都美好。

系統所用單片機的引腳輸出為TTL電平,TTL電平和RS232電平無論在電壓范圍還是在極性上都有很大的不同,因此需要使用專為RS-232標準串口設計的單電源電平轉換芯片MAX232進行轉換。

3.6 Wi-Fi聯網電路

RFID系統讀取商品上的電子標簽ID號,并將信息傳輸給主控芯片,主控芯片將商品信息上傳服務器,依據電子標簽ID號,與數據庫中的商品進行對比得到商品的數量和價格,并將信息顯示在收銀室顯示屏上待顧客確認。本設計采用ESP8266Wi-Fi模塊,實現與服務器的連接。

ESP8266 Wi-Fi模塊專為移動設備、可穿戴電子產品和物聯網應用而設計,內置超低功耗Tensilica L106 32位RISC處理器,單核CPU時鐘速度可高達160 MHz,支持實時操作系統和Wi-Fi協議棧,能確保良好的覆蓋范圍[8]。

4 系統軟件設計

本設計利用嵌入式操作系統實現對程序的控制,通過創建若干任務塊來實現所需的功能,根據硬件電路的設計實現對硬件電路的驅動、控制的程序設計。本系統通過RFID系統、主控芯片電路、紅外探測電路、數據通信電路、Wi-Fi聯網電路等模塊完成了硬件系統的搭建,并通過對硬件電路的驅動及控制實現了Wi-Fi通信、紅外感應、門禁控制、讀卡控制等功能。

4.1 Wi-Fi通信

ESP8266Wi-Fi模塊支持STA/AP/STA+AP這3種工作模式,本模塊測試采用STA工作模式。在STA模式下,ESP8266通常被配置成一個客戶端,連接到外部的服務器或服務。它可以像智能手機或電腦一樣連接到互聯網,并與遠程服務器通信,因此系統Wi-Fi模塊通過路由器連接互聯網,電腦通過互聯網對系統中的設備進行遠程控制。通過發送指令AT+CWJAP= ″111″,″12345678″將模塊接入指定網絡,再發送訪問服務器指令AT+CIPSTART連接服務器,實現Wi-Fi模塊與指定服務器的協議通信。模塊的透傳模式使得人們無需關心Wi-Fi協議如何實現數據的傳輸,直接轉發到所設置的目標服務器的端口上即可。模塊網絡配置如圖3所示。

圖3 網絡配置

4.2 紅外檢測及門禁控制

本系統有2處門禁及3處紅外檢測,應保證系統運行中至多有一道門處于開啟狀態,且需要避免顧客付款離開后出口遲遲未關的情況。當顧客選購完商品進入紅外感應區域時,系統自動開啟入口門,延遲數秒后關閉。當收銀室檢測到顧客在內,出入口皆處于關閉狀態,讀卡器開啟進行讀卡。待讀卡完成且顧客付款成功后,打開出口,直到收銀室檢測不到顧客時,關閉出口,等待下一名顧客進入。

紅外檢測在出入口各設置一處,收銀室內設置一處,本系統測試階段,模擬顧客進入超市如下。當出口處紅外檢測顧客需要進入,且入口處未檢測顧客準備離開,則開啟出口閘門,延時數秒等待顧客進入,待出口閘門關閉則打開入口閘門,等待顧客進入超市。系統門禁及紅外檢測設計如圖4所示。

圖4 系統門禁及紅外檢測設計

4.3 讀卡控制

讀卡器自帶電源線和9針串口母頭,將串口的收發引腳與主控芯片連接即可。運行時,先初始化讀卡器連接的外設串口,發送指令關閉讀卡器。當收銀室入口檢測到顧客進入并關閉入口后,讀卡器啟動開始讀卡。由于高頻讀卡器在讀取時有發生錯誤的概率,因此,為確保讀卡器信息正確,可采用多個讀卡器輪流讀卡的方式。若多次讀卡的信息對比無誤,則傳送給主控芯片上傳到服務器,若對比不一致,則延長讀卡時間,直至對比無誤為止。

5 模擬測試

根據上文進行模型搭建,測試階段利用LED燈模擬顧客出入超市,入口紅外檢測到顧客,LED燈點亮,入口閘門打開,出口閘門關閉,顧客進入付款區,門禁測試如圖5所示。

圖5 門禁測試

本設計的目的是為解決超市付款排隊的問題,因此測試結賬過程所需時間為重點,當含有大量RFID標簽進入結賬區域時,所需時間如圖6所示,經過檢測,RFID掃描所需時間大大低于超市人工掃碼的時間,可提高結賬過程的效率。

圖6 RFID識別時間

6 結束語

本文提出了一種基于RFID的智能超市購物系統,從硬件和軟件2個方面介紹了系統的RFID系統、主控芯片電路、紅外探測電路、數據通信電路、Wi-Fi聯網電路等模塊的設計。經過測試,證明該系統簡化了顧客的結賬流程,縮短了等候時間。但本系統部分功能還需要進一步加強,系統也可根據需要進一步開發完善。