应用NFC技术的超市支付系统设计

(常州大学信息科学与工程学院，江苏 常州 213164)

0 引言

随着城乡一体化的发展，我国城镇人口数量日益剧增，同时大型超市的数量也随之增加。大型超市给人们带来便利的同时也存在许多问题，结账排队问题尤为突出。如何提高结账效率是亟待解决的问题。国内外不少研究人员对此展开了研究，提出了多种改进方法，但是目前提出的方法依旧存在许多问题。文献[1]～[2]提出一种消费者通过手持扫描设备对自己的购买商品进行扫描，然后到收银处一次性导入来提高收银效率的方法。该方法在一定程度上缩短了排队时间，但是它增加了消费者的工作量，缺乏人性化。文献[3]应用射频识别(radio frequency identification，RFID)技术对商品信息进行扫描，收银部分依旧采用传统的人工收银。该方法提高了扫描效率，但是没有解决人工收银中找零麻烦的问题。文献[4]提出自动出纳机 (automatic teller machine，ATM)原理和嵌入式系统相结合的方案。该方法在一定程度上实现了收银自助化，但是仍不够完善。为实现扫描速度和收银快捷性的有机结合，本文提出一种基于近距离无线通信 (near field communication，NFC)和RFID融合技术的超市支付系统[5-7]。RFID技术实现商品信息的快速扫描，NFC技术实现快速电子支付。两者的有机融合能很好地克服目前超市收银系统的缺陷。

1 系统硬件设计

系统硬件采用模块化设计方案。系统主要由NFC支付单元[8-9]、RFID阅读单元[10-11]、液晶显示屏、红外检测单元、键盘单元、门禁控制单元以及压电转换单元等组成。其中，NFC支付单元设置于支付区内，通过有线或无线与云计算平台连接。RFID阅读单元由设置于支付区内的3个RFID阅读器平行排列组成。液晶显示屏设置于支付区内，用于实时显示商品信息，并通过语音提示顾客确认购物。红外检测单元分别设置于等待区和支付区内。整个支付区域分为等待区和支付区，等待区和支付区通过第一门禁隔开，支付区的边界由第一门禁和第二门禁限定，通过门禁控制单元的有效控制实现顾客支付流程的控制。

系统硬件结构如图1所示。

图1 系统硬件结构框图

1.1 门禁控制电路

嵌入式微控制器通过I/O口高低电平控制9014的通断，从而调节继电器电流的通断，实现门禁的开关控制。具体门禁控制电路如图2所示。

图2 门禁控制电路

控制电路通过施密特触发器HCF40106BM1对波形进行整形，预防波形失真造成误开门。为了预防电荷积累过多损坏9014，在9014集电极增加1N4007进行电流引导；同时为了防止9014被击穿，在基极增加电阻R21进行限压。

1.2 支付天线设计

天线设计采用单层圆角矩形线圈，通过在激励处串联一个电阻R和电容C获得13.56 MHz匹配频率。通过高频结构仿真(high frequency structure simulator，HFSS)软件得出仿真天线Smith图。经试验验证，当R=50 Ω、C=26.5 pF时，散射参数最低点最接近13.56 MHz。具体匹配参数：外圈长度为35 mm、外圈宽度为23 mm、线宽为0.6 mm、线间距为0.4 mm、引线间距为3 mm、介质板厚度为0.1 mm、线圈数为5、介电常数为3.5。

1.3 压电转换单元

压电转换单元由铺设在购物支付通道口附近的压电材料组成，对消费者及购物车压力变化产生的能量进行收集，用于降低市电的消耗，使得断电时电能得到及时补给，确保消费者顺利结算，提高系统的稳定性。具体转换电路如图3所示。

图3 压电转换电路图

首先压电陶瓷(piezoelectric ceramic transducer，PZT)产生压电效应，电能通过整流电路将电信号转换为单相电能；然后通过超级电容CP暂存能量；最后通过电压转换电路获得稳定的3.3 V电压。

1.4 红外检测单元

系统红外检测单元采用人体感应模块DYP-ME003。DYP-ME003主要由红外探头、菲涅尔透镜、BISS0001调理芯片组成。DYP-ME00的3个引脚依次为工作电源、电平输出、地线。当检测区有人出现时，第二引脚输出3.3 V电压，反之为0 V电压。第二引脚与控制器的I/O相连接，通过判断电压的高低来判断是否有人。系统中采用了2个人体感应模块，其中一个置于等待区，另一个置于支付区。

2 系统软件设计

2.1 软件系统结构

超市软件系统结构如图4所示。

图4 软件系统结构框图

软件系统由通信子系统、超市管理子系统、能源供应子系统、商品预购子系统、结账子系统、门禁子系统和报警子系统组成。其中，通信子系统由无线网和有线网有机结合，用于完成各个子系统之间的通信以及与云计算平台的通信；超市管理子系统用于库存报表、营销报表的自动制作；能源供应子系统用于超市系统能量的正常供应；商品预购子系统用于消费者对超市商品的预购；结账子系统和门禁子系统相结合，用于控制消费者支付结账；报警子系统用于预防消费者误带商品出超市以及设备故障报警。

2.2 系统主流程

系统由等待区和支付区两部分组成，两区的控制通过门禁设备在控制器协调下完成，同时等待区设有商品回收台，便于对顾客不想购买的商品进行回收，极大地方便了顾客。系统软件在Linux操作系统的基础上展开研究，其主流程如图5所示。

图5 系统主流程图

RFID阅读器由3个阅读器并排组成，前两个RFID阅读器状态由等待区的红外检测器监测结果决定。当检测器检测到等待区有人时，激活支付区内前两个RFID阅读器。如果第二个阅读器相对第一个阅读器有新数据时，激活第三个阅读器，并进一步读取电子标签，以确保读取的准确率。

2.3 NFC支付流程

实时NFC支付流程图如图6所示。

图6 NFC支付流程图

3 系统优化

系统分别从实时性、安全性和稳定性3个方面进行优化。

① 实时性

为了增强 Linux 的实时性，对 Linux内核中的剥夺补丁和实时调度器进行修改。剥夺补丁通过修改spinlock(旋转锁)和中断返回代码来实现增强内核实时性，保证内核运行的正确性和健康性。当spinlock 释放和中断返回时，剥夺补丁能有效减少唤醒事件发生和设置 need_resched 标志之间的时间。

② 安全性

首先在Linux平台设计移动可信模块(mobile trusted module,MTM)驱动程序；然后用Hash函数和认证码算法来架构NFC近场支付的安全、高效商务形式，代替了可信移动平台(trusted mobile platform，TMP)标准方案中的数字签名和验证算法，实现移动NFC近场支付。

③ 稳定性

为了提高系统供电稳定性，在供能单元增加了压电转换设备，通过铺设在购物支付通道口附近的压电材料，对消费者及购物车压力变化产生的能量进行收集，以降低市电的消耗和完成断电时电能的及时补给，确保消费者顺利结算。

4 结束语

基于NFC技术和RFID技术的超市支付系统，具有稳定可靠、实时性高、安装维护方便、结算效率高等优点，但是离广泛投产应用还存在一定距离，主要影响因素如下。

① 电子标签价位高。目前市场电子标签均价在2元左右，对于低价商品来说成本较高。但随着电子标签材料技术的改进，其成本将大幅度降低，该成本将不是主要考虑的成本。

② NFC技术终端研究相对较少。虽然现在国内外有不少厂家已开发出带有NFC功能的便携设备，但是NFC终端开发没有跟上，这严重阻碍了NFC移动支付功能的广泛应用。

虽然本支付系统支付方法离广泛推广具有一定距离，但是据市场研究公司IDC预计，到2017年全球移动支付的金额将突破1万亿美元，其中有25%来自NFC移动支付[12]，这足以看出本系统具有较好的市场前景。

[1] 潘晓亮.一种缩短超市排队的方法:中国,2012102694501[P].2013-01-09.

[2] 潘晓亮.一种超市商品自助结账系统及方法:中国,2012100837303[P].2012-08-15.

[3] 东莞市博晟电子科技有限公司.一种超市商品自助结账系统及方法:中国,2012100837303[P].2012-08-15.

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