基于無線射頻識(shí)別技術(shù)的超市快速結(jié)算系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

，

(蘇州健雄職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程學(xué)院， 江蘇 太倉 215411)

0 引言

目前，隨著人口的增加及消費(fèi)水平的提高，超市給人們的生活帶來了眾多的便利，但同時(shí)也帶來了一些問題，如購(gòu)物結(jié)賬排隊(duì)過長(zhǎng)所引起的等待時(shí)間過久、條形碼結(jié)算效率低下、付款方式繁瑣等問題，如這種問題得不到及時(shí)解決，必然會(huì)造成消費(fèi)者購(gòu)物滿意度不高和超市經(jīng)濟(jì)效益的下降。針對(duì)以上現(xiàn)象，本文利用RFID技術(shù)能實(shí)現(xiàn)快速掃描電子標(biāo)簽信息的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種超市商品快速結(jié)算系統(tǒng)。

RFID(radio frequency identification)技術(shù)又稱無線射頻識(shí)別[1-3]，是一種無線通信技術(shù)，可通過無線電訊號(hào)識(shí)別特定目標(biāo)并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)，而無需識(shí)別系統(tǒng)與特定目標(biāo)之間建立機(jī)械或光學(xué)接觸。傳統(tǒng)條形碼掃描只能通過掃描槍單件物品掃描，若掃描槍與條形碼之間有阻擋或掃描姿勢(shì)不對(duì)，則不能讀取出商品信息，而RFID是一種無線技術(shù)，它可以輕松透過各種非金屬式物品讀取到被阻擋的標(biāo)簽，具有快速掃描、可重復(fù)使用、穿透性、數(shù)據(jù)記憶量大及安全性等特點(diǎn)。當(dāng)電子標(biāo)簽進(jìn)入磁場(chǎng)后，接收讀寫器發(fā)出的射頻信號(hào)。無源電子標(biāo)簽憑借被動(dòng)產(chǎn)生感應(yīng)電流所獲得的能量發(fā)送出存儲(chǔ)在芯片中的產(chǎn)品信息，利用RFID防碰撞算法還可以實(shí)現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)讀取多個(gè)標(biāo)簽。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

超市快速結(jié)算系統(tǒng)配合RFID標(biāo)簽，可以實(shí)現(xiàn)一次性讀完商品信息的功能，并計(jì)算出價(jià)格顯示在4.7寸屏幕上，用戶可以通過RFID卡實(shí)現(xiàn)付款。此方案相比于傳統(tǒng)手持式掃碼器掃描商品條形碼讀取信息方案的最大優(yōu)點(diǎn)就是節(jié)約時(shí)間，避免用戶購(gòu)物結(jié)賬時(shí)等待時(shí)間過長(zhǎng)問題。用戶付賬成功后可獲得TTL打印機(jī)所打印的購(gòu)買信息收據(jù)單，同時(shí)RFID卡所綁定的用戶手機(jī)號(hào)也會(huì)收到相關(guān)消費(fèi)信息短信。

本超市快速結(jié)算系統(tǒng)是基于RFID技術(shù)實(shí)現(xiàn)，通過觸控4.7寸電阻屏來控制標(biāo)簽讀卡器讀取商品標(biāo)簽信息，并根據(jù)用戶決定是否付款。當(dāng)用戶用射頻卡付款成功后會(huì)打印出用戶所購(gòu)買的商品清單并通過SIM900模塊將所扣款的信息發(fā)送給用戶，液晶屏同時(shí)也會(huì)顯示用戶購(gòu)買的物品數(shù)量及總金額。在用戶操作過程中，當(dāng)標(biāo)簽讀卡器開始讀卡時(shí)，蜂鳴器會(huì)提醒用戶讀卡器正在工作，在標(biāo)簽讀卡器讀取完畢后蜂鳴器也會(huì)提醒用戶讀取完畢。

如圖1所示，本超市結(jié)算系統(tǒng)是由STM32最小系統(tǒng)、SIM900短信模塊、4.7寸電阻屏、蜂鳴器模塊、商品RFID標(biāo)簽超高頻讀卡器、TTL串口打印機(jī)、高頻卡讀卡器及扣款射頻卡和商品RFID標(biāo)簽組成[4]。

圖1 系統(tǒng)框圖

項(xiàng)目所要求的指標(biāo)如下：

1)貨架電子標(biāo)簽電壓<6 V,靜態(tài)電流<0.1 mA， 溫度-10～50 ℃，低功耗工作模式下電池壽命>5年。

2)貨架電子標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)單一自組網(wǎng)數(shù)量>65 000個(gè)，通信距離>2 km。

3)RFID商品電子標(biāo)簽讀寫器工作頻率為915 MHz，有效讀寫工作距離1～8 m可調(diào)。

4)無線定位精度<0.5 m。

5)軟件系統(tǒng)具備移植性，可在嵌入式和PC機(jī)同步運(yùn)行。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件電路包括USB轉(zhuǎn)串口一鍵下載電路、液晶屏電路、穩(wěn)壓電路、存儲(chǔ)電路、字庫電路、復(fù)位電路、晶振電路、蜂鳴器電路、按鍵電路，并引出供TTL串口打印機(jī)、SIM900模塊、RFID標(biāo)簽超高頻讀卡器、RFID高頻讀卡器所使用的接口[5-6]。其中，液晶屏為4.7寸電阻式TFT觸摸屏，用戶可以通過該屏幕清楚看見自己所購(gòu)買物品的數(shù)量及總金額，并可以通過觸控屏實(shí)現(xiàn)信息交互。由于使用的是TFT液晶屏，考慮到字庫文件較大，故設(shè)計(jì)了字庫電路，將TFT液晶屏的多個(gè)字庫封存在了W25X16 flash芯片中，主控芯片通過SPI接口來讀取字庫信息。同時(shí)為避免停電、跳閘時(shí)超市快速結(jié)算系統(tǒng)出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的問題，本設(shè)計(jì)中增加了存儲(chǔ)電路，其使用的是IIC通訊接口的AT24C02存儲(chǔ)芯片，用于存放商品信息、用戶信息、標(biāo)簽號(hào)等。

超市快速結(jié)算系統(tǒng)的主控芯片采用增強(qiáng)型STM32F103[7]，屬于中低端的32位ARM微控制器，其內(nèi)核為ARM Cortex-M3、時(shí)鐘最高可達(dá)到72 MHz，具有5個(gè)USART接口、3個(gè)SPI接口、2個(gè)IIC接口和11個(gè)定時(shí)器等，可以滿足本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

2.1 短信發(fā)送模塊

短信發(fā)送模塊采用的是SIM900A模塊，屬于雙頻GSM/GPRS模塊，工作頻率為900 MHz和1 800 MHz，其供電電壓為5V，需要SIM卡。具備收發(fā)短信、撥號(hào)接聽、GPRS數(shù)據(jù)等功能，其外部通訊口為TLL串口，通過AT指令進(jìn)行操控。在本系統(tǒng)中由主控芯片通過串口發(fā)送AT指令操控，AT指令是主控芯片STM32F103與SIM900之間的通信協(xié)議，完成對(duì)SIM900的控制，負(fù)責(zé)發(fā)送扣款短信給消費(fèi)顧客。

2.2 標(biāo)簽讀卡器

標(biāo)簽讀卡器是小型UHF-RFID超高頻讀寫讀卡模塊[8]，如圖2所示。它支持ISO18000-6C/EPC C1G2標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。工作電壓5 V，可讀取0～30cm間的RFID標(biāo)簽，其外部通訊接口為TTL串口/RS232，為方便使用，本設(shè)計(jì)中使用TTL串口作為通訊口。標(biāo)簽采用RFID技術(shù)，其具有讀取速度快、讀取距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)、穿透性強(qiáng)、安全性高等優(yōu)點(diǎn)，其最大的優(yōu)點(diǎn)是RFID讀卡器可以在短時(shí)間內(nèi)對(duì)多個(gè)RFID標(biāo)簽進(jìn)行讀取的功能，這是傳統(tǒng)掃碼槍所不具備的。利用該技術(shù)可以在短時(shí)間將用戶所購(gòu)買的商品信息快速的讀取并計(jì)算出來，從而減少用戶的等待時(shí)間。RFID標(biāo)簽為Alien H3電子標(biāo)簽，具有64位ID號(hào)，其內(nèi)部協(xié)議為IISO/IEC 18000-6C & EPC global Class 1 Gen 2 ,工作頻率為860～960 MHz，由于該頻段在全球的定義是不相同的，在亞洲規(guī)定為868 MHz(該頻段波長(zhǎng)大概在30 cm左右)，所以這里選型采用型號(hào)H3-9662，它具有很高的數(shù)據(jù)傳輸效率，能在很短的時(shí)間內(nèi)被讀寫，常應(yīng)用于生產(chǎn)線自動(dòng)化管理、航空包裹管理、集裝箱包裹管理等。

圖2 標(biāo)簽讀卡器

2.3 射頻IC卡讀卡器

RC522射頻IC卡讀卡器是一種常見的讀卡器[9-10]，如圖3所示。 RC522芯片是應(yīng)用于13.56 MHz非接觸式通訊中高集成度的讀卡器芯片，支持14443A協(xié)議。支持的卡類型：mifare1 S50、mifare1 S70、mifare UltraLight、mifare Pro、mifare Desfire。RC522模塊是基于SPI通訊，由主控板模擬SPI接口控制，主控板通過防碰撞協(xié)議使RC522射頻IC卡讀卡器工作，然后讀取標(biāo)準(zhǔn)S50空白卡，標(biāo)準(zhǔn)S50空白卡在本系統(tǒng)中模擬用戶消費(fèi)扣款卡。

圖3 RC522射頻IC卡讀卡器

2.4 TTL串口打印機(jī)

TTL串口打印機(jī)是一種嵌入式微型熱敏打印機(jī)，它其與普通打印機(jī)最大的區(qū)別是使用串口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，通過打印頭上安裝有半導(dǎo)體加熱元件，打印頭加熱并接觸熱敏打印紙后就可以打印出需要的內(nèi)容。主控板僅需通過串口打印出一定格式的內(nèi)容，熱敏打印機(jī)即可打印出來。在本系統(tǒng)中用于打印消費(fèi)者購(gòu)買清單。

2.5 超市快速結(jié)算硬件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)主控板PCB采用雙層電路板設(shè)計(jì)，主要使用SMT貼片元器件，大大節(jié)省了板子面積。在布局方面，充分考慮到實(shí)際情況，將整塊PCB大小壓縮到與TFT液晶屏大小相同，所有元器件放于TFT屏下面，一方面節(jié)省了板子面積，另一方面也增加了美觀度。因主控系統(tǒng)需連接多個(gè)外圍模塊，所以將預(yù)留端口放于板子周圍，方便接線調(diào)試。其中，SIM900短信模塊可直接插于該電路板反面后座上，減少一定接線工作。如圖4與5分別是該本系統(tǒng)硬件主控板電路PCB板的正反面。

圖4 PCB板圖(正面3D)

圖5 PCB板圖(反面3D)

硬件實(shí)現(xiàn)中主要是RFID讀卡器識(shí)別商品上的標(biāo)簽，將采集到的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸給收銀端和后臺(tái)服務(wù)端，后臺(tái)服務(wù)端接受到數(shù)據(jù)后開始進(jìn)行分析和處理，并將處理結(jié)果傳輸?shù)角芭_(tái)，前臺(tái)接受到數(shù)據(jù)后顯示并打印出付款明細(xì)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖6是超市快速結(jié)算系統(tǒng)程序流程圖。當(dāng)主控電路板上電后，首先STM32初始化，初始化STM32的串口、定時(shí)器、模擬SPI、模擬IIC；當(dāng)STM32內(nèi)部資源初始化好后通過相關(guān)接口與外部模塊進(jìn)行通訊并初始化外部模塊。當(dāng)用戶需要掃描自己購(gòu)買的物品時(shí)，僅需將貼有RFID標(biāo)簽的商品放于RFID標(biāo)簽讀卡器上，并點(diǎn)擊TFT觸摸屏上的“計(jì)算”按鍵，隨后STM32將發(fā)送一組指令給RFID標(biāo)簽讀卡器，RFID標(biāo)簽讀卡器收到指令后通過防碰撞算法將所有標(biāo)簽的ID號(hào)讀取出來并封裝成包發(fā)送給STM32，STM32根據(jù)收到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析，與24C02中存儲(chǔ)的商品信息進(jìn)行匹配，并計(jì)算出價(jià)格與商品數(shù)量顯示在TFT液晶屏上。

用戶查看信息后可決定是否付款，當(dāng)點(diǎn)下“付款”按鈕后，STM32啟動(dòng)RC522射頻卡讀卡器進(jìn)入讀卡模式并等待用戶刷卡。用戶將自己的消費(fèi)卡放置射頻卡讀卡器讀取范圍內(nèi)，射頻卡讀卡器通過防碰撞算法讀取到用戶消費(fèi)卡的卡號(hào)，與24C02中存儲(chǔ)的用戶信息進(jìn)行匹配。當(dāng)用戶確認(rèn)付款并且匹配成功后，STM32會(huì)對(duì)用戶信息中的金額進(jìn)行更新，由TTL打印機(jī)打印出用戶所購(gòu)買的物品清單，打印完后將發(fā)送用戶消費(fèi)信息短信給用戶，用戶手機(jī)號(hào)事先與消費(fèi)卡號(hào)綁定寫入存儲(chǔ)芯片中；若用戶確認(rèn)付款但匹配沒有成功，STM32也會(huì)通過液晶屏來告知用戶；若用戶確認(rèn)付款并且匹配成功但是卡內(nèi)余額不足，STM32也會(huì)通過液晶屏來提示用戶，此時(shí)用戶只能通過重新讀取標(biāo)簽計(jì)算價(jià)格，并重新付款。

void RFID_READ_id(void)函數(shù)是RFID標(biāo)簽反饋數(shù)據(jù)包解析代碼程序，RFID標(biāo)簽讀卡器將讀取到的RFID標(biāo)簽ID號(hào)封裝成包發(fā)給STM32，STM32解析其中的ID號(hào)并與存儲(chǔ)器中的ID號(hào)進(jìn)行匹配，匹配成功后將進(jìn)行金額累計(jì)與數(shù)量累計(jì)，并通過屏幕顯示給用戶。

圖6 程序流程圖

主要核心代碼如下：

void RFID_READ_id(void)

{

int i,j,z,k;//定義變量

float money = 0.00;

unsigned long b;

unsigned char c[6];

BSP_USART_OUT(USART2,Read_Card,7);//發(fā)送讀取指令

delay_ms(1500);//等待處理

BSP_USART_OUT(USART1,Rec_Buf1,100);//發(fā)送至電腦端

for(i=6;i<1024;i+=24)

{

for(j=0;j<8;j++)//與數(shù)據(jù)庫核對(duì)

{

for(z=0;z<14;z++)

{ if(Rec_Buf1[i+z]==Card_database[j][z])

k++;

}

if(k==14)

{

money += commodity_price[j];

number++;

}

k=0;

}

}

圖7 超市快速結(jié)算系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)效果

for(i=0;i<1024;i++)//清空接收數(shù)組

Rec_Buf1[i] = 0;

buf_num1=0;//清除接收計(jì)數(shù)

b = (unsigned long)(money*100);

c[0] = b/10000%10+'0';

c[1] = b/1000%10+'0';

c[2] = b/100%10+'0';

c[3] = '.';

c[4] = b/10%10+'0';

c[5] = b%10+'0';

BSP_USART_OUT(USART1,c,6);//回復(fù)收到數(shù)據(jù)

USART_printf(USART1," ");

POINT_COLOR=BLACK;

Show_Str(30,60,300,32,"數(shù)量",32,1);

Show_32number(161,60,300,number);

Show_Str(260,60,300,32,"個(gè)",32,1);

Show_Str(30,90,300,32,"金額",32,0); Show_32double(126,90,350,money);

Show_Str(260,90,300,32,"元",32,1);

}

超市快速結(jié)算系統(tǒng)實(shí)物圖7(a)，將相關(guān)程序下載到結(jié)算系統(tǒng)各模塊中，便可實(shí)現(xiàn)價(jià)格讀取、用戶支付、清單打印及發(fā)送短信，具體實(shí)現(xiàn)效果如圖7和8所示。

圖8 消費(fèi)短信反饋效果

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

本系統(tǒng)經(jīng)過測(cè)試驗(yàn)證，可同時(shí)無差錯(cuò)識(shí)別20件商品RFID標(biāo)簽的信息，通信距離最遠(yuǎn)為10CM，相關(guān)硬件抗電磁干擾的效果良好，穩(wěn)定性較高。此外，系統(tǒng)人機(jī)交互界面簡(jiǎn)潔明了，可滿足不同用戶的結(jié)算需求。

5 總結(jié)

本文利用RFID技術(shù)具有的快速掃描電子標(biāo)簽的功能設(shè)計(jì)了一種超市快速結(jié)算系統(tǒng)，該系統(tǒng)由RFID標(biāo)簽超高頻讀卡器、RFID高頻讀卡器、TTL串口打印機(jī)及短信發(fā)送等模塊所組成，可實(shí)現(xiàn)商品價(jià)格的讀取、數(shù)據(jù)的匹配、處理、顯示、購(gòu)物清單的打印及消費(fèi)短信的發(fā)送等功能。實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)能較快地完成商品價(jià)格的匯總，縮短顧客的購(gòu)物時(shí)間，在與超市后臺(tái)結(jié)算數(shù)據(jù)庫對(duì)接后，將極大的提升顧客的購(gòu)物效率和超市的智能化管理水平。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李明娟，李海龍. 單片機(jī)和RFID技術(shù)的智能門禁系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2016(35)：123-126.

[2] 郭鳳鳴，李 兵. 基于RFID技術(shù)的方向感知方法研究[J]. 華東師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2016(2)：73-80.

[3] 楊公建，劉 勇. 室內(nèi)RFID網(wǎng)絡(luò)跟蹤算法研究[J]. 計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2010(36)：114-117.

[4] 馬旭平，馬金舟. 超市快速智能結(jié)算系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2016(12)：151-181.

[5] 胡宏梅. 基于ZigBee技術(shù)的超市貨架商品標(biāo)簽系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)，2017(3)：40-42.

[6] 張志濤，殷 業(yè). 一種基于契合度模型的室內(nèi)定位方法[J]. 計(jì)算機(jī)工程，2016(3)：295-300.

[7] 賈陽靜，鄒念育. 基于Android和WIFI通信的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 大連工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2016(1)：67-70.

[8] 浦靈敏. 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能家居實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái)的設(shè)計(jì)[J].信息技術(shù)，2016(5)：84-90.

[9] 丁利偉，李 勇. 一種基于新型標(biāo)簽識(shí)別的購(gòu)物導(dǎo)航系統(tǒng)[J]. 光電工程，2015(1)：51-57.

[10] 丁 磊，蔣東園. 語音識(shí)別技術(shù)在電子貨架標(biāo)簽系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2016(10)：186-193.