(常州大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 常州 213164)

0 引言

隨著城鄉(xiāng)一體化的發(fā)展，我國城鎮(zhèn)人口數(shù)量日益劇增，同時(shí)大型超市的數(shù)量也隨之增加。大型超市給人們帶來便利的同時(shí)也存在許多問題，結(jié)賬排隊(duì)問題尤為突出。如何提高結(jié)賬效率是亟待解決的問題。國內(nèi)外不少研究人員對(duì)此展開了研究，提出了多種改進(jìn)方法，但是目前提出的方法依舊存在許多問題。文獻(xiàn)[1]～[2]提出一種消費(fèi)者通過手持掃描設(shè)備對(duì)自己的購買商品進(jìn)行掃描，然后到收銀處一次性導(dǎo)入來提高收銀效率的方法。該方法在一定程度上縮短了排隊(duì)時(shí)間，但是它增加了消費(fèi)者的工作量，缺乏人性化。文獻(xiàn)[3]應(yīng)用射頻識(shí)別(radio frequency identification，RFID)技術(shù)對(duì)商品信息進(jìn)行掃描，收銀部分依舊采用傳統(tǒng)的人工收銀。該方法提高了掃描效率，但是沒有解決人工收銀中找零麻煩的問題。文獻(xiàn)[4]提出自動(dòng)出納機(jī) (automatic teller machine，ATM)原理和嵌入式系統(tǒng)相結(jié)合的方案。該方法在一定程度上實(shí)現(xiàn)了收銀自助化，但是仍不夠完善。為實(shí)現(xiàn)掃描速度和收銀快捷性的有機(jī)結(jié)合，本文提出一種基于近距離無線通信 (near field communication，NFC)和RFID融合技術(shù)的超市支付系統(tǒng)[5-7]。RFID技術(shù)實(shí)現(xiàn)商品信息的快速掃描，NFC技術(shù)實(shí)現(xiàn)快速電子支付。兩者的有機(jī)融合能很好地克服目前超市收銀系統(tǒng)的缺陷。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件采用模塊化設(shè)計(jì)方案。系統(tǒng)主要由NFC支付單元[8-9]、RFID閱讀單元[10-11]、液晶顯示屏、紅外檢測單元、鍵盤單元、門禁控制單元以及壓電轉(zhuǎn)換單元等組成。其中，NFC支付單元設(shè)置于支付區(qū)內(nèi)，通過有線或無線與云計(jì)算平臺(tái)連接。RFID閱讀單元由設(shè)置于支付區(qū)內(nèi)的3個(gè)RFID閱讀器平行排列組成。液晶顯示屏設(shè)置于支付區(qū)內(nèi)，用于實(shí)時(shí)顯示商品信息，并通過語音提示顧客確認(rèn)購物。紅外檢測單元分別設(shè)置于等待區(qū)和支付區(qū)內(nèi)。整個(gè)支付區(qū)域分為等待區(qū)和支付區(qū)，等待區(qū)和支付區(qū)通過第一門禁隔開，支付區(qū)的邊界由第一門禁和第二門禁限定，通過門禁控制單元的有效控制實(shí)現(xiàn)顧客支付流程的控制。

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

1.1 門禁控制電路

嵌入式微控制器通過I/O口高低電平控制9014的通斷，從而調(diào)節(jié)繼電器電流的通斷，實(shí)現(xiàn)門禁的開關(guān)控制。具體門禁控制電路如圖2所示。

圖2 門禁控制電路

控制電路通過施密特觸發(fā)器HCF40106BM1對(duì)波形進(jìn)行整形，預(yù)防波形失真造成誤開門。為了預(yù)防電荷積累過多損壞9014，在9014集電極增加1N4007進(jìn)行電流引導(dǎo)；同時(shí)為了防止9014被擊穿，在基極增加電阻R21進(jìn)行限壓。

1.2 支付天線設(shè)計(jì)

天線設(shè)計(jì)采用單層圓角矩形線圈，通過在激勵(lì)處串聯(lián)一個(gè)電阻R和電容C獲得13.56 MHz匹配頻率。通過高頻結(jié)構(gòu)仿真(high frequency structure simulator，HFSS)軟件得出仿真天線Smith圖。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，當(dāng)R=50 Ω、C=26.5 pF時(shí)，散射參數(shù)最低點(diǎn)最接近13.56 MHz。具體匹配參數(shù)：外圈長度為35 mm、外圈寬度為23 mm、線寬為0.6 mm、線間距為0.4 mm、引線間距為3 mm、介質(zhì)板厚度為0.1 mm、線圈數(shù)為5、介電常數(shù)為3.5。

1.3 壓電轉(zhuǎn)換單元

壓電轉(zhuǎn)換單元由鋪設(shè)在購物支付通道口附近的壓電材料組成，對(duì)消費(fèi)者及購物車壓力變化產(chǎn)生的能量進(jìn)行收集，用于降低市電的消耗，使得斷電時(shí)電能得到及時(shí)補(bǔ)給，確保消費(fèi)者順利結(jié)算，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。具體轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。

圖3 壓電轉(zhuǎn)換電路圖

首先壓電陶瓷(piezoelectric ceramic transducer，PZT)產(chǎn)生壓電效應(yīng)，電能通過整流電路將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為單相電能；然后通過超級(jí)電容CP暫存能量；最后通過電壓轉(zhuǎn)換電路獲得穩(wěn)定的3.3 V電壓。

1.4 紅外檢測單元

系統(tǒng)紅外檢測單元采用人體感應(yīng)模塊DYP-ME003。DYP-ME003主要由紅外探頭、菲涅爾透鏡、BISS0001調(diào)理芯片組成。DYP-ME00的3個(gè)引腳依次為工作電源、電平輸出、地線。當(dāng)檢測區(qū)有人出現(xiàn)時(shí)，第二引腳輸出3.3 V電壓，反之為0 V電壓。第二引腳與控制器的I/O相連接，通過判斷電壓的高低來判斷是否有人。系統(tǒng)中采用了2個(gè)人體感應(yīng)模塊，其中一個(gè)置于等待區(qū)，另一個(gè)置于支付區(qū)。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

超市軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

軟件系統(tǒng)由通信子系統(tǒng)、超市管理子系統(tǒng)、能源供應(yīng)子系統(tǒng)、商品預(yù)購子系統(tǒng)、結(jié)賬子系統(tǒng)、門禁子系統(tǒng)和報(bào)警子系統(tǒng)組成。其中，通信子系統(tǒng)由無線網(wǎng)和有線網(wǎng)有機(jī)結(jié)合，用于完成各個(gè)子系統(tǒng)之間的通信以及與云計(jì)算平臺(tái)的通信；超市管理子系統(tǒng)用于庫存報(bào)表、營銷報(bào)表的自動(dòng)制作；能源供應(yīng)子系統(tǒng)用于超市系統(tǒng)能量的正常供應(yīng)；商品預(yù)購子系統(tǒng)用于消費(fèi)者對(duì)超市商品的預(yù)購；結(jié)賬子系統(tǒng)和門禁子系統(tǒng)相結(jié)合，用于控制消費(fèi)者支付結(jié)賬；報(bào)警子系統(tǒng)用于預(yù)防消費(fèi)者誤帶商品出超市以及設(shè)備故障報(bào)警。

2.2 系統(tǒng)主流程

系統(tǒng)由等待區(qū)和支付區(qū)兩部分組成，兩區(qū)的控制通過門禁設(shè)備在控制器協(xié)調(diào)下完成，同時(shí)等待區(qū)設(shè)有商品回收臺(tái)，便于對(duì)顧客不想購買的商品進(jìn)行回收，極大地方便了顧客。系統(tǒng)軟件在Linux操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上展開研究，其主流程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)主流程圖

RFID閱讀器由3個(gè)閱讀器并排組成，前兩個(gè)RFID閱讀器狀態(tài)由等待區(qū)的紅外檢測器監(jiān)測結(jié)果決定。當(dāng)檢測器檢測到等待區(qū)有人時(shí)，激活支付區(qū)內(nèi)前兩個(gè)RFID閱讀器。如果第二個(gè)閱讀器相對(duì)第一個(gè)閱讀器有新數(shù)據(jù)時(shí)，激活第三個(gè)閱讀器，并進(jìn)一步讀取電子標(biāo)簽，以確保讀取的準(zhǔn)確率。

2.3 NFC支付流程

實(shí)時(shí)NFC支付流程圖如圖6所示。

圖6 NFC支付流程圖

3 系統(tǒng)優(yōu)化

系統(tǒng)分別從實(shí)時(shí)性、安全性和穩(wěn)定性3個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化。

① 實(shí)時(shí)性

為了增強(qiáng) Linux 的實(shí)時(shí)性，對(duì) Linux內(nèi)核中的剝奪補(bǔ)丁和實(shí)時(shí)調(diào)度器進(jìn)行修改。剝奪補(bǔ)丁通過修改spinlock(旋轉(zhuǎn)鎖)和中斷返回代碼來實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)內(nèi)核實(shí)時(shí)性，保證內(nèi)核運(yùn)行的正確性和健康性。當(dāng)spinlock 釋放和中斷返回時(shí)，剝奪補(bǔ)丁能有效減少喚醒事件發(fā)生和設(shè)置 need_resched 標(biāo)志之間的時(shí)間。

② 安全性

首先在Linux平臺(tái)設(shè)計(jì)移動(dòng)可信模塊(mobile trusted module,MTM)驅(qū)動(dòng)程序；然后用Hash函數(shù)和認(rèn)證碼算法來架構(gòu)NFC近場支付的安全、高效商務(wù)形式，代替了可信移動(dòng)平臺(tái)(trusted mobile platform，TMP)標(biāo)準(zhǔn)方案中的數(shù)字簽名和驗(yàn)證算法，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)NFC近場支付。

③ 穩(wěn)定性

為了提高系統(tǒng)供電穩(wěn)定性，在供能單元增加了壓電轉(zhuǎn)換設(shè)備，通過鋪設(shè)在購物支付通道口附近的壓電材料，對(duì)消費(fèi)者及購物車壓力變化產(chǎn)生的能量進(jìn)行收集，以降低市電的消耗和完成斷電時(shí)電能的及時(shí)補(bǔ)給，確保消費(fèi)者順利結(jié)算。

4 結(jié)束語

基于NFC技術(shù)和RFID技術(shù)的超市支付系統(tǒng)，具有穩(wěn)定可靠、實(shí)時(shí)性高、安裝維護(hù)方便、結(jié)算效率高等優(yōu)點(diǎn)，但是離廣泛投產(chǎn)應(yīng)用還存在一定距離，主要影響因素如下。

① 電子標(biāo)簽價(jià)位高。目前市場電子標(biāo)簽均價(jià)在2元左右，對(duì)于低價(jià)商品來說成本較高。但隨著電子標(biāo)簽材料技術(shù)的改進(jìn)，其成本將大幅度降低，該成本將不是主要考慮的成本。

② NFC技術(shù)終端研究相對(duì)較少。雖然現(xiàn)在國內(nèi)外有不少廠家已開發(fā)出帶有NFC功能的便攜設(shè)備，但是NFC終端開發(fā)沒有跟上，這嚴(yán)重阻礙了NFC移動(dòng)支付功能的廣泛應(yīng)用。

雖然本支付系統(tǒng)支付方法離廣泛推廣具有一定距離，但是據(jù)市場研究公司IDC預(yù)計(jì)，到2017年全球移動(dòng)支付的金額將突破1萬億美元，其中有25%來自NFC移動(dòng)支付[12]，這足以看出本系統(tǒng)具有較好的市場前景。

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[2] 潘曉亮.一種超市商品自助結(jié)賬系統(tǒng)及方法:中國,2012100837303[P].2012-08-15.

[3] 東莞市博晟電子科技有限公司.一種超市商品自助結(jié)賬系統(tǒng)及方法:中國,2012100837303[P].2012-08-15.

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