呂金銳

（太原城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程系，山西省 太原市　030027）

基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧商超系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

呂金銳

（太原城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程系，山西省 太原市030027）

隨著商品超市及現(xiàn)代企業(yè)管理的發(fā)展需要，如何更好的實(shí)現(xiàn)便捷購物及貨物管理，為用戶提供完美的購物體驗(yàn)，是商超管理人員需要迫切解決的問題。本文設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧商超管理系統(tǒng)，制定了相應(yīng)的解決方案，將該管理系統(tǒng)劃分為智能倉儲管理、智能購物車、虛擬購物、后臺管理四個功能模塊，給出了相應(yīng)的流程圖和實(shí)現(xiàn)過程，最后利用青島某公司FS_RFID物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)箱仿真實(shí)現(xiàn)了智能倉儲管理中的包括環(huán)境監(jiān)控、貨物管理、安全監(jiān)控三個核心功能及智能購物車的商品導(dǎo)航功能，為物聯(lián)網(wǎng)的引入和推廣提供支撐。

物聯(lián)網(wǎng)；智慧商超；FS_RFID

本文著錄格式：呂金銳. 基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧商超系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真[J]. 軟件，2016，37（8）：87-91

0　引言

隨著商品超級市場的發(fā)展，商品的種類越來越多，超市人員的分工越來越復(fù)雜，需要大量的超市管理人員與工作人員，根據(jù)現(xiàn)代企業(yè)的管理要求，如何更好的實(shí)現(xiàn)商品超市的便捷購物及貨物管理，為用戶提供完美的購物體驗(yàn)，是超市發(fā)展需要解決的關(guān)鍵點(diǎn)。伴隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)用戶的自助及智能化購物，減少超市工作人員的介入，實(shí)現(xiàn)智慧商超成為發(fā)展的必然趨勢[1]。

本文梳理物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，針對現(xiàn)代智慧商超系統(tǒng)設(shè)計(jì)了相應(yīng)的體系架構(gòu)，將智慧商超管理系統(tǒng)劃分為智能倉儲、智能購物車、虛擬購物及系統(tǒng)后臺管理四個功能模塊，開發(fā)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的商品管理系統(tǒng)，并利用青島某公司FS_RFID物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)箱模擬實(shí)現(xiàn)了商品的智能倉儲管理和虛擬購物功能。

1　系統(tǒng)簡介及功能結(jié)構(gòu)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧商超管理系統(tǒng)是集射頻識別（RFID）、傳感器感應(yīng)、目標(biāo)定位、激光掃描、無線網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)為一體，按照特定的通信傳輸協(xié)議及傳輸線路與服務(wù)器相連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的交互[2][3]，從而實(shí)現(xiàn)對商品的識別、定位、跟蹤、監(jiān)控、管理及信息更新等，同時可實(shí)現(xiàn)對用戶購物導(dǎo)航、虛擬購物和自助結(jié)賬等功能，為現(xiàn)代智慧商超系統(tǒng)的發(fā)展提供技術(shù)支撐。其系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)架構(gòu)圖

整個系統(tǒng)可分為感知層、傳輸層和應(yīng)用層。在感知層分布各類傳感器，包括監(jiān)控環(huán)境的溫濕度、煙感、紅外等傳感設(shè)備；可實(shí)現(xiàn)商品定位及導(dǎo)航服務(wù)的距離測試儀器；電子標(biāo)簽及讀卡器等，電子標(biāo)簽記錄的商品信息。傳輸層主要為通信網(wǎng)絡(luò)，包括有線和無線，主要負(fù)責(zé)將傳感器采集的信息傳輸至服務(wù)器。應(yīng)用層也叫用戶層，用戶可通過終端設(shè)備實(shí)現(xiàn)商品的管理、導(dǎo)航及監(jiān)控等功能，本文重點(diǎn)放在應(yīng)用層的設(shè)計(jì)開發(fā)上，系統(tǒng)分層圖如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)分層圖

1.1系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

通過調(diào)研走訪目前超市管理及用戶需求，本文將智慧商超管理系分為了智能倉儲管理、智能購物車、虛擬購物和后臺管理4部分，其功能結(jié)構(gòu)如圖3所示：

圖3　功能結(jié)構(gòu)圖

下面詳細(xì)介紹各功能模塊及設(shè)計(jì)過程。

1.1.1智能倉儲

智能倉儲管理主要由商品錄入、商品智能分揀、存儲環(huán)境監(jiān)控和智能倉儲貨架四部分組成。可實(shí)現(xiàn)商品的掃碼錄入和智能分揀、實(shí)時統(tǒng)計(jì)在架商品數(shù)量及庫存等操作，從而實(shí)現(xiàn)對貨物的統(tǒng)一管理，并通過電子屏直觀顯示。為超市的進(jìn)貨及前臺銷售的補(bǔ)貨等操作提供指導(dǎo)。

（1）商品錄入

每一個入庫商品均貼有RFID標(biāo)簽[4]，由耦合元器件及芯片組成，每個RFID標(biāo)簽均具有唯一的電子編碼，貼在商品表面上標(biāo)識目標(biāo)對象，電子編碼與商品是一一對應(yīng)的。RFID標(biāo)簽記錄商品的詳細(xì)信息，在商品入庫時通過短距離射頻識別技術(shù)完成與中心服務(wù)器間的數(shù)據(jù)交互傳輸，對出入庫商品進(jìn)行實(shí)時信息統(tǒng)計(jì)和匯總。同時，工作人員可對商品進(jìn)行隨機(jī)抽樣檢測，對有問題的商品進(jìn)行記錄，并做不合格處理。入檢流程如圖4所示。

（2）商品智能分揀

商品分揀主要是通過掃描商品的電子標(biāo)簽，讀取商品的詳細(xì)信息，然后根據(jù)中心服務(wù)器上商品的類型、商品屬性、價(jià)格、數(shù)量及廠家等信息，通過顯示屏智能顯示商品在倉庫貨架上的擺放位置，工作人員按照中心服務(wù)器反饋的數(shù)量、等級、規(guī)格等要求，通過導(dǎo)航快速完成物品的分揀。

（3）商品監(jiān)控

商品監(jiān)控主要是對商品存儲環(huán)境的監(jiān)控，根據(jù)不同商品的存儲條件，通過部署在倉庫各個位置的溫濕度、煙感、紅外等傳感器實(shí)時監(jiān)控倉庫的溫度、濕度和消防等條件，當(dāng)相關(guān)的存儲環(huán)境值超過閾值或有未經(jīng)許可的人員進(jìn)入，將通過通信線路將告警進(jìn)行顯示在管理員操作界面中。

（4）倉儲貨架

圖4　商品錄入流程圖

每個倉儲貨架上均安裝有超高頻讀卡器，通過商品的RFID標(biāo)簽對商品進(jìn)行自動盤點(diǎn)，將商品的數(shù)量種類回傳至中心服務(wù)器，實(shí)時統(tǒng)計(jì)在貨架的商品數(shù)量并且能夠通過智能貨架配置的液晶屏顯示貨架的庫存信息，提醒超市工作人員及時補(bǔ)貨等操作。

1.1.2智能購物

智能購物由電子標(biāo)簽及智能購物車構(gòu)成。電子標(biāo)簽主要展示商品價(jià)格信息，實(shí)時與中心服務(wù)器同步，自動更新商品價(jià)格，顯示商品當(dāng)前價(jià)格和促銷價(jià)格等信息。

智能購物車是在普通購物車體上安裝了車載智能顯示屏、無線接收器和短距離射頻識別設(shè)備，可自動識別購物車中商品的RFID標(biāo)簽，從而顯示商品的詳細(xì)信息。智能購物車具有商品導(dǎo)購、定位導(dǎo)航和身份識別等功能。

商品導(dǎo)購：商品選購功能模塊主要是給用戶提供超市商品的信息，如新品，特價(jià)商品，通過歷史導(dǎo)購信息分析想顧客推薦商品。還有為用戶提供簡單購物的商品分類展，根據(jù)定位系統(tǒng)，定位到購物車所在商品架附近，然后推送相關(guān)產(chǎn)品信息。而且通過掃描商品的RFID標(biāo)簽，通過無線網(wǎng)絡(luò)可從服務(wù)器數(shù)據(jù)庫獲得商品的的生產(chǎn)日期、產(chǎn)地、生產(chǎn)廠家等信息。

身份識別：掃描顧客的會員卡后可識別持卡人的身份信息、會員卡信息、及購物歷史。

定位導(dǎo)航：顧客在超市的智能購物車上可以搜索和選擇所需要的商品，通過安裝在超市各個位置的熱點(diǎn)讀取顧客當(dāng)前位置信息，熱點(diǎn)能全覆蓋超市區(qū)域，并在顯示屏上引導(dǎo)顧客前往相應(yīng)的購買區(qū)【5】。

1.1.3虛擬購物

虛擬購物是商超系統(tǒng)的擴(kuò)展，不同于傳統(tǒng)的線上購買功能，其主要是針對現(xiàn)在生活節(jié)奏，很多人沒有時間去購物，虛擬購物應(yīng)運(yùn)而生。虛擬購物共分兩部分，即線上選擇和線下取貨。它將商超的物品通過中心服務(wù)器，提供PC、手機(jī)在線瀏覽購買的功能，用戶通過終端詳細(xì)查看商品信息及打折促銷活動等，用戶可在家或超市里面進(jìn)行商品信息的瀏覽及選擇，無需直接在超市進(jìn)行真實(shí)貨物挑揀，節(jié)約用戶時間。用戶選擇提交所選商品后，信息由終端傳送至中心服務(wù)器，中心服務(wù)器再將信息發(fā)送到超市工作人員終端，超市工作人員按用戶需要選擇貨物后將物品送至自提柜，并將確認(rèn)信息發(fā)送至客戶終端，客戶收到通知后結(jié)賬自提貨物。

線上選擇：顧客通過網(wǎng)上商城或者超市APP選購商品，生產(chǎn)訂單，同時生產(chǎn)智能自提柜密碼，中心服務(wù)器解析訂單后，將處理過的揀貨信息發(fā)送至超市后臺管理系統(tǒng)。超市工作人員按照訂單配貨放到輔助設(shè)備智能自提柜中。同時給顧客發(fā)送短信提醒。

線下取貨：顧客完成線下取貨主要通過智能自提柜完成，顧客在智能自提柜中輸入訂單驗(yàn)證碼，核實(shí)無誤后將自動打開單元格，讓顧客取走訂單商品。詳細(xì)流程圖如圖5所示。

購物結(jié)束后有便捷支付通道、人工支付通道二種結(jié)算方式可供顧客選擇。

（1）便捷支付通道

顧客選購商品結(jié)束后，通過裝有RFID超高頻閱讀器的結(jié)算通道，結(jié)算通道實(shí)時與中心服務(wù)器與自助結(jié)賬終端完成數(shù)據(jù)通信，將商品總額以二維碼的方式顯示在自助結(jié)賬終端。供顧客通過支付寶掃描二維碼、刷銀行卡卡、現(xiàn)金等方式便捷支付。支付完成后，會提示是否需要發(fā)票，需要直接輸入抬頭打印即可。

圖5　虛擬購物流程圖

（2）人工支付通道

顧客選購商品結(jié)束后，通過裝有RFID超高頻閱讀器的結(jié)算通道，結(jié)算通道實(shí)時與中心服務(wù)器、智能購物車及普通收銀機(jī)完成數(shù)據(jù)通信，超市工作人員幫助顧客刷卡或現(xiàn)金支付及發(fā)票打印操作。

1.1.4后臺管理

后臺管理主要針對超市管理人員使用，可實(shí)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)管理、商品管理和人員管理。

統(tǒng)計(jì)管理：主要實(shí)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)分析管理，包括查詢商品信息、查詢銷售信息、查詢供應(yīng)商信息、查詢?nèi)必浶畔?、查詢?bào)表信息和查詢特殊商品信息，并制作報(bào)表。統(tǒng)計(jì)分析員使用系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)分析功能，了解商品信息、銷售信息、供應(yīng)商信息、庫存信息和特殊商品信息，以便能夠制定出合理的銷售計(jì)劃。

商品管理功能主要包含兩部分：

1、提供傳統(tǒng)的商品的管理

管理員通過后臺管理系統(tǒng)，可以查看商品的庫存，維護(hù)商品信息，價(jià)格，種類，以及推薦商品，熱銷產(chǎn)品，促銷產(chǎn)品的管理。

2、智能設(shè)備管理

中心管理系統(tǒng)能通過與RFID超高頻閱讀器、智能貨架等設(shè)備對在架商品的數(shù)量，質(zhì)量等信息及時通知管理人員進(jìn)行管理[6]。

人員管理：人員管理主要是實(shí)現(xiàn)超市管理人員的權(quán)限分配管理和用戶會員等級的管理。

1.1.5中心服務(wù)器

中心服務(wù)器管理系統(tǒng)是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的商場購物管理系統(tǒng)的核心管理系統(tǒng)，完成與智能倉儲系統(tǒng)、智能購物系統(tǒng)、智能購物車、手持終端設(shè)備、智能前后臺貨架、自助繳費(fèi)機(jī)等實(shí)時通信及強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析能力。中心服務(wù)器系統(tǒng)架構(gòu)如圖6所示。

圖6　中心服務(wù)器系統(tǒng)架構(gòu)

中心服務(wù)器管理系統(tǒng)能夠?qū)崟r統(tǒng)計(jì)貨架上的商品的種類及數(shù)量，監(jiān)控商品質(zhì)量并反饋給超市工作人員。實(shí)現(xiàn)對商品數(shù)量、種類、質(zhì)量的實(shí)時動態(tài)監(jiān)控，同時顧客可通過顯示屏查詢商品的詳細(xì)信息。

2　系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)

本文利用青島山科智匯信息科技有限公司FS_ RFID物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)箱模擬實(shí)現(xiàn)了智能倉儲管理和智能購物車功能，并詳細(xì)給出了實(shí)現(xiàn)過程和軟件設(shè)計(jì)。

2.1軟件設(shè)計(jì)框架

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)框架如圖7所示：

圖7　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)圖

其中網(wǎng)關(guān)端主要功能是采集商品信息及傳感器數(shù)據(jù)，請求后臺商品信息等。客戶端功能主要是關(guān)聯(lián)網(wǎng)關(guān)并顯示采集的信息及支付等功能。系統(tǒng)后臺實(shí)現(xiàn)對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲及處理，并支持客戶端的讀取功能。

客戶端設(shè)計(jì)：采用android操作系統(tǒng)，編程工具為eclispe。采用retrofit okhttp網(wǎng)路請求框架，以及buttferknife注解框架，利用jni技術(shù)與模塊串口通信。采用xzing開源庫生成二維碼[8]。在配置搭建好網(wǎng)關(guān)及后臺系統(tǒng)后，采用eclispe開發(fā)了Android版客戶端APK，通過數(shù)據(jù)線安裝到手機(jī)端或智能設(shè)備終端。

后臺設(shè)計(jì)：使用tomcat web服務(wù)器，采用java語言進(jìn)行編程。開發(fā)模式為Spring4 + hibernate +mysql。所需的jar包主要包括：Spring jar、hibernate以及mysql驅(qū)動包等。

網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)：網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)采用android系統(tǒng)，編程工具為eclispe，采用retrofit okhttp網(wǎng)路請求框架，以及buttferknife注解框架，利用jni技術(shù)與模塊串口通信，采用xzing開源庫生成二維碼。其中Android通訊串口通訊設(shè)置概要設(shè)計(jì)如下[7]：

1、jni的調(diào)用

（1）在java中定義一個c方法的接口，相當(dāng)于在java代碼中定義了一個接口，接口的實(shí)現(xiàn)方法是C語言實(shí)現(xiàn)的；

（2）實(shí)現(xiàn)C代碼，方法名嚴(yán)格按照jni的規(guī)范Java+包名+類名+方法；

（3）創(chuàng)建android.mk告訴編譯器如何把c代碼打包成函數(shù)庫；

（4）把c代碼打包成函數(shù)庫，在安裝環(huán)境的相應(yīng)目錄下使用ndk-build打包生成libserial_port.so文件。

（5）在java代碼中引入庫函數(shù)：在java代碼中，可以通過loadLibrary要求VM裝載so文件。該代碼運(yùn)行時將會在/system/lib/目錄下查找libjnitest.so文件，將載入VM，這樣java代碼和C組件之間就構(gòu)成了聯(lián)系，接下來就可以通過一些方法可以相互調(diào)用了。

2、串口的通訊

檢查是否有讀寫權(quán)限，如果沒有就賦予權(quán)限。打開串口讀取串口信息，主要通信方式采用文件輸入流和輸出流。

2.2智能倉儲管理

智能倉儲需實(shí)現(xiàn)倉庫的環(huán)境監(jiān)控、貨物管理、安全監(jiān)控三個功能，主要是利用實(shí)驗(yàn)箱中的溫度、濕度、紅外、煙感等傳感器模擬倉庫中真實(shí)的傳感探頭，將上述傳感器通過無線網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，進(jìn)行節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器之間的通信，其組網(wǎng)模型如圖8所示，傳感器指令格式如表1所示。

圖8　傳輸層組網(wǎng)模型

表1　指令格式Tab.1　instruction format

商品的錄入過程為：將商品信息燒錄進(jìn)RFID標(biāo)簽卡中代表具體的商品，RFID卡中記錄的信息主要為商品名稱，價(jià)格，供貨商等。然后利用實(shí)驗(yàn)箱的復(fù)旦微電子通用高頻讀卡機(jī)芯片進(jìn)行信息的讀取，將讀入的數(shù)據(jù)存入后臺數(shù)據(jù)庫中，數(shù)據(jù)庫采用Android操作系統(tǒng)常用的Sqlite小型數(shù)據(jù)庫。其測試實(shí)現(xiàn)如圖9、圖10、圖11所示。

2.3智能購物車

智能購物車可實(shí)現(xiàn)商品信息的顯示和商品導(dǎo)購。其中商品導(dǎo)購可通過電子屏將用戶導(dǎo)航至目標(biāo)位置，主要采用ZigBee通信技術(shù)及RSSI定位算法實(shí)現(xiàn)購物車的定位指引功能。上位機(jī)軟件采用MapInfo二次開發(fā)技術(shù)，將標(biāo)注有GPS點(diǎn)的超市商品擺放布局圖以加載ActiveX控件的形式導(dǎo)入到電子屏中。每個智能購物車均配有ZigBee信號發(fā)射器和接收器，每隔1秒將位置信息進(jìn)行廣播發(fā)送，安裝在超市各個角落的熱點(diǎn)將接收到的信息后回傳至服務(wù)器，服務(wù)器將位置信息編碼為坐標(biāo)值(x,y)發(fā)送至智能購物車，并在電子地圖中實(shí)時標(biāo)注出來，從而實(shí)現(xiàn)商品定位及導(dǎo)航功能，如圖12所示。

2.4虛擬購物

虛擬購物通過手機(jī)安裝APP后，掃描商品電子標(biāo)簽，實(shí)現(xiàn)線上購物功能。圖13為手機(jī)客戶端掃描某一商品RFID卡后，自動讀取商品編號，圖14為顯示所購商品并進(jìn)行支付。

3　結(jié)論

隨著傳感器及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展，基于物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用平臺將越來越多得到重視。目前國內(nèi)的基于物聯(lián)網(wǎng)的商品超市管理系統(tǒng)還不多見，本文梳理商超系統(tǒng)現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)的商超系統(tǒng)解決方案，實(shí)現(xiàn)智能倉儲管理和用戶的自助及智能化購物，并利用FS_RFID物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)箱模擬真實(shí)的商品超市系統(tǒng)開發(fā)出了一套基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的商品超市管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了商品信息的自動錄入、存儲環(huán)境的監(jiān)控、智能揀貨及用戶的自助購物等功能，具有一定的應(yīng)用性及創(chuàng)新性，可以普及到目前的各類型超市中。

圖9　環(huán)境監(jiān)控頁面

圖10　貨物管理頁面

圖11　安全監(jiān)控頁面

圖12　目標(biāo)定位頁面

圖13　掃描信息界面

圖14　購物車信息

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Design and Simulation of The Intelligent Supermarket System based on Internet of things

LV Jin-rui
(Taiyuan City Vocational College,Department of information engineering,Shanxi Taiyuan, 030027, China)

With the development of commodity supermarket and modern enterprise management, how to better realize the convenient shopping and freight management, which provide the perfect shopping experience for users has become an urgent problem of super managers. This paper designed a intelligence supermarket management system based on the Internet of Things, and established the corresponding solution. The management system is divided into four functional modules, which respectively intelligent storage management、intelligent shopping cart、virtual shopping、background management.The flow chart and the realization process were given. finally, the intelligent storage management function including environmental monitoring、freight management、security monitoring and the navigation shopping function were simulated by FS_RFID internet of things experiment box of a company in Qingdao, the introduction and promotion of support. It will support the introduction and promotion of the internet of things.

Internet of things; Intelligent Supermarket; FS_RFID

TP39

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2016.08.019

呂金銳(1984-），男，太原城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院、主要研究方向：圖形圖形處理、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。

通訊聯(lián)系人： 呂金銳(1984-），男。