基于NFC的智能購(gòu)物車設(shè)計(jì)

韋雨軒 陳祥苗 尹浩翔 賈興東 吳靜

摘? 要：隨著第五代通信技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在中國(guó)的快速發(fā)展和部署，新零售和智能超市發(fā)展進(jìn)入快車道，傳統(tǒng)超市將重新獲得發(fā)展動(dòng)力。本文是基于NFC技術(shù)下設(shè)計(jì)的智能購(gòu)物車，通過樹莓派對(duì)NFC標(biāo)簽數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和簡(jiǎn)單處理，并與超市的云服務(wù)器異步傳輸，從而實(shí)現(xiàn)無感支付，大幅度減少排隊(duì)的情況出現(xiàn)，達(dá)到提升購(gòu)物體驗(yàn)的目的。超市利用智能購(gòu)物車云平臺(tái)和大數(shù)據(jù)，可以優(yōu)化供應(yīng)鏈，有效降低運(yùn)營(yíng)成本。

關(guān)鍵詞：智能購(gòu)物車;物聯(lián)網(wǎng);NFC;超市

中圖分類號(hào)：TP391? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：With the rapid development and deployment of fifth-generation communication technology and Internet of Things technology in China，new retail and smart supermarkets develop rapidly，and traditional supermarkets will regain development momentum.This article designed a smart shopping cart based on NFC technology.The Raspberry Pi can collect and conduct simple process of NFC tag data，and asynchronously transmit data to the supermarket cloud server.This system could achieve the purpose of non-inductive payment and significantly reduce the occurrence of queues to enhance the shopping experience.Supermarkets could use smart shopping cart cloud platforms and big data to optimize the supply chain and effectively reduce operating costs.

Keywords：smart shopping cart;internet of things;NFC;supermarket

1? ?引言（Introduction）

目前，國(guó)內(nèi)外絕大部分超市在結(jié)算的時(shí)候都是使用一維條形碼掃描，雖然一維條形碼本身具有錄入信息快，較強(qiáng)的適用性與經(jīng)濟(jì)性。但其也有較為明顯的缺點(diǎn)：所承載的信息十分有限，通常是只能記錄一定長(zhǎng)度字母和數(shù)字組合，而且一維條碼一旦遭到污損，就無法獲取真實(shí)的信息。并且一維條碼所承載的信息僅僅用于超市作為SKU（Stock keeping unit，庫(kù)存保有單位）信息來識(shí)別，對(duì)消費(fèi)者沒有實(shí)際意義。在實(shí)際購(gòu)物結(jié)算過程中，往往需要排很長(zhǎng)的隊(duì)伍才能夠結(jié)賬，較差的購(gòu)物體驗(yàn)將會(huì)造成顧客對(duì)超市認(rèn)同度下降，減少消費(fèi)次數(shù)。

智能購(gòu)物車是綜合利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、射頻識(shí)別技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、單片機(jī)于一體的設(shè)備，具有先進(jìn)性、便于管理性、經(jīng)濟(jì)性、普適性?；贜FC（Near Field Communication，近場(chǎng)通信）技術(shù)的智能購(gòu)物車，能夠大幅縮短結(jié)賬排隊(duì)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)“無感支付”。NFC是一種非接觸式自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，當(dāng)NFC標(biāo)簽靠近閱讀器的工作范圍之后，通過線圈獲得感應(yīng)電流，感應(yīng)電流經(jīng)過升壓電路作為電源，將儲(chǔ)存器寄存的信息發(fā)送給閱讀器，閱讀器再根據(jù)接收的信息進(jìn)行解碼處理。這樣大大減少人員成本，同時(shí)方便了超市管理，提高顧客的購(gòu)物體驗(yàn)。

2? ?購(gòu)物車工作原理（Working principle of shopping cart）

2.1? ?基本原理和技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)（The Internet of Things，簡(jiǎn)稱IoT）技術(shù)最早于1995年比爾·蓋茨在書《The Road Ahead》中提及?，F(xiàn)在普遍接受的定義是：利用各種傳感器和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)將各種設(shè)備、物品接入互聯(lián)網(wǎng)，以獲得實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)[1]。物聯(lián)網(wǎng)不是獨(dú)立于互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)，而是互聯(lián)網(wǎng)的延伸。將萬物實(shí)現(xiàn)智能化和自動(dòng)化。

智能購(gòu)物車就是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的一個(gè)實(shí)例，智能購(gòu)物車綜合運(yùn)用嵌入式開發(fā)，數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，無線網(wǎng)絡(luò)通信，以及射頻識(shí)別技術(shù)。單片機(jī)在購(gòu)物車上作為信息處理的模塊，同時(shí)兼?zhèn)渚W(wǎng)絡(luò)傳輸功能。實(shí)現(xiàn)購(gòu)物數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸，方便超市工作管理，也可以利用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)智能超市的感知，包括優(yōu)化庫(kù)存，調(diào)整供應(yīng)鏈等。

智能購(gòu)物車最大的特點(diǎn)就是使用了樹莓派和NFC技術(shù)。樹莓派是一種基于Arm架構(gòu)的微型電腦[2]，具備標(biāo)準(zhǔn)的馮·諾伊曼結(jié)構(gòu)。內(nèi)置CPU和內(nèi)存，需要連接Micro SD卡作為外存。同時(shí)具有連接IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的無線網(wǎng)絡(luò)模塊。支持Java、C、Python等編程語(yǔ)言，可以使用SPI驅(qū)動(dòng)。利用樹莓派，可以很快地完成對(duì)硬件驅(qū)動(dòng)的開發(fā)，對(duì)超市數(shù)據(jù)庫(kù)的連接，而不需要專門學(xué)習(xí)單片機(jī)的編程語(yǔ)言。

NFC技術(shù)即射頻識(shí)別技術(shù)，通過非接觸的方式實(shí)現(xiàn)雙向通信，NFC發(fā)起設(shè)備提供射頻場(chǎng)，NFC目標(biāo)設(shè)備運(yùn)用負(fù)載調(diào)制技術(shù)，可以和調(diào)整至與發(fā)起設(shè)備一樣的傳遞速率進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[3]。目前NFC廣泛用于公交卡、身份證，以及物流系統(tǒng)和手機(jī)中。通過NFC可以對(duì)資源進(jìn)行快速定位，信息傳輸。

NFC與RFID區(qū)別：NFC是由RFID發(fā)展而來，NFC工作頻率僅在13.56MHz，而RFID工作頻段分為低頻，高頻和特高頻，頻率從120kHz至5.8GHz，執(zhí)行不同的ISO/IEC18000標(biāo)準(zhǔn)都有不同的工作頻率。NFC可以內(nèi)置安全芯片，有效防范黑客讀取破解。

2.2? ?工作原理

供貨商將所有的商品都需要貼上NFC不干膠貼，超市只需要在收貨的時(shí)候，用掃描器掃描NFC標(biāo)簽，就可以完成入庫(kù)的操作。同時(shí)會(huì)將商品數(shù)據(jù)采集到超市的數(shù)據(jù)庫(kù)，超市可以繼續(xù)錄入完善商品的信息。當(dāng)所有商品信息都上傳至中心服務(wù)器之后，就可以使用智能購(gòu)物車進(jìn)行購(gòu)物了。智能購(gòu)物車是在傳統(tǒng)購(gòu)物車的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，擁有樹莓派+NFC閱讀器組成的系統(tǒng)。顧客的智能手機(jī)與智能購(gòu)物車通過超市WLAN或購(gòu)物車藍(lán)牙，以及NFC連接的方式，與智能購(gòu)物車進(jìn)行配對(duì)。樹莓派接入超市的WLAN，NFC閱讀器讀取商品上面NFC標(biāo)簽的內(nèi)容，返回給樹莓派數(shù)據(jù)，樹莓派對(duì)數(shù)據(jù)只對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行合法性校驗(yàn)，比如奇偶校驗(yàn)、校驗(yàn)和等。NFC標(biāo)簽使用EPC[4]（Electronic Product Code，電子產(chǎn)品編碼），并且使用鎖位式雙前綴探針防碰撞算法，可以減少冗余信息傳輸，提高算法搜索效率[5]。為了降低中心服務(wù)器的工作負(fù)荷，樹莓派將使用異步傳輸?shù)姆绞絹砼c超市服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換[6]。此時(shí)顧客的智能手機(jī)將出現(xiàn)購(gòu)物車中所存在的商品信息。圖1為超市場(chǎng)景示意圖。

3? ?工作流程（Workflow）

將購(gòu)物車推至結(jié)算區(qū)域，當(dāng)樹莓派接收到結(jié)算區(qū)域的安全網(wǎng)絡(luò)時(shí)，進(jìn)入結(jié)算程序。NFC閱讀器反復(fù)讀取數(shù)次存在于購(gòu)物車的商品上的NFC標(biāo)簽，將商品信息發(fā)送到超市服務(wù)器，超市服務(wù)器與支付網(wǎng)關(guān)連接，進(jìn)行安全認(rèn)證，對(duì)顧客賬戶進(jìn)行扣款。結(jié)算流程圖，如圖4所示。

4? ?程序?qū)崿F(xiàn)（Program realization）

4.1? ?程序架構(gòu)

整個(gè)軟件分為三個(gè)部分，由超市服務(wù)器系統(tǒng)，智能購(gòu)物車系統(tǒng)，支付網(wǎng)關(guān)組成。圖5給出了整個(gè)智能購(gòu)物車軟件架構(gòu)圖。其中，上位機(jī)是樹莓派、超市服務(wù)器和智能手機(jī)，樹莓派主要使用Python語(yǔ)言進(jìn)行軟件開發(fā)，超市服務(wù)器使用PostgreSQL數(shù)據(jù)庫(kù)，下位機(jī)是RFID-RC522A讀卡器。

4.2? ?調(diào)試讀卡器與樹莓派連接

將樹莓派的系統(tǒng)讀寫到MicroSD卡，并且在根目錄下新建SSH目錄，配置好WIFI連接。然后使用數(shù)據(jù)線與樹莓派連接，使用5V/2A直流電供電，插上即可開機(jī)。

在終端里輸入sudo raspi-config，然后再?gòu)棾鲰?yè)面選擇Interfacing Options ->SPI->確認(rèn)。

按照前文所述連接樹莓派引腳。

從git上下載測(cè)試用例：MFRC522-PYTHON，安裝依賴sudo pip install -r requirements.txt。

運(yùn)行實(shí)例 sudo python read.py，將NFC標(biāo)簽靠近讀卡器，查看屏幕是否有相應(yīng)數(shù)據(jù)。

5? ?結(jié)論（Conclusion）

目前，國(guó)內(nèi)超市的手推車大多數(shù)只能實(shí)現(xiàn)了容器功能，而現(xiàn)有的智能購(gòu)物車解決方案，加入了過多的硬件模塊，讓購(gòu)物車顯得笨重，改造成本過高。作為超市的一方，超市不希望有路徑規(guī)劃功能來縮短消費(fèi)者在超市購(gòu)物的時(shí)間，所以需要從節(jié)省部分支付時(shí)間的角度來建造智能購(gòu)物車。智能購(gòu)物車是采用單片機(jī)技術(shù)、信息處理、無線通信技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)購(gòu)物車進(jìn)行改進(jìn)。顧客可以通過智能手機(jī)進(jìn)行與超市連接，購(gòu)物車配對(duì)，從而獲取購(gòu)物車的商品信息。這樣一來就完全擺脫了對(duì)商品逐一掃碼的形式，加快購(gòu)物結(jié)算。利用先進(jìn)的技術(shù)手段，提高人們?cè)诰€下購(gòu)物的便利性，提高人們對(duì)傳統(tǒng)超市的認(rèn)可度，利用NFC標(biāo)簽，將傳統(tǒng)超市過渡到智能化超市，從而實(shí)現(xiàn)新零售。同時(shí)NFC不容易被屏蔽，所以在一定程度上能防止盜竊商品。消費(fèi)者也可以通過支持NFC功能的智能手機(jī)，掃描商品上面的NFC標(biāo)簽，查看商品售價(jià)、保質(zhì)期、生產(chǎn)廠家等，利用區(qū)塊鏈整合產(chǎn)品溯源功能[7]。購(gòu)物車的擴(kuò)展性較強(qiáng)，在實(shí)際應(yīng)用中可以靈活擴(kuò)展功能，以適應(yīng)不同的需求。

參考文獻(xiàn)（References）

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作者簡(jiǎn)介：

韋雨軒（1997-），男，本科生.研究領(lǐng)域：信息管理與信息系統(tǒng).

陳祥苗（1999-），女，本科生.研究領(lǐng)域：信息管理與信息系統(tǒng).

尹浩翔（1999-），男，本科生.研究領(lǐng)域：信息管理與信息系統(tǒng).

賈興東（1999-），男，本科生.研究領(lǐng)域：信息管理與信息系統(tǒng).

吳? 靜（2000-），女，本科生.研究領(lǐng)域：信息管理與信息系統(tǒng).