降低RFlD標(biāo)簽漏讀率的無(wú)人零售系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉曉青

（福州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 福州 350108）

[關(guān)鍵字] 無(wú)線(xiàn)射頻識(shí)別；電子標(biāo)簽；無(wú)人零售系統(tǒng)；漏讀

1 引言

近年來(lái)，隨著新零售概念的推出，眾多公司和企業(yè)推出了無(wú)人零售方案，其中大部分方案中采用了RFID（Radio Frequency Identification，無(wú)線(xiàn)射頻識(shí)別）技術(shù)，可以帶來(lái)以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）提高盤(pán)點(diǎn)效率。使用手持閱讀器可以做到對(duì)庫(kù)存的快速盤(pán)點(diǎn)，若在貨柜中直接安裝閱讀器可以做到實(shí)時(shí)盤(pán)點(diǎn)。

（2）提高結(jié)算效率。在結(jié)算區(qū)域可以快速識(shí)別消費(fèi)物品。部分公司的APP甚至可以直接扣款。

（3）提高監(jiān)管效率。對(duì)物品丟失可以快速識(shí)別，保證供應(yīng)鏈中的數(shù)據(jù)完全準(zhǔn)確，比如某些基于RFID管理的圖書(shū)館。

（4）節(jié)約人工成本。

經(jīng)過(guò)體驗(yàn)店的實(shí)際體驗(yàn)和相應(yīng)的測(cè)試，自動(dòng)買(mǎi)單時(shí)RFID標(biāo)簽有一定機(jī)率出現(xiàn)未成功識(shí)別的現(xiàn)象，這個(gè)問(wèn)題影響了方案在無(wú)人零售行業(yè)的應(yīng)用。這種技術(shù)本身的缺陷導(dǎo)致了逃單的門(mén)檻很低，某些無(wú)意識(shí)的漏單影響了客戶(hù)的體驗(yàn)，也會(huì)導(dǎo)致商家的損失，并可能出現(xiàn)大量惡意逃單，而惡意逃單和無(wú)意識(shí)逃單無(wú)法區(qū)分，最終甚至無(wú)法追責(zé)。比如：客戶(hù)在結(jié)算時(shí)，在購(gòu)物袋中裝入金屬的易拉罐，不需要做其他操作，就可以降低RFID的識(shí)別率，達(dá)到逃單的效果，而這種逃單無(wú)法追責(zé)。

為了解決多標(biāo)簽買(mǎi)單系統(tǒng)中的漏讀的問(wèn)題，本文提供了一種方案并進(jìn)行了驗(yàn)證。

2 RFID系統(tǒng)組成

RFID系統(tǒng)是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)[1]，由RFID標(biāo)簽、讀寫(xiě)器、天線(xiàn)和應(yīng)用軟件系統(tǒng)組成，如圖1所示。

圖1 RFID系統(tǒng)構(gòu)成

（1）RFID標(biāo)簽，亦稱(chēng)電子標(biāo)簽或射頻卡，能完成與讀寫(xiě)器之間的數(shù)據(jù)交換，其由電子耦合元件及電子芯片組成[2]，分為有源和無(wú)源兩類(lèi)。在無(wú)人零售行業(yè)中，商品貼上一個(gè)RFID標(biāo)簽，讀寫(xiě)器就能夠通過(guò)讀取標(biāo)簽中的內(nèi)容，確認(rèn)商品的名稱(chēng)、價(jià)格、序列號(hào)等信息。由于無(wú)人零售行業(yè)對(duì)標(biāo)簽的成本特別敏感，所以一般都使用成本最低的工作在超高頻(UHF)頻段的無(wú)源標(biāo)簽。

（2）讀寫(xiě)器，分為只讀和能讀能寫(xiě)兩類(lèi)，可通過(guò)射頻天線(xiàn)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用軟件系統(tǒng)與射頻標(biāo)簽的數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)射頻識(shí)別，是RFID硬件系統(tǒng)的重要組成部分[3]。

（3）天線(xiàn)，即射頻天線(xiàn)，RFID標(biāo)簽和讀寫(xiě)器都需要通過(guò)天線(xiàn)與對(duì)方通信，標(biāo)簽中的天線(xiàn)體積小，集成在標(biāo)簽內(nèi)部，而讀寫(xiě)器可以外接高增益的天線(xiàn)，增加標(biāo)簽的讀寫(xiě)距離。無(wú)人零售行業(yè)中，讀寫(xiě)器天線(xiàn)往往安裝在收銀臺(tái)或收銀門(mén)的位置。

（4）應(yīng)用軟件系統(tǒng)。通過(guò)應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)商品的入庫(kù)、盤(pán)點(diǎn)、支付等流程，方便工作人員和后臺(tái)實(shí)時(shí)了解商品和客戶(hù)消費(fèi)的情況。

3 RFID標(biāo)簽無(wú)法識(shí)別的原因分析

由于貨品的種類(lèi)和數(shù)量巨大，RFID標(biāo)簽成本成為其應(yīng)用的制約因素[4]。無(wú)人零售的RFID標(biāo)簽受限于成本，基本都是使用被動(dòng)式標(biāo)簽，其接收讀寫(xiě)器所發(fā)出的射頻信號(hào)，憑借感應(yīng)電流所獲得的能量發(fā)送存儲(chǔ)在芯片中的相應(yīng)信息[5]，用于自動(dòng)結(jié)賬。所以，RFID標(biāo)簽主要由三個(gè)部分組成：天線(xiàn)，RFID芯片，封裝材料（無(wú)人零售領(lǐng)域主要使用低成本的紙、不干膠與塑料進(jìn)行封裝）。

同樣受限于成本，RFID標(biāo)簽的天線(xiàn)基本采用印刷天線(xiàn)，印刷天線(xiàn)采用將金屬振子印刷在非金屬的封裝上，可以提高生產(chǎn)的效率和降低產(chǎn)品成本。

當(dāng)前無(wú)人零售主要采用ISO18000-6C的RFID標(biāo)準(zhǔn)，工作在UHF頻段，這個(gè)頻段的RIFD天線(xiàn)體積較小，并且采用印刷天線(xiàn)和低成本的封裝材料可以將標(biāo)簽成本降低到無(wú)線(xiàn)零售行業(yè)可以接受的成本以下。

雖然成本的降低使得無(wú)人零售行業(yè)大批量使用RFID天線(xiàn)成為可能，但天線(xiàn)也由于低成本的封裝，變得非常脆弱。天線(xiàn)的指標(biāo)包括頻率、輻射方向、天線(xiàn)效率、阻抗等，很容易被標(biāo)簽接觸的物體改變，影響標(biāo)簽的讀寫(xiě)距離。

根據(jù)天線(xiàn)的技術(shù)原理，只要導(dǎo)電體貼上天線(xiàn)的金屬振子，就會(huì)惡化天線(xiàn)的指標(biāo)，如果導(dǎo)電體的面積較大或與金屬振子貼得太近，就會(huì)導(dǎo)致天線(xiàn)指標(biāo)惡化到無(wú)法使用。

由于人的皮膚、金屬、水等均屬于導(dǎo)電體，因此手或金屬覆蓋標(biāo)簽達(dá)到一半以上的面積，就會(huì)導(dǎo)致標(biāo)簽無(wú)法識(shí)別。

因RFID標(biāo)簽成本是無(wú)人零售行業(yè)采用該技術(shù)的關(guān)鍵制約因素，所以本文中的方案基于低成本的RFID標(biāo)簽，不考慮高成本的抗金屬標(biāo)簽。

4 無(wú)人零售行業(yè)當(dāng)前的自動(dòng)結(jié)算方案

當(dāng)前無(wú)人零售企業(yè)的自助買(mǎi)單的方案通常采用收銀臺(tái)式或者收銀門(mén)式，閱讀器安裝在收銀臺(tái)內(nèi)或者收銀門(mén)上，可能安裝多面天線(xiàn)，但這兩種方案均無(wú)法避免標(biāo)簽無(wú)法識(shí)別的問(wèn)題。下面對(duì)這兩種收銀方式一一進(jìn)行說(shuō)明。

收銀臺(tái)方案需要客戶(hù)把結(jié)賬的物品放到自動(dòng)收銀臺(tái)上，然后收銀臺(tái)會(huì)自動(dòng)識(shí)別結(jié)賬物品，最終通過(guò)顯示模塊輸出結(jié)賬的最終數(shù)據(jù)，客戶(hù)通過(guò)移動(dòng)支付自助結(jié)賬。

圖2 收銀臺(tái)方案支付流程

圖3 自助收銀臺(tái)設(shè)計(jì)

收銀門(mén)式方案通過(guò)客戶(hù)攜帶物品通過(guò)收銀門(mén)時(shí)，收銀門(mén)會(huì)通過(guò)門(mén)上的多個(gè)讀寫(xiě)器識(shí)別客戶(hù)攜帶的物品，最終通過(guò)顯示模塊輸出結(jié)賬的最終數(shù)據(jù)，客戶(hù)通過(guò)移動(dòng)支付自助結(jié)賬。

圖4 收銀門(mén)方案支付流程

圖5 收銀門(mén)設(shè)計(jì)

根據(jù)標(biāo)簽無(wú)法識(shí)別的技術(shù)原理，收銀臺(tái)方案的準(zhǔn)確性受制于買(mǎi)單物品的材質(zhì)以及買(mǎi)單物品的擺放方式，如果標(biāo)簽剛好貼在金屬物品的表面，收銀臺(tái)是無(wú)法識(shí)別此標(biāo)簽的?？蛻?hù)如果多拿些金屬貨品堆在一起，基本上都會(huì)出現(xiàn)個(gè)別標(biāo)簽無(wú)法識(shí)別的問(wèn)題。

收銀門(mén)方案，除了物品的堆疊導(dǎo)致無(wú)法識(shí)別外，還很容易出現(xiàn)客戶(hù)的皮膚接觸標(biāo)簽而導(dǎo)致漏讀的問(wèn)題，客戶(hù)只要用手大面積握住標(biāo)簽，就能通過(guò)收銀門(mén)而不被識(shí)別。

所以，現(xiàn)有解決方案最大的問(wèn)題是無(wú)法避免擺放而導(dǎo)致的標(biāo)簽之間的接觸，標(biāo)簽和金屬的接觸以及標(biāo)簽和皮膚的接觸，導(dǎo)致了逃單的成本極低，而且由于客戶(hù)并無(wú)違反商家規(guī)定的行為，即使有惡意的逃單，也無(wú)法追責(zé)。目前該問(wèn)題已經(jīng)影響了無(wú)人零售方案的推廣。

5 本文提出的新的解決方案

為了解決當(dāng)前問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種新的解決方案，在不增加標(biāo)簽成本的前提下，通過(guò)修改讀寫(xiě)器和支付方式，最終解決標(biāo)簽無(wú)法識(shí)別的問(wèn)題。

（1）出口人貨分離，這樣可以避免標(biāo)簽接觸皮膚導(dǎo)致的無(wú)法識(shí)別。

（2）貨物采用通道機(jī)的方式通過(guò)門(mén)口，并且在通道機(jī)的內(nèi)部使用機(jī)械裝置改變物品的擺放方式，避免標(biāo)簽與標(biāo)簽、標(biāo)簽與金屬商品接觸導(dǎo)致的無(wú)法識(shí)別問(wèn)題。

圖6 人貨分離支付流程

圖7 人貨分離方案設(shè)計(jì)示意圖

根據(jù)圖7中所示，通道機(jī)包括貨品放置區(qū)與對(duì)應(yīng)顯示器、掃描器、傳輸裝置和結(jié)賬區(qū)的顯示器。將需要買(mǎi)單的貨品，從店鋪內(nèi)部的放置區(qū)傳輸?shù)浇Y(jié)賬區(qū)，并且在傳送過(guò)程中完成掃描，為了避免貨品的放置方式導(dǎo)致的標(biāo)簽無(wú)法識(shí)別，傳輸裝置使用塑料滾軸設(shè)計(jì)，保證貨品傳輸過(guò)程中會(huì)有上下起伏以及轉(zhuǎn)動(dòng)而使緊貼的貨物分開(kāi)，避免標(biāo)簽緊貼金屬物品或者其他標(biāo)簽。

圖8 滾軸傳輸裝置導(dǎo)致物品分開(kāi)

由于RFID的標(biāo)簽掃描速度是毫秒級(jí)別的，所以在通道機(jī)中，只要標(biāo)簽與干擾物有毫秒級(jí)別的機(jī)會(huì)分開(kāi)，即可成功掃描，所以在通過(guò)滾軸傳輸裝置后，可完全打亂原有的放置方式，保證掃描到所有正常的電子標(biāo)簽。

6 新方案的有益效果

（1）新的解決方案不會(huì)提高標(biāo)簽成本，但可以解決由于RFID技術(shù)本身的缺陷帶來(lái)的逃漏單問(wèn)題。

（2）新的支付流程保證了對(duì)惡意損壞標(biāo)簽的逃漏單追責(zé)，避免了由于技術(shù)缺陷而無(wú)法追責(zé)的問(wèn)題，增加了惡意逃單的成本和難度。

7 新方案驗(yàn)證結(jié)果

實(shí)驗(yàn)設(shè)備：RFID讀寫(xiě)器，8dbi天線(xiàn)，滾動(dòng)裝置

實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品與標(biāo)簽：5瓶礦泉水，5瓶易拉罐，10個(gè)低成本RFID標(biāo)簽

測(cè)試方案：將實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品按照測(cè)試模型放置好后，打開(kāi)實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行讀取標(biāo)簽信息的操作，讀寫(xiě)時(shí)間為10秒；10秒后關(guān)閉實(shí)驗(yàn)設(shè)備。

表1 讀寫(xiě)距離測(cè)試結(jié)果

結(jié)論1：低成本標(biāo)簽的抗金屬和抗液體的能力弱，必須要接近天線(xiàn)才能被識(shí)別。而高成本的抗金屬標(biāo)簽不易在無(wú)人零售系統(tǒng)中大量使用。

表2 多標(biāo)簽靜止測(cè)試結(jié)果

結(jié)論2：當(dāng)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品無(wú)規(guī)律堆疊在一起時(shí)，靜止情況下很容易產(chǎn)生漏讀的情況，尤其是有金屬產(chǎn)品時(shí)，即使天線(xiàn)距離在0.1米的情況，也無(wú)法全部讀出。

表3 多標(biāo)簽移動(dòng)測(cè)試結(jié)果

結(jié)論3：當(dāng)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品跟著滾軸產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)和位移時(shí)，標(biāo)簽就有機(jī)會(huì)被讀寫(xiě)器讀到。10秒時(shí)間，足夠?qū)⑺袠?biāo)簽讀出。

8 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用本文描述的解決方案，可較好地解決無(wú)人零售系統(tǒng)中標(biāo)簽識(shí)別失敗的問(wèn)題，能保證買(mǎi)單時(shí)不會(huì)出現(xiàn)商品漏讀，若有人惡意破壞標(biāo)簽達(dá)到逃單目的，也可以通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行追責(zé)。