基于RFID的智能超市购物系统设计

邢婷婷

福州工商学院, 福建 福州 350700

0 引言

随着我国物联网、互联网以及移动支付等技术的发展,人们越来越喜欢网上购物。网上购物不仅可选取心仪的商品,也无需排队等候付款,这给实体超市常来较大的冲击。然而网上购物往往伴随着一些商品质量问题,因此,若改善实体超市的购物环境,提高顾客购物效率,即可提高实体超市的顾客量和销售额。为解决实体超市排队付款等问题,本文提出将射频识别(radio frequency identification,RFID)技术融合至超市系统的新思路。

目前RFID技术更多的是运用于门禁、仓储管理等方向。近几年,利用RFID技术替代超市原有的条码扫描机已有部分学者开展研究,例如李根 等[1]提出的基于RFID技术的智能购物车系统,可实现室内导航、商品查询等功能。汪阳[2]提出的通过RFID识别商品的电子标签中的信息,可实现身份识别、信息显示、宣传、导航等功能。贾宁[3]提出的智能购物管理系统,解决了大量电子标签准确、快速进行多重识别。

本文根据RFID技术以及对超市系统的分析,结合之前的研究,进行智能超市购物系统设计,系统包含电源电路、红外探测电路、RFID系统、数据通信电路、Wi-Fi联网电路等模块,可实现数据的实时传输,自动完成商品价格的录入与结算、门禁控制及自动生成付款码,简化了顾客的结账流程,缩短了等候时间。

1 总体设计

本系统以线下超市为设计主体,将广泛运用于快递等行业的RFID技术,应用于超市购物系统中,利用RFID的高频读卡功能提高顾客结账效率。系统包括RFID系统、主控芯片电路、红外探测电路、数据通信电路等。本系统以STM32单片机作为中央处理器,当顾客携带有RFID标签的商品进入红外感应区域时,门禁打开,进入收银区域。收银区域检测到顾客进入,关闭收银区入口,RFID系统读取商品上的电子标签ID号,并将信息传输给主控芯片,主控芯片将商品信息上传服务器,依据电子标签ID号,与数据库中的商品进行对比得到商品的数量和价格,并将信息显示在收银室显示屏上待顾客确认,确认后生成付款二维码供顾客扫码支付。智能超市购物结账流程如图1所示。

图1 智能超市购物结账流程

2 RFID系统

2.1 主要技术

2.2 基本原理

RFID系统由电子标签、读写器、天线组成,其中电子标签和读写器为关键部分。RFID标签具有唯一的ID号,可用来区别不同的商品,读写器用于读取或写入标签中的商品信息。在工作中,当标签进入读写器的范围后,读写器对其覆盖范围内的电子标签发射能量,用于激活它们来进行发送和修改数据,标签的感应元件接收发来的射频信号,凭电流的感应获得部分能量发送出标签中的商品信息,读写器读取信息并解码后,传输给控制系统,再进行数据处理[5]。其中,电子标签分为有源标签、半有源标签和无源标签3类,考虑到超市的利润及成本,本设计采用无源标签。

3 系统模块设计

3.1 主控模块

本设计综合考虑了资金、功耗以及稳定性等多方面因素,最终确定将STM32F103ZET6单片机作为系统的核心控制器件。STM32F103ZET6是基于ARM Cortex-M3的32位微控制器,其具有72 MHz CPU的速度和高达1 MB的闪存。该芯片具有64 KB SRAM、512 KB Flash、11个定时器、2个12通道DMA 控制器、3个SPI接口、2个 IIC接口、5个串口、1个USB、1个CAN、3个12位ADC、2个12位DAC、1个SDIO接口、1个FSMC接口以及112个通用IO口。该芯片具有低功率、低电压的性能,并结合了实时功能,满足了对红外探测电路、门禁电路、数据通信电路等模块的端口分配。

3.2 电源电路

系统各器件所需工作电压为12、5和3.3 V。利用外接电源适配器将220 V市电转为12 V直流电,12 V直流电利用LM2576S芯片进行降压,输出5 V直流电。LM2576系列开关稳压集成电路具有可靠的工作性能、较高的工作效率和较强的输出电流驱动能力,能为MCU的稳定、可靠工作提供强有力的保证[6]。它可提供3.3 V(-3.3)、5 V(-5.0)、12 V(-12)、15 V(-15)及可调(-ADJ)等多个电压档次的产品。

5 V直流电可通过AMS117稳压芯片降压,提供3.3 V电压,AMS1117是一个正向低压降稳压器,常应用于高效率线性稳压器和开关电源稳压器电池充电器活跃的小型计算机系统[7]。固定最大输入电压为15 V,输出电流为1 A,可输出稳定电压3.3 V。

3.3 红外检测电路

红外检测电路主要针对智能超市进出门以及人体红外雷达检测,当顾客选购完商品进入红外感应区域时,红外传感器检测并传输给主控模块,控制入口闸门的开启;当顾客进入收银区域后,入口闸门关闭,RFID读卡器启动,进行商品标签检测及计算商品价格,待顾客扫码付款后开启出口闸门;若顾客超时未付款,则提示顾客返回入口处,重新进行商品检测;若顾客未购买商品,则检测不到商品标签,出口闸门打开,待顾客离开后关闭闸门。本系统可设置3处红外检测,负责检测顾客的位置信息。

3.4 门禁驱动模块

门禁驱动模块由三极管进行控制,本设计选用PNP型三极管8550,三极管发射机接3.3 V电源,集电极接继电器。当红外检测电路检测到有人时,将信号传输给主控,主控电路控制三极管基极为低电平状态,此时三极管导通,继电器工作,门锁打开;若基极为高电平状态,则三极管截至,门锁关闭。门禁驱动电路如图2所示。

图2 门禁驱动电路

门禁驱动电路采用反馈电路,将门禁的开关状态反馈给主控,反馈状态通过NPN型三极管给出。当门锁处于锁定状态时,门锁反馈端两端子短接,三极管处于截至状态,此时连接集电极的端口为高电平,将门禁判定为锁定状态;当门锁为打开状态时,三极管导通,此时连接集电极的端口为低电平,将门禁判定为打开。通过对反馈信号的判断,主控模块可随时了解进门和出门的开关状态,确保整个付款流程的顺利进行。

3.5 数据通信电路

当标签进入特定区域时,通电的读卡器发出高频电磁信号,标签的感应元件接收其发出的射频信号,获取相关的商品信息,获取到的信息通过RS232串口与上位机进行通信。RS232母头焊接封装主要负责读卡器和主控芯片的通信,其中3脚为接收端,4脚为发送端,1脚接地;公头焊接封装主要负责上位计算机的连接,其中2脚为数据接收端,3脚为数据发送端,5脚接地。

林露白和魏舟也一样，只是他们的遗憾不一样，魏舟的遗憾大概是他没能实现曾经许下的诺言，要带林露白去一趟敦煌；林露白的遗憾是，他们分手前搬进那间小两居时，她买了一件特别好看的围裙，一次也没穿过，她曾想过很多次，要穿着那件围裙和魏舟一起煮饭，锅里咕嘟咕嘟地煮着汤，冒着热气的厨房里，两个人一边煮饭一边说笑，不经意地接个吻，想想都美好。

系统所用单片机的引脚输出为TTL电平,TTL电平和RS232电平无论在电压范围还是在极性上都有很大的不同,因此需要使用专为RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片MAX232进行转换。

3.6 Wi-Fi联网电路

RFID系统读取商品上的电子标签ID号,并将信息传输给主控芯片,主控芯片将商品信息上传服务器,依据电子标签ID号,与数据库中的商品进行对比得到商品的数量和价格,并将信息显示在收银室显示屏上待顾客确认。本设计采用ESP8266Wi-Fi模块,实现与服务器的连接。

ESP8266 Wi-Fi模块专为移动设备、可穿戴电子产品和物联网应用而设计,内置超低功耗Tensilica L106 32位RISC处理器,单核CPU时钟速度可高达160 MHz,支持实时操作系统和Wi-Fi协议栈,能确保良好的覆盖范围[8]。

4 系统软件设计

本设计利用嵌入式操作系统实现对程序的控制,通过创建若干任务块来实现所需的功能,根据硬件电路的设计实现对硬件电路的驱动、控制的程序设计。本系统通过RFID系统、主控芯片电路、红外探测电路、数据通信电路、Wi-Fi联网电路等模块完成了硬件系统的搭建,并通过对硬件电路的驱动及控制实现了Wi-Fi通信、红外感应、门禁控制、读卡控制等功能。

4.1 Wi-Fi通信

ESP8266Wi-Fi模块支持STA/AP/STA+AP这3种工作模式,本模块测试采用STA工作模式。在STA模式下,ESP8266通常被配置成一个客户端,连接到外部的服务器或服务。它可以像智能手机或电脑一样连接到互联网,并与远程服务器通信,因此系统Wi-Fi模块通过路由器连接互联网,电脑通过互联网对系统中的设备进行远程控制。通过发送指令AT+CWJAP= ″111″,″12345678″将模块接入指定网络,再发送访问服务器指令AT+CIPSTART连接服务器,实现Wi-Fi模块与指定服务器的协议通信。模块的透传模式使得人们无需关心Wi-Fi协议如何实现数据的传输,直接转发到所设置的目标服务器的端口上即可。模块网络配置如图3所示。

图3 网络配置

4.2 红外检测及门禁控制

本系统有2处门禁及3处红外检测,应保证系统运行中至多有一道门处于开启状态,且需要避免顾客付款离开后出口迟迟未关的情况。当顾客选购完商品进入红外感应区域时,系统自动开启入口门,延迟数秒后关闭。当收银室检测到顾客在内,出入口皆处于关闭状态,读卡器开启进行读卡。待读卡完成且顾客付款成功后,打开出口,直到收银室检测不到顾客时,关闭出口,等待下一名顾客进入。

红外检测在出入口各设置一处,收银室内设置一处,本系统测试阶段,模拟顾客进入超市如下。当出口处红外检测顾客需要进入,且入口处未检测顾客准备离开,则开启出口闸门,延时数秒等待顾客进入,待出口闸门关闭则打开入口闸门,等待顾客进入超市。系统门禁及红外检测设计如图4所示。

图4 系统门禁及红外检测设计

4.3 读卡控制

读卡器自带电源线和9针串口母头,将串口的收发引脚与主控芯片连接即可。运行时,先初始化读卡器连接的外设串口,发送指令关闭读卡器。当收银室入口检测到顾客进入并关闭入口后,读卡器启动开始读卡。由于高频读卡器在读取时有发生错误的概率,因此,为确保读卡器信息正确,可采用多个读卡器轮流读卡的方式。若多次读卡的信息对比无误,则传送给主控芯片上传到服务器,若对比不一致,则延长读卡时间,直至对比无误为止。

5 模拟测试

根据上文进行模型搭建,测试阶段利用LED灯模拟顾客出入超市,入口红外检测到顾客,LED灯点亮,入口闸门打开,出口闸门关闭,顾客进入付款区,门禁测试如图5所示。

图5 门禁测试

本设计的目的是为解决超市付款排队的问题,因此测试结账过程所需时间为重点,当含有大量RFID标签进入结账区域时,所需时间如图6所示,经过检测,RFID扫描所需时间大大低于超市人工扫码的时间,可提高结账过程的效率。

图6 RFID识别时间

6 结束语

本文提出了一种基于RFID的智能超市购物系统,从硬件和软件2个方面介绍了系统的RFID系统、主控芯片电路、红外探测电路、数据通信电路、Wi-Fi联网电路等模块的设计。经过测试,证明该系统简化了顾客的结账流程,缩短了等候时间。但本系统部分功能还需要进一步加强,系统也可根据需要进一步开发完善。