基于RFID技術(shù)的無人超市系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

文/晏軍 劉鴻源 曹陽

1 引言

近年來，國內(nèi)外都出現(xiàn)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(jié)賬的購物模式成為現(xiàn)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(nèi)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(jīng)投入測試與初步運營。當前市場上出現(xiàn)了多種多樣實現(xiàn)無人超市的技術(shù)，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(jié)賬的一種新型自主購物方式。目前無人超市的技術(shù)難題便是室內(nèi)定位、自動計價結(jié)賬以及成本問題。本文講述了通過RFID技術(shù)（Radio Frequency Identification），即射頻識別技術(shù)，來實現(xiàn)建立一個完整的無人超市系統(tǒng)。

2 基于RFID的無人超市系統(tǒng)

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

基于RFID的無人超市購物系統(tǒng)首先我們要實現(xiàn)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(xiàn)實時計重計價。二是要設(shè)計一個自助導購的功能，因此我們在無人超市系統(tǒng)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(yōu)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(jié)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(guī)劃路徑，實現(xiàn)自動歸位。在購物車的等待區(qū)設(shè)有無線充電系統(tǒng)，配合自帶電池，可提高購物車續(xù)航能力。由此解決了傳統(tǒng)超市的結(jié)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(shù)量、節(jié)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(tǒng)技術(shù)實現(xiàn)

RFID讀寫器發(fā)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(yīng)范圍時，無源RFID標簽被激活，向RFID讀寫器發(fā)送自身特定數(shù)據(jù)，讀寫器經(jīng)過計算、解碼后向MCU發(fā)送包含標簽EPC區(qū)數(shù)據(jù)、RSSI值等信息的、具有特定格式與時序的數(shù)據(jù)幀，MCU針對數(shù)據(jù)幀的格式與時序，采用與之匹配的算法獲取完整的數(shù)據(jù)幀，再從中提取出有用信息，構(gòu)成實時的商品代號列表，結(jié)合后臺商品數(shù)據(jù)庫可以將所有商品信息發(fā)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(jié)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(shù)據(jù)庫方面，采用準用的倉庫管理系統(tǒng)對進行管理，可以輕松進行商品入庫、批量發(fā)卡、商品出庫結(jié)算等操作，極大程度降低了商品管理的時間與經(jīng)濟成本。

4 基于RFID的室內(nèi)無線定位系統(tǒng)的設(shè)計

現(xiàn)有的RFID定位技術(shù)中，大多數(shù)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(xiàn)定位。但是現(xiàn)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(nèi)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(nèi)定位技術(shù)，設(shè)計了我們的定位方案——基于參考標簽的旋轉(zhuǎn)式RFID室內(nèi)定位技術(shù)。

4.1 無線定位的信號強度分析與實現(xiàn)

依據(jù)位置是否已知，可以將在室內(nèi)定位系統(tǒng)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(wù)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(shù)對信號傳播環(huán)境要求十分嚴格，而室內(nèi)環(huán)境存在著多徑效應(yīng)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(nèi)環(huán)境中，這些指標有不可預(yù)測的誤差，且硬件開發(fā)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(jù)信號在空中傳播時的衰減隨距離變化的關(guān)系，計算得出待測點和接收機之間的距離。

4.2 室內(nèi)傳播模型

圖1：算法的流程圖

傳播模型法依據(jù)RSSI值與距離的關(guān)系，并結(jié)合三邊測量法，計算得出待測點的位置。在超市等其他室內(nèi)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(yīng)，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(fā)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(fā)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(huán)境的傳播損耗系數(shù)，與室內(nèi)環(huán)境有關(guān)，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(tài)分布的隨機變量。

4.3 室內(nèi)定位算法設(shè)計

基于參考標簽的旋轉(zhuǎn)式RFID室內(nèi)定位技術(shù)，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(xiàn)室內(nèi)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(zhuǎn)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(tǒng)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(xiàn)對目標位置的估算，提高了定位的精度，減少了閱讀器的數(shù)量，從而降低了成本。

5 結(jié)論

綜上所述，RFID技術(shù)可在毫秒級時間內(nèi)得到精度為厘米級的信息，將它應(yīng)用至無人超市自助購物車，再結(jié)合云服務(wù)器、后臺管理系統(tǒng)和移動終端應(yīng)用程序等，實現(xiàn)無人超市系統(tǒng)是切實可行的。并且RFID技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成能夠加密信息，因此RFID技術(shù)在商業(yè)領(lǐng)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(shù)的需求將越來越高，科技的發(fā)展和研究的深入也必將帶動定位技術(shù)水平的提升，無人超市等其他室內(nèi)定位將更加精準、安全。