基于RFID技术的无人超市系统设计与实现

文/晏军 刘鸿源 曹阳

1 引言

近年来，国内外都出现了“无人超市”这一概念。亚马逊的线下无人商店Amazon Go使无须排队结账的购物模式成为现实：刷手机进店、选购商品、拿货走人。消费会通过顾客绑定的信用卡自动扣除。国内的阿里巴巴、京东同样推出了自己的无人超市模式：阿里巴巴的“淘咖啡”、京东的“7Fresh”都已经投入测试与初步运营。当前市场上出现了多种多样实现无人超市的技术，什么是无人超市，简言之就是不需要导购员，也不需要排队结账的一种新型自主购物方式。目前无人超市的技术难题便是室内定位、自动计价结账以及成本问题。本文讲述了通过RFID技术（Radio Frequency Identification），即射频识别技术，来实现建立一个完整的无人超市系统。

2 基于RFID的无人超市系统

通过RFID技术，即射频识别技术，来实现自动计价和室内定位。无人超市模式的运行离不开射频识别技术：RFID技术的支撑。射频识别（RFID）是一种无线信息交换技术，可以通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或者光学接触。RFID在现在已经取得了较为广泛的应用，这项技术可以应用于通道管理、数据采集、身份确认系统、定位系统、智慧校园、智能交通，这项技术对于构建无人超市系统将是突破性的应用。

基于RFID的无人超市购物系统首先我们要实现的一是识别商品上的RFID标签，获取商品信息。当顾客将商品放入购物车后，读写器将实时扫描带有RFID标签的商品，获得最新的商品信息。计算出最新价格以及重量信息，实现实时计重计价。二是要设计一个自助导购的功能，因此我们在无人超市系统中引入自助购物车，该购物车上携带RFID读写器。该读写器主要用于当顾客扫码获取RFID标签后，车载读写器便可实时获取标签的位置信息，并且通过算法优化使定位精准到cm级别，解放顾客的双手，为一些身体不便的顾客提供便利，也让购物更加便捷。购物完毕，总价格以二维码形式显示，顾客扫码付款。付款结束，待顾客取出购物车中所有商品后，购物车通过与基站通信，智能规划路径，实现自动归位。在购物车的等待区设有无线充电系统，配合自带电池，可提高购物车续航能力。由此解决了传统超市的结账慢、顾客等待时间长购物体验差等问题，同时商家可减少雇佣的员工数量、节约成本，为顾客开启一种全新的自主自助的购物模式。

3 基于RFID的商品实时计价系统技术实现

RFID读写器发射UHF（超高频）射频信号，当附着有无源RFID标签的商品进入读写器感应范围时，无源RFID标签被激活，向RFID读写器发送自身特定数据，读写器经过计算、解码后向MCU发送包含标签EPC区数据、RSSI值等信息的、具有特定格式与时序的数据帧，MCU针对数据帧的格式与时序，采用与之匹配的算法获取完整的数据帧，再从中提取出有用信息，构成实时的商品代号列表，结合后台商品数据库可以将所有商品信息发送到人机交互界面。此外，该算法具有实时性，购物过程中商品的增添与移除都可以在界面上显示出来。当购物结束、顾客完成付款后，读写器对购物车中标签进行失活处理，顾客便可以取出商品离开；若顾客携带含未失活标签的商品通过检测闸门时便会响铃报警。算法的流程图如图1所示。

后台数据库方面，采用准用的仓库管理系统对进行管理，可以轻松进行商品入库、批量发卡、商品出库结算等操作，极大程度降低了商品管理的时间与经济成本。

4 基于RFID的室内无线定位系统的设计

现有的RFID定位技术中，大多数是采用多阅读器接受信号进行强度检测（RSSI）来确定目标位置从而实现定位。但是现有RFID读写器大多不带有RSSI功能，带有RSSI功能的读写器成本过高。若要保证整个无人超市的信号覆盖，则需要在超市内安装大量的读写器，其成本相对较高。而RFID标签分为主动式与被动式，成本较低。所以综合考虑，我们基于RFID室内定位技术，设计了我们的定位方案——基于参考标签的旋转式RFID室内定位技术。

4.1 无线定位的信号强度分析与实现

依据位置是否已知，可以将在室内定位系统中各个位置分为位置已知的参考点和位置未知的待测点。定位服务程序度量目标点位置的指标有信号达到时间（TOA）、信号达到角度（AOA）和接收信号强度（RSSI）等。TOA、AOA等技术对信号传播环境要求十分严格，而室内环境存在着多径效应和非视距传播的影响，如大型超市中，商品琳琅满目，货架密密麻麻，这些都将导致多径信号到达接收端时具有不同入射角和时延，因而在室内环境中，这些指标有不可预测的误差，且硬件开发成本较高。对比之下，RSSI检测更为简单，为削弱多径影响，获得较精准的信号强度，可多次测量取平均值。接收信号强度指示可依据信号在空中传播时的衰减随距离变化的关系，计算得出待测点和接收机之间的距离。

4.2 室内传播模型

图1：算法的流程图

传播模型法依据RSSI值与距离的关系，并结合三边测量法，计算得出待测点的位置。在超市等其他室内场所中，到达接收机的信号除了直接视距传播的电磁波外，还包括反射、绕射、散射及投射的电磁波，导致多径效应，即接收机在同一时刻会接收到不同时延和相位及强度的电磁波，接收到的总的电磁波是各个分量的矢量和，因此，其衰减值和相位是随时间改变的。下式是距离路径损耗模型：

上式中，d代表收发机，即阅读器和商品间的实际距离；Pr代表距离为d时阅读器接收到的功率；Pt代表信号发射出的功率；PL(d)代表距离为d时总体的信号损耗功率；d0代表参考距离；PL(d0)代表距离为d0时的信号损耗功率（d0通常取1m）；n代表不同环境的传播损耗系数，与室内环境有关，其取值一般在1.6～3.3之间；Xδ代表遮蔽因子，是一个服从均值为0，方差为 δ 的正态分布的随机变量。

4.3 室内定位算法设计

基于参考标签的旋转式RFID室内定位技术，引入了参考标签，采用接收信号强度指示（RSSI值）和测距法来实现室内定位。其核心思想是通过拥有RSSI功能的RFID读写器，固定在车体中央，向雷达一样进行旋转测量，读取位置固定且已知的参考标签距离来确定购物车空间位置。该系统采用了“k近邻”算法，通过一系列计算和实践，找到k个和待测标签相邻且符合特定条件的参考标签，从而实现对目标位置的估算，提高了定位的精度，减少了阅读器的数量，从而降低了成本。

5 结论

综上所述，RFID技术可在毫秒级时间内得到精度为厘米级的信息，将它应用至无人超市自助购物车，再结合云服务器、后台管理系统和移动终端应用程序等，实现无人超市系统是切实可行的。并且RFID技术已经发展成能够加密信息，因此RFID技术在商业领域安全又迈出了一大步。未来，随着社会的进步，人们对识别和定位技术的需求将越来越高，科技的发展和研究的深入也必将带动定位技术水平的提升，无人超市等其他室内定位将更加精准、安全。