李根，朱其祥

（安徽財(cái)經(jīng)大學(xué)管理科學(xué)與工程學(xué)院，安徽蚌埠233030）

基于RFID技術(shù)的智能購(gòu)物車(chē)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李根，朱其祥

（安徽財(cái)經(jīng)大學(xué)管理科學(xué)與工程學(xué)院，安徽蚌埠233030）

智能購(gòu)物車(chē)主要針對(duì)大型購(gòu)物超市，可實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位導(dǎo)航，使得顧客能夠快速的找到自己所需求的商品.在顧客購(gòu)物時(shí)，通過(guò)嵌入式系統(tǒng)為顧客提供商品信息，并且根據(jù)搜索記錄和賬戶消費(fèi)記錄，提供個(gè)性化商品推薦，提升顧客購(gòu)物體驗(yàn).在每件商品上標(biāo)記電子標(biāo)簽，使得顧客在查詢商品和結(jié)算繳費(fèi)時(shí)，無(wú)需逐個(gè)掃描，而是將購(gòu)物車(chē)推進(jìn)一個(gè)裝有無(wú)線射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification，RFID）的高頻讀卡器的區(qū)域，通過(guò)掃描電子標(biāo)簽同數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)計(jì)算，自動(dòng)完成商品結(jié)算，通過(guò)網(wǎng)銀或移動(dòng)支付（POS機(jī)、支付寶、NFC等）方式，從用戶賬戶上減掉消費(fèi)金額，實(shí)現(xiàn)即時(shí)支付.

RFID；嵌入式；室內(nèi)定位；即時(shí)支付

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，大型連鎖超市隨處可見(jiàn)，物品越來(lái)越齊全，種類(lèi)也越來(lái)越豐富，但是對(duì)消費(fèi)者來(lái)說(shuō)，購(gòu)買(mǎi)商品并不是一件輕松愉快的事.大型超市常常會(huì)出現(xiàn)結(jié)算付款的長(zhǎng)隊(duì)，特別是在促銷(xiāo)活動(dòng)或者節(jié)假日的結(jié)賬高峰期，會(huì)出現(xiàn)收銀臺(tái)阻塞的現(xiàn)象.有的顧客甚至直接放棄商品離開(kāi)，這給超市帶來(lái)很大的損失[1].

在超市購(gòu)物過(guò)程中，往往會(huì)出現(xiàn)顧客不易找到所需商品，商品信息不明確，排長(zhǎng)隊(duì)付款等購(gòu)物體驗(yàn)差的問(wèn)題.為了解決購(gòu)物中的這些問(wèn)題，幾年前，就已經(jīng)有一些大型企業(yè)開(kāi)始研發(fā)智能購(gòu)物車(chē).2008年，微軟開(kāi)發(fā)并試行了MediaCart智能推車(chē)，顧客可以通過(guò)購(gòu)物車(chē)上的顯示屏查詢到所需商品位置，并通過(guò)掃描商品價(jià)格直接算賬，這樣顧客不必在收款臺(tái)前排長(zhǎng)隊(duì)[2].2011年，韓國(guó)最大電信運(yùn)營(yíng)商SK Telecom也推出智能推車(chē)[3]，與MediaCart不同的是，顧客可事先生成購(gòu)物清單，購(gòu)物時(shí)直接將購(gòu)物清單同步至智能購(gòu)物車(chē)上.

1 智能購(gòu)物車(chē)系統(tǒng)概述

智能購(gòu)物車(chē)以STM32芯片為核心控制系統(tǒng)，其中包括閱讀器、重量傳感器模塊、Zigbee無(wú)線通信模塊和語(yǔ)音模塊等構(gòu)成，完成定位導(dǎo)航、商品查詢、即時(shí)支付、個(gè)性化推薦等功能，嵌入式系統(tǒng)的液晶觸摸屏為人機(jī)交互服務(wù)，如圖1所示.首先，顧客通過(guò)觸摸屏查詢商品并生成購(gòu)物清單，智能購(gòu)物車(chē)根據(jù)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)查詢到商品位置，并規(guī)劃出最佳購(gòu)物路線，直接在購(gòu)物車(chē)屏幕上顯示超市的電子地圖.接著，隨著購(gòu)物車(chē)的移動(dòng),閱讀器將會(huì)自動(dòng)識(shí)別商品上的RFID標(biāo)簽信息,讀取商品上RFID標(biāo)簽的內(nèi)容，并定位所需商品.然后，將目標(biāo)商品放入購(gòu)物車(chē)內(nèi)，RFID閱讀器和購(gòu)物車(chē)內(nèi)重量傳感器同時(shí)檢測(cè)，保證商品的100%識(shí)別率.最后，智能結(jié)算，從用戶賬戶上減掉消費(fèi)金額，實(shí)現(xiàn)即時(shí)支付.

圖1 智能購(gòu)物車(chē)系統(tǒng)框圖

當(dāng)超市給貨架上貨時(shí)，工作人員給每個(gè)商品貼上電子標(biāo)簽，通過(guò)后臺(tái)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)錄入此商品的詳細(xì)信息，并通過(guò)閱讀器寫(xiě)入到相應(yīng)的電子標(biāo)簽里，并可以在促銷(xiāo)消息變化或者物品價(jià)格變化時(shí)隨時(shí)更新信息.同時(shí)也方便管理人員了解商品的銷(xiāo)售量、存貨數(shù)量、生產(chǎn)日期等消息，為進(jìn)貨、促銷(xiāo)提供一些數(shù)據(jù)參考.

2 智能購(gòu)物車(chē)的工作原理

2.1 RFID系統(tǒng)基本組成

RFID技術(shù)具有環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，可重復(fù)使用，傳輸范圍廣，可同時(shí)讀取多個(gè)電子標(biāo)簽，可識(shí)別高速運(yùn)動(dòng)物體.因此，RFID技術(shù)將會(huì)成為21世紀(jì)改變我們生活的一項(xiàng)重要技術(shù)[4].RFID系統(tǒng)由電子標(biāo)簽(Tag)、閱讀器（Reader）和數(shù)據(jù)交換與管理系統(tǒng)(Processor)三大部分組成[5]，如圖2所示.

圖2 RFID系統(tǒng)組成

一般來(lái)說(shuō),有兩種類(lèi)型的RFID標(biāo)簽：無(wú)源RFID標(biāo)簽和有源RFID標(biāo)簽.綜合這兩類(lèi)電子標(biāo)簽的優(yōu)缺點(diǎn)以及成本，最終選擇無(wú)源電子標(biāo)簽.如表1所示.

表1 RFID標(biāo)簽比較

2.2 RFID定位原理

電磁波會(huì)隨著距離的增加，信號(hào)強(qiáng)度會(huì)非線性衰減，故閱讀器與標(biāo)簽的距離可以利用接收信號(hào)的強(qiáng)度值來(lái)標(biāo)定.RFID室內(nèi)定位原理就是將接收信號(hào)的信號(hào)強(qiáng)度值（Receive Signal Strength Indication，RSSI）與距離擬合出對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而確定被測(cè)物體的位置.信號(hào)強(qiáng)度值與距離的對(duì)應(yīng)關(guān)系式如2.2.1所示：

其中：d為發(fā)射端與接收端之間的距離；RSSI（d0）參考距離d0對(duì)應(yīng)的接收信號(hào)強(qiáng)度；d0為單位距離，經(jīng)驗(yàn)取值為1m；n為電磁波信號(hào)損耗指數(shù)，與環(huán)境有關(guān)；X0為背景噪聲.

忽略背景噪聲的影響，則公式2.2.1簡(jiǎn)化為式2.2.2.

經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果，本文中n取值為3.3，A取值為42.1dBm，MATLAB擬合出的信號(hào)強(qiáng)度值與距離的對(duì)應(yīng)曲線，如圖3所示.

圖3 信號(hào)強(qiáng)度值與距離的關(guān)系

2.3 RFID定位算法

由于超市環(huán)境的復(fù)雜性，根據(jù)RSSI值計(jì)算的參考節(jié)點(diǎn)間的距離往往大于其真實(shí)距離，所以采用基于距離的質(zhì)心定位算法[6].假設(shè)購(gòu)物車(chē)獲取距離自己最近的3個(gè)電子標(biāo)簽坐標(biāo)分別為O1(x1,y1)，O2(x2,y2)，O3(x3,y3)，它們有效輻射范圍分別為R1，R2，R3，實(shí)際模型如圖4所示.

圖4 三角質(zhì)心定位示意圖

由于受實(shí)際環(huán)境的影響，假設(shè)三個(gè)圓的交點(diǎn)分別為A，B和C，因此選擇該三點(diǎn)組成三角形的質(zhì)心作為智能購(gòu)物車(chē)的前進(jìn)坐標(biāo)，即點(diǎn)D.設(shè)點(diǎn)A的坐標(biāo)為（xa,ya）,B(xb,yb),C(xc,yc)，則有：

由公式2.3.1求得點(diǎn)A的坐標(biāo)為（xa,ya），同理可求出點(diǎn)B和點(diǎn)C的坐標(biāo)值B(xb,yb),C(xc,yc).設(shè)點(diǎn)D的坐標(biāo)為(xd,yd)，由三角形的質(zhì)心公式可得，則有：

利用信標(biāo)節(jié)點(diǎn)對(duì)未知節(jié)點(diǎn)的不同影響力來(lái)確定加權(quán)因子（1/（+）），進(jìn)行加權(quán)質(zhì)心算法定位，從而提高物體定位精度[7].設(shè)點(diǎn)D’的坐標(biāo)為(，)，則有：

3 智能購(gòu)物車(chē)的功能設(shè)計(jì)

3.1 室內(nèi)導(dǎo)航

在超級(jí)市場(chǎng)購(gòu)物時(shí)，商品琳瑯滿目，在沒(méi)有售貨員的指引下，很難找到自己所需商品，未規(guī)劃的購(gòu)物路徑如圖4所示.所以，商品定位就顯得非常重要.由于G P S導(dǎo)航的精度問(wèn)題，無(wú)法用在室內(nèi)導(dǎo)航.通過(guò)建立數(shù)據(jù)庫(kù)和數(shù)學(xué)建模方式，智能購(gòu)物車(chē)的顯示屏可顯示商場(chǎng)的詳細(xì)地圖，隨著智能購(gòu)物車(chē)的不斷移動(dòng),閱讀器會(huì)自動(dòng)識(shí)別商品上的R F ID標(biāo)簽,并且讀取標(biāo)簽內(nèi)容.顧客添加完商品后，智能購(gòu)物車(chē)自動(dòng)規(guī)劃出最佳路線，節(jié)省顧客大量的時(shí)間和精力.規(guī)劃后的最佳路徑如圖5所示.

圖4 未規(guī)劃的購(gòu)物路徑

圖5 規(guī)劃后的最佳路徑

3.2 智能結(jié)算

顧客列好的購(gòu)物清單后，在液晶屏上顯示商品的相關(guān)信息，還可以進(jìn)行同類(lèi)商品的對(duì)比，方便顧客選擇適合自己的商品.智能結(jié)算，顧客將購(gòu)物車(chē)推進(jìn)一個(gè)裝有R F ID的高頻讀卡器的區(qū)域，自動(dòng)完成商品結(jié)算.在避免漏刷商品方面，在購(gòu)物車(chē)加了重量傳感器，用以檢測(cè)重量的增加，把購(gòu)物車(chē)上的商品重量與數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中對(duì)應(yīng)商品的重量參數(shù)對(duì)比，如果有遺漏，在清單上顯示即可.

3.3 個(gè)性化推薦

通過(guò)身份驗(yàn)證，智能購(gòu)物車(chē)直接建立各商品之間的相似度關(guān)系矩陣，就像各大網(wǎng)購(gòu)網(wǎng)站推薦一樣，“購(gòu)買(mǎi)了這個(gè)商品的人，還買(mǎi)了XX”.通過(guò)對(duì)顧客進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，例如分析瀏覽和消費(fèi)記錄，分析與你購(gòu)買(mǎi)同一款商品的人，推算顧客將要購(gòu)買(mǎi)什么，并在智能購(gòu)物車(chē)上進(jìn)行精準(zhǔn)投送，為消費(fèi)者推薦超市促銷(xiāo)商品以及一部分廣告.智能購(gòu)物車(chē)為顧客推薦可能潛在購(gòu)買(mǎi)的商品，同時(shí)也方便顧客及時(shí)了解促銷(xiāo)信息.

4 結(jié)語(yǔ)

本智能購(gòu)物車(chē)具有定位導(dǎo)航、商品查詢、即時(shí)支付、個(gè)性化推薦等功能，除了給顧客帶來(lái)不一樣的購(gòu)物體驗(yàn)，同時(shí)也為商家構(gòu)建了一個(gè)現(xiàn)代化的智能平臺(tái)，通過(guò)與后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)或云平臺(tái)的連接，可以完成商品從入庫(kù)存儲(chǔ)、出庫(kù)，上架，銷(xiāo)售，結(jié)算的全方位管理，也減輕了部分商家在推銷(xiāo)新產(chǎn)品方面所要花費(fèi)的人力物力財(cái)力[8].

但是，R F ID的一些技術(shù)問(wèn)題制約著智能購(gòu)物車(chē)的發(fā)展，比如復(fù)雜的周邊環(huán)境，金屬產(chǎn)品等，對(duì)射頻識(shí)別存在一定的干擾，而且目前R F ID技術(shù)還達(dá)不到一次性掃描購(gòu)物車(chē)?yán)锼猩唐?00%的成功率，故本購(gòu)物車(chē)同時(shí)增加了重量傳感器，保證掃描的準(zhǔn)確率.隨著物聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，技術(shù)不斷革新，R F ID技術(shù)瓶頸將會(huì)不斷突破，智能購(gòu)物車(chē)將會(huì)普及到各大超市.

〔1〕陳凈娟.從顧客損失角度研究某大型超市的現(xiàn)行結(jié)算方式[D].吉林大學(xué),2011.

〔2〕何珊.微軟研發(fā)出智能購(gòu)物車(chē)：算賬促銷(xiāo)二合一[N].新華每日電訊,2008-01-18007.

〔3〕于冬雪.“終極購(gòu)物模式”來(lái)了？[N].南方日?qǐng)?bào), 2015-03-06C02.

〔4〕吳泳.無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)(RFID)及應(yīng)用[J].長(zhǎng)沙通信職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2006（01）:45-50.

〔5〕顧毓豪.BG公司門(mén)崗人車(chē)進(jìn)出管理方案可行性研究[D].東北大學(xué),2010.

〔6〕Seidel S Y,Rappaport T S.914 MHz path loss prediction models for indoor w ireless communications in multifloored buildings[J].IEEE Transactions on Antennas&Propagation, 1992,40(2):207-217.

〔7〕郜麗鵬.基于ZigBee的加權(quán)質(zhì)心定位算法的仿真與實(shí)現(xiàn)[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2010,23(1):159-152.

〔8〕李金.大型連鎖超市的贏利模式研究[D].天津大學(xué),2012.

TP368

：A

：1673-260X（2017）03-0019-03

2016-12-09

安徽財(cái)經(jīng)大學(xué)國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃資助(201610378129)；安徽財(cái)經(jīng)大學(xué)2017年度大學(xué)生科研創(chuàng)新基金項(xiàng)目（XSKY1773）