基于RFID的智能超市購物系統(tǒng)設(shè)計

邢婷婷

福州工商學院, 福建 福州 350700

0 引言

隨著我國物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)以及移動支付等技術(shù)的發(fā)展,人們越來越喜歡網(wǎng)上購物。網(wǎng)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(wǎng)上購物往往伴隨著一些商品質(zhì)量問題,因此,若改善實體超市的購物環(huán)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(shù)融合至超市系統(tǒng)的新思路。

目前RFID技術(shù)更多的是運用于門禁、倉儲管理等方向。近幾年,利用RFID技術(shù)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(shù)的智能購物車系統(tǒng),可實現(xiàn)室內(nèi)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(xiàn)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(tǒng),解決了大量電子標簽準確、快速進行多重識別。

本文根據(jù)RFID技術(shù)以及對超市系統(tǒng)的分析,結(jié)合之前的研究,進行智能超市購物系統(tǒng)設(shè)計,系統(tǒng)包含電源電路、紅外探測電路、RFID系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信電路、Wi-Fi聯(lián)網(wǎng)電路等模塊,可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時傳輸,自動完成商品價格的錄入與結(jié)算、門禁控制及自動生成付款碼,簡化了顧客的結(jié)賬流程,縮短了等候時間。

1 總體設(shè)計

本系統(tǒng)以線下超市為設(shè)計主體,將廣泛運用于快遞等行業(yè)的RFID技術(shù),應用于超市購物系統(tǒng)中,利用RFID的高頻讀卡功能提高顧客結(jié)賬效率。系統(tǒng)包括RFID系統(tǒng)、主控芯片電路、紅外探測電路、數(shù)據(jù)通信電路等。本系統(tǒng)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(qū)域時,門禁打開,進入收銀區(qū)域。收銀區(qū)域檢測到顧客進入,關(guān)閉收銀區(qū)入口,RFID系統(tǒng)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(jù)電子標簽ID號,與數(shù)據(jù)庫中的商品進行對比得到商品的數(shù)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(jié)賬流程如圖1所示。

圖1 智能超市購物結(jié)賬流程

2 RFID系統(tǒng)

2.1 主要技術(shù)

2.2 基本原理

RFID系統(tǒng)由電子標簽、讀寫器、天線組成,其中電子標簽和讀寫器為關(guān)鍵部分。RFID標簽具有唯一的ID號,可用來區(qū)別不同的商品,讀寫器用于讀取或?qū)懭霕撕炛械纳唐沸畔?。在工作?當標簽進入讀寫器的范圍后,讀寫器對其覆蓋范圍內(nèi)的電子標簽發(fā)射能量,用于激活它們來進行發(fā)送和修改數(shù)據(jù),標簽的感應元件接收發(fā)來的射頻信號,憑電流的感應獲得部分能量發(fā)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(tǒng),再進行數(shù)據(jù)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(shè)計采用無源標簽。

3 系統(tǒng)模塊設(shè)計

3.1 主控模塊

本設(shè)計綜合考慮了資金、功耗以及穩(wěn)定性等多方面因素,最終確定將STM32F103ZET6單片機作為系統(tǒng)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(jié)合了實時功能,滿足了對紅外探測電路、門禁電路、數(shù)據(jù)通信電路等模塊的端口分配。

3.2 電源電路

系統(tǒng)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(zhuǎn)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(guān)穩(wěn)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(qū)動能力,能為MCU的穩(wěn)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(diào)(-ADJ)等多個電壓檔次的產(chǎn)品。

5 V直流電可通過AMS117穩(wěn)壓芯片降壓,提供3.3 V電壓,AMS1117是一個正向低壓降穩(wěn)壓器,常應用于高效率線性穩(wěn)壓器和開關(guān)電源穩(wěn)壓器電池充電器活躍的小型計算機系統(tǒng)[7]。固定最大輸入電壓為15 V,輸出電流為1 A,可輸出穩(wěn)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(qū)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(qū)域后,入口閘門關(guān)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(guān)閉閘門。本系統(tǒng)可設(shè)置3處紅外檢測,負責檢測顧客的位置信息。

3.4 門禁驅(qū)動模塊

門禁驅(qū)動模塊由三極管進行控制,本設(shè)計選用PNP型三極管8550,三極管發(fā)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(tài),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(tài),則三極管截至,門鎖關(guān)閉。門禁驅(qū)動電路如圖2所示。

圖2 門禁驅(qū)動電路

門禁驅(qū)動電路采用反饋電路,將門禁的開關(guān)狀態(tài)反饋給主控,反饋狀態(tài)通過NPN型三極管給出。當門鎖處于鎖定狀態(tài)時,門鎖反饋端兩端子短接,三極管處于截至狀態(tài),此時連接集電極的端口為高電平,將門禁判定為鎖定狀態(tài);當門鎖為打開狀態(tài)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(guān)狀態(tài),確保整個付款流程的順利進行。

3.5 數(shù)據(jù)通信電路

當標簽進入特定區(qū)域時,通電的讀卡器發(fā)出高頻電磁信號,標簽的感應元件接收其發(fā)出的射頻信號,獲取相關(guān)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(fā)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(shù)據(jù)接收端,3腳為數(shù)據(jù)發(fā)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(xiàn)曾經(jīng)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(jīng)意地接個吻，想想都美好。

系統(tǒng)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(shè)計的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232進行轉(zhuǎn)換。

3.6 Wi-Fi聯(lián)網(wǎng)電路

RFID系統(tǒng)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(jù)電子標簽ID號,與數(shù)據(jù)庫中的商品進行對比得到商品的數(shù)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(shè)計采用ESP8266Wi-Fi模塊,實現(xiàn)與服務器的連接。

ESP8266 Wi-Fi模塊專為移動設(shè)備、可穿戴電子產(chǎn)品和物聯(lián)網(wǎng)應用而設(shè)計,內(nèi)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(tǒng)和Wi-Fi協(xié)議棧,能確保良好的覆蓋范圍[8]。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本設(shè)計利用嵌入式操作系統(tǒng)實現(xiàn)對程序的控制,通過創(chuàng)建若干任務塊來實現(xiàn)所需的功能,根據(jù)硬件電路的設(shè)計實現(xiàn)對硬件電路的驅(qū)動、控制的程序設(shè)計。本系統(tǒng)通過RFID系統(tǒng)、主控芯片電路、紅外探測電路、數(shù)據(jù)通信電路、Wi-Fi聯(lián)網(wǎng)電路等模塊完成了硬件系統(tǒng)的搭建,并通過對硬件電路的驅(qū)動及控制實現(xiàn)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(lián)網(wǎng),并與遠程服務器通信,因此系統(tǒng)Wi-Fi模塊通過路由器連接互聯(lián)網(wǎng),電腦通過互聯(lián)網(wǎng)對系統(tǒng)中的設(shè)備進行遠程控制。通過發(fā)送指令AT+CWJAP= ″111″,″12345678″將模塊接入指定網(wǎng)絡,再發(fā)送訪問服務器指令AT+CIPSTART連接服務器,實現(xiàn)Wi-Fi模塊與指定服務器的協(xié)議通信。模塊的透傳模式使得人們無需關(guān)心Wi-Fi協(xié)議如何實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸,直接轉(zhuǎn)發(fā)到所設(shè)置的目標服務器的端口上即可。模塊網(wǎng)絡配置如圖3所示。

圖3 網(wǎng)絡配置

4.2 紅外檢測及門禁控制

本系統(tǒng)有2處門禁及3處紅外檢測,應保證系統(tǒng)運行中至多有一道門處于開啟狀態(tài),且需要避免顧客付款離開后出口遲遲未關(guān)的情況。當顧客選購完商品進入紅外感應區(qū)域時,系統(tǒng)自動開啟入口門,延遲數(shù)秒后關(guān)閉。當收銀室檢測到顧客在內(nèi),出入口皆處于關(guān)閉狀態(tài),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(guān)閉出口,等待下一名顧客進入。

紅外檢測在出入口各設(shè)置一處,收銀室內(nèi)設(shè)置一處,本系統(tǒng)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(shù)秒等待顧客進入,待出口閘門關(guān)閉則打開入口閘門,等待顧客進入超市。系統(tǒng)門禁及紅外檢測設(shè)計如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)門禁及紅外檢測設(shè)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(fā)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(shè)串口,發(fā)送指令關(guān)閉讀卡器。當收銀室入口檢測到顧客進入并關(guān)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(fā)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(jù)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(guān)閉,顧客進入付款區(qū),門禁測試如圖5所示。

圖5 門禁測試

本設(shè)計的目的是為解決超市付款排隊的問題,因此測試結(jié)賬過程所需時間為重點,當含有大量RFID標簽進入結(jié)賬區(qū)域時,所需時間如圖6所示,經(jīng)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(jié)賬過程的效率。

圖6 RFID識別時間

6 結(jié)束語

本文提出了一種基于RFID的智能超市購物系統(tǒng),從硬件和軟件2個方面介紹了系統(tǒng)的RFID系統(tǒng)、主控芯片電路、紅外探測電路、數(shù)據(jù)通信電路、Wi-Fi聯(lián)網(wǎng)電路等模塊的設(shè)計。經(jīng)過測試,證明該系統(tǒng)簡化了顧客的結(jié)賬流程,縮短了等候時間。但本系統(tǒng)部分功能還需要進一步加強,系統(tǒng)也可根據(jù)需要進一步開發(fā)完善。