基于物聯(lián)網(wǎng)的超市智能自助購(gòu)物系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃艷國(guó)，吳 磊，張慧敏2，劉學(xué)鵬

(1.江西理工大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，江西 贛州 341000； 2.江西理工大學(xué)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)院，江西 贛州 341000)

0 引言

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，近年來(lái)傳統(tǒng)超市遭受到電商行業(yè)的沖擊，客源也越來(lái)越稀少。最近，又一種全新的零售模式——“智能零售”正在興起，一些電商巨頭紛紛開(kāi)始采用機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)和生物識(shí)別等高新技術(shù)進(jìn)行“無(wú)人超市”的研究，這無(wú)疑再次給予傳統(tǒng)超市沉重的打擊。此外，傳統(tǒng)超市本身也存在客源有限、不能為顧客提供精準(zhǔn)的購(gòu)物導(dǎo)航服務(wù)、購(gòu)物高峰期排隊(duì)結(jié)算緩慢、促銷廣告無(wú)法有效傳播到客戶群體、用戶體驗(yàn)性差等眾多問(wèn)題[1-5]。這些外部和內(nèi)部因素促使傳統(tǒng)超市不得不考慮進(jìn)行轉(zhuǎn)型升級(jí)。傳統(tǒng)超市大多無(wú)法投入大量資金來(lái)研究和推廣那種運(yùn)用機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)和生物識(shí)別技術(shù)等高新技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的無(wú)人超市。為此，本文借助RFID等相對(duì)成熟的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)智能化的購(gòu)物系統(tǒng)[6-8]，在解決傳統(tǒng)超市購(gòu)物高峰期結(jié)算緩慢、商品尋找困難、用戶體驗(yàn)性差等問(wèn)題的同時(shí)，讓商家減少雇員、降低廣告成本、提高商品管理效率。這種基于物聯(lián)網(wǎng)的購(gòu)物、結(jié)算、管理方式，使得線上線下無(wú)縫對(duì)接，既突破了傳統(tǒng)線下零售行業(yè)的局限性，又提高了線下零售的靈活性和體驗(yàn)性。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)的超市智能自助購(gòu)物系統(tǒng)主要包括基于FRID射頻識(shí)別的商品讀寫(xiě)器、云服務(wù)器、后臺(tái)管理系統(tǒng)以及移動(dòng)終端客戶應(yīng)用程序，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)的超市智能自助購(gòu)物系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

硬件部分完成商品數(shù)據(jù)的采集。當(dāng)用戶將商品靠近購(gòu)物車(chē)上的RFID射頻讀寫(xiě)器時(shí)，RFID射頻讀寫(xiě)器從商品標(biāo)簽中讀取商品信息，接著將商品信息發(fā)送給STM32F103RCT6模塊進(jìn)行處理。STM32F103RCT6模塊處理數(shù)據(jù)后將商品信息發(fā)送給ATK-ESP8266模塊，并控制其連接WIFI后通過(guò)TCP/IP協(xié)議將商品信息及固定的購(gòu)物車(chē)ID發(fā)送到指定云服務(wù)器的指定端口，服務(wù)器收到數(shù)據(jù)后將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)。

FRID讀寫(xiě)器主要完成購(gòu)物車(chē)上商品的識(shí)別。當(dāng)用戶將商品靠近購(gòu)物車(chē)上的RFID射頻讀寫(xiě)器時(shí)，通過(guò)射頻信號(hào)讀取商品標(biāo)簽，然后將商品信息發(fā)送給微控制器模塊進(jìn)行處理。處理數(shù)據(jù)后將商品信息發(fā)送給無(wú)線通信模塊，并控制其連接WIFI后通過(guò)TCP/IP協(xié)議將商品信息及綁定的購(gòu)物車(chē)ID發(fā)送到云服務(wù)器的指定端口，服務(wù)器收到數(shù)據(jù)后將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)。

云服務(wù)器主要用來(lái)對(duì)商品和用戶信息進(jìn)行存儲(chǔ)和管理[9-10]。包括購(gòu)物車(chē)信息、客戶信息、商品信息(包括商品名稱、商品價(jià)格、生產(chǎn)日期、保質(zhì)期、生產(chǎn)廠家、產(chǎn)品的分類以及定位等信息)以及商品的各類促銷活動(dòng)信息等。這些信息供移動(dòng)終端和后臺(tái)管理系統(tǒng)使用。

移動(dòng)終端客戶應(yīng)用程序是用戶使用微信小程序掃描購(gòu)物車(chē)上二維碼后即可完成與購(gòu)物車(chē)的綁定，當(dāng)用戶刷新小程序的購(gòu)物車(chē)頁(yè)面后，當(dāng)前綁定購(gòu)物車(chē)內(nèi)的商品信息將在頁(yè)面內(nèi)顯示。用戶挑選完商品之后，可以在小程序內(nèi)自主完成結(jié)算支付。此外小程序還可為用戶提供購(gòu)物導(dǎo)航服務(wù)，用戶也可在其中查看超市發(fā)布的促銷活動(dòng)、歷史購(gòu)物記錄等。

后臺(tái)管理系統(tǒng)使用HTTPS協(xié)議與服務(wù)器進(jìn)行通信，它將服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)展示在瀏覽器中供超市管理員查看，管理員通過(guò)在后臺(tái)管理系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的操作實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理[11-12]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 基于RFID射頻的商品讀寫(xiě)識(shí)別

系統(tǒng)硬件主要包括STM32微控制器模塊、RFID射頻讀寫(xiě)以及無(wú)線通信WIFI模塊。系統(tǒng)硬件安裝在購(gòu)物車(chē)上，并與購(gòu)物車(chē)的ID進(jìn)行綁定。選購(gòu)商品的識(shí)別采用的是基于RFID技術(shù)的M5-EA-TH-00射頻讀寫(xiě)模塊，主要完成標(biāo)簽的讀寫(xiě)和存儲(chǔ)。該模塊由基于STM32F103RCT6微控制器的核心板進(jìn)行控制，通過(guò)內(nèi)部監(jiān)控程序使RFID射頻模塊一直處于循環(huán)尋卡的狀態(tài)。當(dāng)有商品的射頻標(biāo)簽靠近靠近RFID射頻模塊時(shí)，識(shí)別是否為有效標(biāo)簽(卡)。若尋卡成功，程序啟動(dòng)防沖突機(jī)制，進(jìn)行選卡操作，選卡成功后控制RFID射頻模塊與標(biāo)簽進(jìn)行三次互相驗(yàn)證，驗(yàn)證成功后即可從標(biāo)簽中讀出信息，之后RFID射頻模塊通過(guò)UART串口將讀取的數(shù)據(jù)傳輸給STM32核心控制板進(jìn)行處理。

2.2 WIFI無(wú)線通信模塊設(shè)計(jì)

為了將消費(fèi)者選購(gòu)的商品條碼信息實(shí)時(shí)傳送到服務(wù)器，并從服務(wù)器段獲得商品的詳細(xì)信息(如促銷活動(dòng)、折扣等)，購(gòu)物車(chē)必須與系統(tǒng)的服務(wù)器進(jìn)行實(shí)時(shí)無(wú)線通信。同Zigbee、Bluetooth等通信技術(shù)相比，WIFI技術(shù)隨時(shí)可以接入無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，具備良好的移動(dòng)性以及較高的傳輸速率，可通過(guò)無(wú)線連接本地路由器，將采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)至遠(yuǎn)程服務(wù)器端[13-14]。WIFI的這些特點(diǎn)正好能夠滿足設(shè)計(jì)系統(tǒng)將商品信息發(fā)送至遠(yuǎn)程服務(wù)器的需求。

無(wú)線通信采用支持TCP/IP協(xié)議的ATK-ESP8266串口WIFI模塊，如圖2所示。STM32核心控制板首先將該模塊設(shè)置為STA模式，然后啟動(dòng)對(duì)該模塊的控制程序，使其連接WIFI或者手機(jī)熱點(diǎn)。連接到網(wǎng)絡(luò)后，可以讓其與服務(wù)器通過(guò)TCP/IP協(xié)議進(jìn)行連接，與服務(wù)器連接成功后，再使模塊進(jìn)入發(fā)送數(shù)據(jù)的模式，此時(shí)WIFI模塊完成了初始化工作，處于等待發(fā)送數(shù)據(jù)的狀態(tài)。當(dāng)STM32微控制器模塊控制RFID模塊讀取到標(biāo)簽信息并進(jìn)行處理后，將數(shù)據(jù)傳輸給WIFI模塊，WIFI模塊接收到數(shù)據(jù)后將其發(fā)送到已經(jīng)連接的服務(wù)器，并從服務(wù)器端下載該商品的附加信息。

圖2 STM32模塊與ATK-ESP8266模塊通信電路

3 移動(dòng)終端程序設(shè)計(jì)

3.1 微信小程序總體設(shè)計(jì)框架

隨著手機(jī)等移動(dòng)終端功能的不斷強(qiáng)大，手機(jī)成為消費(fèi)者必不可少的工具。移動(dòng)終端應(yīng)用采用微信小程序進(jìn)行設(shè)計(jì)[15-16]。微信小程序是一種用戶不需要下載安裝、即點(diǎn)即用的應(yīng)用，它實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用“觸手可及”的夢(mèng)想，用戶掃一掃、搜一搜就可以打開(kāi)使用。同時(shí)它也體現(xiàn)了用完即走的理念，用戶不需要下載安裝，用完后也不用擔(dān)心占用存儲(chǔ)空間的問(wèn)題。微信小程序前端開(kāi)發(fā)采用“微信web開(kāi)發(fā)者工具”，前端主要使用WXML(HTML)、WXSS(CSS)以及JavaScript技術(shù)，后端開(kāi)發(fā)主要使用PHP腳本語(yǔ)言以及MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)操作技術(shù)，前端和后端數(shù)據(jù)交互使用HTTPS協(xié)議。

為了方便購(gòu)物者隨時(shí)查看自己選購(gòu)商品的價(jià)格、生產(chǎn)日期、折扣活動(dòng)等詳細(xì)信息，為用戶提供購(gòu)物導(dǎo)航服務(wù)、實(shí)時(shí)促銷商品、促銷活動(dòng)以及電子支付等功能，總體設(shè)計(jì)框架如圖3所示。

圖3 微信小程序的總體設(shè)計(jì)框架

3.2 頁(yè)面初始化

下面以“購(gòu)物車(chē)”頁(yè)面為例對(duì)微信小程序的設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行介紹,頁(yè)面的初始化流程如圖4所示。首先需要觸發(fā)一個(gè)定時(shí)器，每隔一秒鐘更新一次頁(yè)面時(shí)間。然后小程序攜帶part參數(shù)(輪播消息所在頁(yè)面)向服務(wù)器發(fā)起GET請(qǐng)求以獲取輪播消息展示在頁(yè)面中。最后小程序需要攜帶本地緩存中的購(gòu)物車(chē)ID,以及用戶的微信昵稱向服務(wù)器發(fā)起GET請(qǐng)求，服務(wù)器端PHP程序根據(jù)購(gòu)物車(chē)ID以及默認(rèn)付款標(biāo)識(shí)(未付款)將商品信息中的用戶微信昵稱替換為當(dāng)前用戶的微信昵稱，從而完成商品與用戶之間進(jìn)行關(guān)聯(lián)。接著PHP程序根據(jù)購(gòu)物車(chē)ID、用戶微信昵稱以及付款標(biāo)識(shí)(未付款)到數(shù)據(jù)庫(kù)中查詢商品信息，并將查詢結(jié)果返回給小程序。小程序?qū)⑵湟粤斜淼男问斤@示在頁(yè)面中。至此頁(yè)面初始化結(jié)束。

圖4 “購(gòu)物車(chē)”頁(yè)面初始化流程

3.3 用戶登錄驗(yàn)證

為使微信小程序能夠從服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫(kù)中準(zhǔn)確獲取當(dāng)前用戶在購(gòu)物車(chē)內(nèi)添加的商品信息，就需要獲取用戶使用的購(gòu)物車(chē)ID，為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能，可以給每輛購(gòu)物車(chē)設(shè)置一個(gè)ID，將ID生成二維碼固定在購(gòu)物車(chē)上。這樣可以在小程序內(nèi)掃描二維碼來(lái)綁定購(gòu)物車(chē)，從而獲得購(gòu)物車(chē)內(nèi)的商品信息。

用戶在“歡迎頁(yè)面”成功掃描購(gòu)物車(chē)二維碼后，頁(yè)面首先跳轉(zhuǎn)到“購(gòu)物車(chē)”頁(yè)面，在該頁(yè)面內(nèi)將購(gòu)物車(chē)內(nèi)商品預(yù)覽列表顯示給用戶。為了后續(xù)實(shí)現(xiàn)商品與用戶進(jìn)行綁定，需要讓用戶進(jìn)行授權(quán)獲取用戶的微信昵稱和頭像等信息。在用戶授權(quán)之后登錄驗(yàn)證流程如圖5所示。

圖5 用戶登錄驗(yàn)證流程

4 后臺(tái)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

后臺(tái)管理系統(tǒng)主要是為方便超市管理員能夠?qū)崟r(shí)對(duì)后臺(tái)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和管理，以網(wǎng)站的形式進(jìn)行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。為便于管理，在進(jìn)行網(wǎng)站設(shè)計(jì)時(shí)，可以根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)表進(jìn)行網(wǎng)站框架設(shè)計(jì)，將網(wǎng)站分為7個(gè)主頁(yè)面，分別為“訂單管理”、 “商品管理”、“活動(dòng)管理”、“消息管理”、“用戶管理”、“收藏管理”以及“用戶反饋”等頁(yè)面，其他分頁(yè)面可以在主頁(yè)面中點(diǎn)擊進(jìn)入。臺(tái)管理系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框架如圖6所示。

圖6 后臺(tái)管理系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框架

在訂單和商品管理頁(yè)面中，輸入關(guān)鍵字，可查看所有用戶的訂單信息，并可對(duì)商品信息進(jìn)行添加、刪除、修改等操作。在消息管理頁(yè)面中，可發(fā)布最新活動(dòng)，修改活動(dòng)內(nèi)容，刪除過(guò)期活動(dòng)，可新增、修改、刪除輪播消息。通過(guò)收藏管理頁(yè)面，可以快速找到購(gòu)物者收藏的商品信息，通過(guò)歷史數(shù)據(jù)挖掘，可對(duì)購(gòu)物者的購(gòu)物習(xí)慣、興趣愛(ài)好進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上，發(fā)布有針對(duì)性的商品信息和購(gòu)物優(yōu)惠促銷活動(dòng)。

后臺(tái)管理系統(tǒng)開(kāi)發(fā)主要采用動(dòng)態(tài)網(wǎng)站開(kāi)發(fā)技術(shù)，前端頁(yè)面主要采用HTML、CSS、JavaScript進(jìn)行開(kāi)發(fā)，后端服務(wù)器程序主要使用PHP腳本語(yǔ)言以及SQL指令實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行相關(guān)操作。

整個(gè)后臺(tái)管理系統(tǒng)開(kāi)發(fā)主要是實(shí)現(xiàn)前端和后端進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)對(duì)服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)的增、刪、改、查等操作。下面以添加活動(dòng)為例說(shuō)明后臺(tái)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程，添加活動(dòng)處理流程如圖7所示。在“活動(dòng)管理”頁(yè)面中，管理員點(diǎn)擊“新增活動(dòng)”后，頁(yè)面跳轉(zhuǎn)到添加活動(dòng)頁(yè)面(active_add.html)，即“活動(dòng)管理”頁(yè)面。在該頁(yè)面中添加了一個(gè)表單，以供管理員填寫(xiě)需要發(fā)布的活動(dòng)信息，當(dāng)點(diǎn)擊提交后，頁(yè)面通過(guò)POST方式將填寫(xiě)的數(shù)據(jù)提交給active_add.php程序進(jìn)行處理。active_add.php程序先進(jìn)行數(shù)據(jù)有效性判斷，如果數(shù)據(jù)無(wú)效則需要提醒用戶并將頁(yè)面返回到active_add.html頁(yè)面，如果數(shù)據(jù)有效則php程序需要組織SQL指令，以將活動(dòng)數(shù)據(jù)添加到數(shù)據(jù)庫(kù)的active數(shù)據(jù)表中，數(shù)據(jù)添加成功后同樣需要提醒用戶操作成功，同時(shí)還要將頁(yè)面跳轉(zhuǎn)到active.php頁(yè)面，也即“活動(dòng)管理”頁(yè)面。

圖7 添加活動(dòng)處理流程

5 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)硬件與服務(wù)器的通信采用TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)。硬件部分通過(guò)STM32微控制器控制RFID模塊，并通過(guò)無(wú)線通信方式與遠(yuǎn)程服務(wù)器建立連接。服務(wù)器端監(jiān)聽(tīng)程序一直對(duì)服務(wù)器的端口進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)，當(dāng)監(jiān)聽(tīng)到客戶端向端口發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，監(jiān)聽(tīng)程序與其進(jìn)行三次握手驗(yàn)證，驗(yàn)證成功后建立連接，監(jiān)聽(tīng)程序讀取緩沖區(qū)數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理，然后將其存入數(shù)據(jù)庫(kù)中，完成一次連接后監(jiān)聽(tīng)程序又回到監(jiān)聽(tīng)的初始狀態(tài)。

實(shí)現(xiàn)硬件和服務(wù)器的通信之后，整個(gè)系統(tǒng)的硬件和軟件就真正關(guān)聯(lián)起來(lái)了。當(dāng)商品上的射頻標(biāo)簽靠近射頻讀寫(xiě)模塊時(shí)，商品信息通過(guò)通信模塊連接WIFI后發(fā)送到云服務(wù)器，隨后用微信小程序掃描購(gòu)物車(chē)二維碼進(jìn)入小程序后刷新頁(yè)面，剛剛識(shí)別的商品信息就展示在“購(gòu)物車(chē)”頁(yè)面中，如圖8所示。后臺(tái)管理系統(tǒng)以“活動(dòng)管理”頁(yè)面為例進(jìn)行測(cè)試，如圖9所示。

圖8 微信小程序測(cè)試頁(yè)面

圖9 后臺(tái)管理系統(tǒng)頁(yè)面

通過(guò)對(duì)微信小程序的購(gòu)物導(dǎo)航、商品收藏、結(jié)算支付、客服反饋等功能以及后臺(tái)管理系統(tǒng)發(fā)布促銷活動(dòng)到微信小程序等功能進(jìn)行測(cè)試，功能都能夠?qū)崿F(xiàn)，測(cè)試結(jié)果均可達(dá)到預(yù)期效果。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于超市購(gòu)物系統(tǒng)中，利用比較成熟的RFID技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)設(shè)計(jì)基于物聯(lián)網(wǎng)的超市智能自助購(gòu)物系統(tǒng)，闡述了硬件的工作原理、微信小程序設(shè)計(jì)思路以及后臺(tái)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程。該系統(tǒng)使得購(gòu)物過(guò)程中線上與線下深度融合，不僅可以達(dá)到吸引顧客的目的，而且成本相對(duì)較低。通過(guò)測(cè)試驗(yàn)證了系統(tǒng)的功能，可以給消費(fèi)者帶來(lái)較好的體驗(yàn)，為廣大線下零售超市提供一種應(yīng)對(duì)電商行業(yè)沖擊的新思路。