基于RFID無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)的智能超市購(gòu)物車

1、(20160235 )：(基于RFID無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)的智能超市購(gòu)物車)2016年重慶地區(qū)第九屆“盛群杯”大學(xué)生單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)競(jìng)賽基于RFID無(wú)線射頻技術(shù)的智能超市購(gòu)物車參賽編號(hào):20160235重慶機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 自動(dòng)化工程系指導(dǎo)老師：楊川參賽隊(duì)員：張朋、張行、蔣各、朱宇E-mail Address:960172499日期: 2016年 5 月9日摘要本設(shè)計(jì)為基于RFID無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)與HT32F1765單片機(jī)的智能超市購(gòu)物車，解決了超市結(jié)賬排隊(duì)時(shí)間長(zhǎng)，商品結(jié)算慢的問(wèn)題。主要實(shí)現(xiàn)自主購(gòu)物快速結(jié)算和促銷信息顯示功能。該系統(tǒng)主要由HT32F1765單片機(jī)、TFT觸摸屏、商品條形碼識(shí)讀器、2.

2、4G無(wú)線數(shù)傳及電源等幾部分組成，顯示器主要呈現(xiàn)購(gòu)物清單和商品信息；射頻電子標(biāo)簽用于標(biāo)識(shí)商品與商品防盜。當(dāng)人們選好商品放入購(gòu)物車后，購(gòu)物車通過(guò)RFID射頻識(shí)別技術(shù)自動(dòng)識(shí)別物品并通過(guò)觸摸屏顯示物品名稱和購(gòu)物總價(jià)，并且把電子清單發(fā)送到上位機(jī)超市結(jié)賬出口終端，人們離開(kāi)超市時(shí)可實(shí)現(xiàn)快速結(jié)賬，并且系統(tǒng)還具備室內(nèi)導(dǎo)航功能、促銷信息顯示功能和防盜功能。本作品創(chuàng)新性的將RFID無(wú)線射頻技術(shù)應(yīng)用于購(gòu)物車上，使得購(gòu)物車不再僅僅是盛裝物品的工具，而是集快速結(jié)算和促銷信息顯示功能為一體的新型智能購(gòu)物車。旨在改善購(gòu)物環(huán)境，讓消費(fèi)者體會(huì)到超市購(gòu)物的便利，在無(wú)形中提高超市銷售量。關(guān)鍵詞：智能購(gòu)物車，HT32F1656單片機(jī)，

3、RFID射頻識(shí)別技術(shù)，2.4G無(wú)線數(shù)傳-6-作品介紹1.1設(shè)計(jì)背景隨著人民生活水平的不斷提高和快節(jié)奏的生活習(xí)慣，為滿足廣大消費(fèi)者購(gòu)物需求,連鎖超市、便利店等購(gòu)物形式越來(lái)越受到廣大消費(fèi)者青睞。繁忙的工作之余，還要抽時(shí)間到超市購(gòu)買各種生活用品。一般大型超市購(gòu)物人比較多，結(jié)賬時(shí)要排很久的隊(duì)伍；在規(guī)模大、品種多的大型超市中,顧客時(shí)常找不到欲購(gòu)買的商品的位置； 并且目前顧客對(duì)于了解超市商品廣告及打折信息也很不方便,以上幾個(gè)經(jīng)常出現(xiàn)的問(wèn)題，直接影響到顧客購(gòu)物情趣和超市服務(wù)質(zhì)量和營(yíng)業(yè)額。因此研發(fā)基于HT32F1765單片機(jī)的超市智能購(gòu)物車就是為了改變這一現(xiàn)狀,顧客可自行查詢商品信息及位置，智能購(gòu)物車還有價(jià)格

4、掃描功能，如果遇到價(jià)格標(biāo)簽標(biāo)識(shí)不清楚的時(shí)候，用超市的智能購(gòu)物車一查就可以顯示出價(jià)格，且購(gòu)物車能自動(dòng)顯示所購(gòu)物品總價(jià), 方便控制好購(gòu)物的總量，大大節(jié)省購(gòu)物時(shí)間, 真正讓消費(fèi)者體會(huì)到超市購(gòu)物的便利。1.2作品創(chuàng)新考慮到在超市購(gòu)物還存在幾個(gè)大的問(wèn)題，我們對(duì)智能購(gòu)物車做了如下改進(jìn)：實(shí)時(shí)顯示價(jià)格及快速結(jié)賬功能：找到商品后顧客把商品放上購(gòu)物車上后配備的基于RFID射頻識(shí)別技術(shù)的條形碼識(shí)讀器對(duì)商品進(jìn)行自助掃描，價(jià)格將直接計(jì)入總價(jià)?？梢允诡櫩透鶕?jù)預(yù)算理性購(gòu)物。這樣，就節(jié)省了顧客寶貴的購(gòu)物時(shí)間。同時(shí)，利用2.4G無(wú)線數(shù)傳將購(gòu)物數(shù)據(jù)傳到超市結(jié)賬出口，形成電子清單，方面離開(kāi)超市時(shí)快速結(jié)賬。促銷信息顯示功能：電子顯示

5、屏上也可顯示出商品廣告和打折信息，各類熱銷商品排行榜信息，便于超市對(duì)商品進(jìn)行促銷和方便消費(fèi)者了解商品信息。防盜功能：我們還在購(gòu)物車上安裝一個(gè)自動(dòng)門來(lái)區(qū)分商品是否已被顧客購(gòu)買。當(dāng)顧客將購(gòu)物車推出門時(shí)，自動(dòng)門將自動(dòng)關(guān)閉，只有當(dāng)顧客購(gòu)物交易完成后，才會(huì)再次開(kāi)啟。該功能主要是通過(guò)屏蔽購(gòu)物車以外的商品信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)。工作原理1.1整體工作原理本系統(tǒng)采用HT32F1765單片機(jī)作為主控制器，實(shí)現(xiàn)與超高射頻天線的通信以及RFID射頻卡信息的讀取，信息讀取過(guò)后的存儲(chǔ)、價(jià)格計(jì)算、刷卡等功能，同時(shí)控制整個(gè)門禁，避免超市的損失。用觸摸屏來(lái)進(jìn)行人機(jī)交互，利用RFID射頻識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)貼有標(biāo)簽的商品識(shí)別，通過(guò)編寫(xiě)上位機(jī)軟件來(lái)

6、存儲(chǔ)超市各個(gè)種類的商品位置、價(jià)格等信息，使顧客能夠通過(guò)使用觸摸屏 完成快速購(gòu)物過(guò)程。圖1 新型智能購(gòu)物車的功能結(jié)構(gòu)圖1.2 HOLTEK MCU之主要核心功能通過(guò)與短距離、低速率的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)2.4G數(shù)傳的通信，實(shí)現(xiàn)超市的導(dǎo)航功能，為顧客實(shí)時(shí)導(dǎo)航，再與超高射頻天線的通信以及RFID射頻卡信息的讀取，對(duì)讀取的商品信息進(jìn)行快速處理，包括信息存儲(chǔ)、價(jià)格計(jì)算等功能。同時(shí)采用高效糾錯(cuò)算法，對(duì)處理額信息進(jìn)行校驗(yàn)，以保證讀取的準(zhǔn)確性。同時(shí)控制整個(gè)門禁，避免超市的損失。1.3 RFID射頻識(shí)別原理RFID應(yīng)用系統(tǒng)具體的工作過(guò)程是應(yīng)用系統(tǒng)通過(guò)發(fā)送應(yīng)用指令到讀寫(xiě)器，讀寫(xiě)器通過(guò)編碼器、解碼器對(duì)指令進(jìn)行處理后，命令響

7、應(yīng)單元發(fā)出標(biāo)簽讀寫(xiě)命令，通過(guò)天線向標(biāo)簽發(fā)送指令，標(biāo)簽響應(yīng)后將標(biāo)簽中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)經(jīng)由天線通過(guò)空中接口返回到讀寫(xiě)器天線，再經(jīng)過(guò)編碼、解碼后，命令響應(yīng)單元將讀取結(jié)果返回到應(yīng)用系統(tǒng)。應(yīng)用系統(tǒng)除了發(fā)送讀寫(xiě)指令外，還應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)RFID設(shè)備的配置工作。圖2所示為RFID的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。RFID讀寫(xiě)器讀取RFID標(biāo)簽的數(shù)據(jù)位于較低的硬件層，讀取的原始數(shù)據(jù)被傳送到中間件處理，在中間件的設(shè)備和數(shù)據(jù)管理層，具有重復(fù)識(shí)別讀了多次的RFID標(biāo)簽過(guò)濾機(jī)制的功能。利用過(guò)濾冗余數(shù)據(jù)機(jī)制，數(shù)據(jù)被過(guò)濾，只有和上層相關(guān)的數(shù)據(jù)才被傳送到中間件。實(shí)時(shí)產(chǎn)生的RFID信息經(jīng)過(guò)事件管理層處理供上層的交易過(guò)程和解決方案使用。圖2：RFID射頻識(shí)別原理1

8、.4 RFID高頻讀寫(xiě)器通信協(xié)議此通信協(xié)議是上位機(jī)通過(guò)串行通信接口操作讀寫(xiě)器的通信規(guī)范，命令和響應(yīng)數(shù)據(jù)由連續(xù)的字節(jié)流 組成數(shù)據(jù)包，長(zhǎng)度可變，并采用校驗(yàn)和方法進(jìn)行檢錯(cuò)。串口參數(shù)設(shè)置1位起始位、8位數(shù)據(jù)位、1位停止位、無(wú)奇偶校驗(yàn)，默認(rèn)波特率為9600bps。其中數(shù)據(jù)包格式定義包含上位機(jī)指令數(shù)據(jù)包格式定義、讀寫(xiě)器命令完成響應(yīng)包格式定義、讀寫(xiě)器返回?cái)?shù)據(jù)包格式定義三個(gè)板塊；該讀寫(xiě)器包含27個(gè)指令集，分別為系統(tǒng)設(shè)置指令、18000-6C 標(biāo)簽操作命令、緩存操作命。通過(guò)這些數(shù)據(jù)包格式定義和指令集，就可以編寫(xiě)程序，上位機(jī)與下位機(jī)通過(guò)該協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)之間的傳遞。1.5 2.4G通信協(xié)議在無(wú)線模塊組成的網(wǎng)絡(luò)中，一個(gè)

9、無(wú)線模塊就被稱為一個(gè)節(jié)點(diǎn)。每個(gè)無(wú)線模塊都有唯一的，不重復(fù)的8字節(jié)的MAC地址。MAC地址的高4字節(jié)固定為0x0080E102。因此在對(duì)模塊進(jìn)行尋址時(shí)，只使用低4字節(jié)的MAC地址即可。2.4G通信方式的物理層是IEEE 802.15.4，工作頻段在2.4GHz，其中組網(wǎng) 協(xié)議AODV路由，適用于無(wú)線信號(hào)很穩(wěn)定的場(chǎng)合； 2.4G使用網(wǎng)內(nèi)專用地址，地址為16位或者64位，地址有限，互聯(lián)網(wǎng)主機(jī)無(wú)法訪問(wèn)，協(xié)議適應(yīng)無(wú)線傳感器的低花費(fèi)、低能量、高容錯(cuò)性等的要求。2.4G是一種新興的短距離、低速率的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。主要用于近距離無(wú)線連接。它有自己的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)千個(gè)微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)通信。1.6糾錯(cuò)算

10、法在超市購(gòu)物系統(tǒng)中，RFID系統(tǒng)將讀取的信號(hào)，傳輸?shù)胶笈_(tái)服務(wù)器，信號(hào)經(jīng)過(guò)服務(wù)器處理分析，從而識(shí)別商品的數(shù)量?jī)r(jià)格等信息，實(shí)現(xiàn)快速結(jié)賬。一方面，在超市購(gòu)物時(shí)，讀寫(xiě)卡會(huì)讀取大量的商品數(shù)量、價(jià)格等數(shù)據(jù)，信息量會(huì)相當(dāng)大，在信息傳遞過(guò)程中，往往產(chǎn)生冗余現(xiàn)象。另一方面，在實(shí)際信號(hào)傳輸中，信號(hào)會(huì)受到電磁信號(hào)、人為的電氣脈沖的干擾，這些干擾往往造成信號(hào)的成串錯(cuò)誤或者是缺碼等現(xiàn)象，從而影響商品信息讀取的精確度。本文針對(duì)這種現(xiàn)狀，通過(guò)查閱資料，應(yīng)用了一種專門用于糾正突發(fā)錯(cuò)誤的碼。在無(wú)線通信中，突發(fā)錯(cuò)誤會(huì)導(dǎo)致連續(xù)符號(hào)錯(cuò)誤，交織技術(shù)可以有效的對(duì)抗突發(fā)錯(cuò)誤，另外還有一些可以糾正突發(fā)錯(cuò)誤的信道編譯碼技術(shù)，法爾碼便是其中一類

11、能夠有效地糾正單個(gè)突發(fā)錯(cuò)誤的循環(huán)碼，它廣泛應(yīng)用在通信和計(jì)算機(jī)中等地方，本作品將采用法爾碼算法處理在信息傳輸過(guò)程中存在的缺碼、丟碼、突發(fā)錯(cuò)誤等情況。法爾碼是用來(lái)糾正單個(gè)突發(fā)錯(cuò)誤而系統(tǒng)構(gòu)造的第一類循環(huán)碼，為了理解法爾碼，首先，介紹素多項(xiàng)式。若一個(gè)m次多項(xiàng)式P（x），它不能被任何次數(shù)小于m,但不小于零的多項(xiàng)式除盡，則稱此多項(xiàng)式為素多項(xiàng)式。若m次素多項(xiàng)式P（x）除盡的的最小正整數(shù)滿足，就稱其為本原的。例如：二次多項(xiàng)式和都不是素多項(xiàng)式。這是因?yàn)樗麄兌寄鼙缓驼?和1為根。但是多項(xiàng)式是三次素多項(xiàng)式，因?yàn)樗荒鼙蝗魏我淮味囗?xiàng)式或者整除，所以也不能被二次多項(xiàng)式整除。 由此可知法爾碼的定義為：若是m次素多項(xiàng)

12、式，令是使整除的最小整數(shù)，則整數(shù)稱為的周期，令是使，且是不能被整除的正整數(shù)，則可糾正長(zhǎng)度為的突發(fā)差錯(cuò)的法爾碼可由下列多項(xiàng)式生成。且兩因子與互素，即：而該碼的長(zhǎng)度n是和的周期的最小公倍數(shù)。即：此碼的監(jiān)督（檢驗(yàn)）位數(shù)目：法爾碼糾錯(cuò)之后，可采用捕錯(cuò)譯碼的方案進(jìn)行譯碼，具體譯碼過(guò)程如下：圖3 法爾碼捕錯(cuò)譯碼器接收多項(xiàng)式與y(x)同時(shí)移入伴隨式寄存器和緩沖寄存器，一旦y(x)全部移入伴隨式寄存器，就形成了伴隨多項(xiàng)式是s（x）;門2打開(kāi)，伴隨式寄存器開(kāi)始移位，一旦當(dāng)它最左邊全為0時(shí)，它的最右邊級(jí)中就包含了突發(fā)差錯(cuò)圖樣，此時(shí)糾錯(cuò)開(kāi)始。 糾錯(cuò)之后采用調(diào)庫(kù)的方式，將表示商品信息的字符串與庫(kù)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，從而提高

13、信號(hào)精確度，避免出現(xiàn)商品與代碼不一樣的現(xiàn)象。實(shí)作設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)11硬件部分系統(tǒng)總體框圖如圖4：圖4 系統(tǒng)總體框圖1.1.1下位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)智能購(gòu)物車的MCU選取了HT32F1765單片機(jī)，此單片機(jī)支持可在線編程, 用戶可直接將程序通過(guò)串口下載到單片機(jī)中即可運(yùn)行,非常方便。內(nèi)含128K的Flash程序存儲(chǔ)器字節(jié),可重復(fù)擦寫(xiě) 其中內(nèi)容。 因此選用此型號(hào)的單片機(jī)極大的方便了超市工作人員根據(jù)超市商品情況的變化（價(jià)格，位置等）及時(shí)地更改單片機(jī)中儲(chǔ)存的相關(guān)信息，以使顧客能夠了解到超市商品的最新情況。工作電壓3.3V，加上晶振和復(fù)位電路后即構(gòu)成了單片機(jī)的最小系統(tǒng)。下位機(jī)結(jié)構(gòu)框圖如圖5：圖5 下位機(jī)結(jié)構(gòu)框圖1.1.2

14、上位機(jī)（超市主機(jī)端）系統(tǒng)上位機(jī)端 仍用2.4G無(wú)線模塊收發(fā)數(shù)據(jù),輸出端與上位機(jī) （即超市的電腦主機(jī)）相連。 整個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)采用多對(duì)一通訊方式，即數(shù)個(gè)下位機(jī)購(gòu)物車與一個(gè)上位機(jī)進(jìn)行通訊。如果超市規(guī)模較大,購(gòu)物車數(shù)量較多，超市也可設(shè)立多臺(tái) 上位機(jī)，每個(gè)上位機(jī)負(fù)責(zé)與一定數(shù)量的購(gòu)物車進(jìn)行通訊。1.2軟件部分1.2.1 主程序流程圖程序的初始化主要包括觸摸屏的初始化,包括清屏,功能設(shè)置及輸入方式等;定時(shí)器工作方式的設(shè)置（用于波特率發(fā)生器）;串口工作方式的設(shè)置。主程序流程圖如圖6所示。圖6 主程序流程圖1.2.2 RFID射頻識(shí)別程序設(shè)計(jì)核心RFID射頻識(shí)別程序設(shè)計(jì)流程圖如下圖7所示。圖67RFID射頻識(shí)別程

15、序流程圖1.2.3無(wú)線傳輸模塊子程序下位機(jī)的無(wú)線傳輸模塊主要功能有發(fā)送商品信息查詢或商品排行榜查詢請(qǐng)求、接收商品位置信息或商品排行榜清單，相應(yīng)地，上位機(jī)的無(wú)線傳輸模塊主要有接收下位機(jī)的請(qǐng)求和發(fā)送相關(guān)信息的功能。為了避免上位機(jī)出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象，下位機(jī)在發(fā)送查詢請(qǐng)求之前，先給上位機(jī)發(fā)送一個(gè)信號(hào)查詢上位機(jī)是否空閑，如果上位機(jī)正忙，則下位機(jī)等待回應(yīng)，直到上位機(jī)空閑，下位機(jī)才開(kāi)始發(fā)送信息查詢請(qǐng)求。無(wú)線傳輸模塊程序流程見(jiàn)圖8。圖8 無(wú)線收發(fā)模塊子程序流程圖1.2.4上位機(jī)子程序流程圖上位機(jī)的主要完成的任務(wù)是顯示下位機(jī)的當(dāng)前狀態(tài)，控制無(wú)線模塊響應(yīng)下位機(jī)的請(qǐng)求以及管理超市已有的數(shù)據(jù)庫(kù)，并統(tǒng)計(jì)商品排行榜 供下位機(jī)調(diào)

16、用，其程序流程圖如圖9所示。圖9 上位機(jī)子程序框圖實(shí)物測(cè)試1.1基本功能測(cè)試表1.1基本功能測(cè)試測(cè)試功能測(cè)試條件測(cè)試效果價(jià)格實(shí)時(shí)顯示將貼有標(biāo)簽的不同商品分別放入智能購(gòu)物車，數(shù)目為20每放入一件商品，顯示一件商品信息，并計(jì)算總價(jià)結(jié)賬信息傳輸?shù)浇Y(jié)賬平臺(tái)在上述功能完成的前提下，購(gòu)物車距離結(jié)賬平臺(tái)距離為0商品單價(jià)、所有商品總價(jià)在結(jié)賬平臺(tái)無(wú)誤差顯示1.2秒速結(jié)賬測(cè)試表1.2秒速結(jié)賬測(cè)試測(cè)試條件測(cè)試次數(shù)結(jié)賬平均時(shí)間在基本功能檢測(cè)無(wú)誤的前提下，購(gòu)物車距離結(jié)賬平臺(tái)距離為0，秒表檢測(cè)結(jié)賬顯示的更新時(shí)間51.67s101.63s201.57s301.56s1.3無(wú)線數(shù)傳距離測(cè)試表1.3無(wú)線數(shù)傳距離測(cè)試測(cè)試條件測(cè)試

17、距離測(cè)試效果在基本功能完全實(shí)現(xiàn)的條件下，商品數(shù)量為10，改變購(gòu)物車與平臺(tái)的距離，觀察顯示結(jié)果10cm正確顯示50cm正確顯示100cm正確顯示150cm正確顯示300cm正確顯示1.4可讀取商品數(shù)量測(cè)試表1.4可讀取商品數(shù)量測(cè)試測(cè)試條件測(cè)試數(shù)量測(cè)試效果在基本功能完全實(shí)現(xiàn)的條件下，購(gòu)物車與平臺(tái)的距離為10cm，一件一件改變購(gòu)物車內(nèi)商品數(shù)量，觀察顯示結(jié)果。5正確顯示10正確顯示20正確顯示40正確顯示60正確顯示圖10：付賬結(jié)賬顯示圖11：商品信息顯示圖12：快速結(jié)賬功能結(jié)論：經(jīng)過(guò)多次測(cè)試，RFID超市智能購(gòu)物車都能準(zhǔn)確的讀出商品信息，并顯示在顯示屏上，讀取成功率達(dá)到100%，完全符合超市智能結(jié)賬付費(fèi)。參考文獻(xiàn)1 徐斌.低頻射頻識(shí)別技術(shù)研究D. 西安電子科技大學(xué) 2015 2 劉大鵬.基于射頻識(shí)別技術(shù)的冷鏈監(jiān)管系統(tǒng)D. 西安電子科技大學(xué) 2014 3 李壽強(qiáng).關(guān)于嵌入式電子標(biāo)簽質(zhì)量監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究J. 中國(guó)測(cè)試. 2012(05) 4 董雪婷,何世偉,申永生.RFID電子標(biāo)簽在集裝箱港站中的應(yīng)用研究J. 物流技術(shù). 2012(17) 5 元媛,姜巖峰.射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)綜述J. 半導(dǎo)體技術(shù). 2006(11) 6 趙毅強(qiáng),曾雋芳.Web Services在RFID系統(tǒng)中的應(yīng)用綜述J. 計(jì)算