基于RFID技术的智能购物车系统设计

李根，朱其祥

（安徽财经大学管理科学与工程学院，安徽蚌埠233030）

基于RFID技术的智能购物车系统设计

李根，朱其祥

（安徽财经大学管理科学与工程学院，安徽蚌埠233030）

智能购物车主要针对大型购物超市，可实现室内定位导航，使得顾客能够快速的找到自己所需求的商品.在顾客购物时，通过嵌入式系统为顾客提供商品信息，并且根据搜索记录和账户消费记录，提供个性化商品推荐，提升顾客购物体验.在每件商品上标记电子标签，使得顾客在查询商品和结算缴费时，无需逐个扫描，而是将购物车推进一个装有无线射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）的高频读卡器的区域，通过扫描电子标签同数据库中数据进行比对计算，自动完成商品结算，通过网银或移动支付（POS机、支付宝、NFC等）方式，从用户账户上减掉消费金额，实现即时支付.

RFID；嵌入式；室内定位；即时支付

随着社会经济的发展，大型连锁超市随处可见，物品越来越齐全，种类也越来越丰富，但是对消费者来说，购买商品并不是一件轻松愉快的事.大型超市常常会出现结算付款的长队，特别是在促销活动或者节假日的结账高峰期，会出现收银台阻塞的现象.有的顾客甚至直接放弃商品离开，这给超市带来很大的损失[1].

在超市购物过程中，往往会出现顾客不易找到所需商品，商品信息不明确，排长队付款等购物体验差的问题.为了解决购物中的这些问题，几年前，就已经有一些大型企业开始研发智能购物车.2008年，微软开发并试行了MediaCart智能推车，顾客可以通过购物车上的显示屏查询到所需商品位置，并通过扫描商品价格直接算账，这样顾客不必在收款台前排长队[2].2011年，韩国最大电信运营商SK Telecom也推出智能推车[3]，与MediaCart不同的是，顾客可事先生成购物清单，购物时直接将购物清单同步至智能购物车上.

1 智能购物车系统概述

智能购物车以STM32芯片为核心控制系统，其中包括阅读器、重量传感器模块、Zigbee无线通信模块和语音模块等构成，完成定位导航、商品查询、即时支付、个性化推荐等功能，嵌入式系统的液晶触摸屏为人机交互服务，如图1所示.首先，顾客通过触摸屏查询商品并生成购物清单，智能购物车根据数据管理系统查询到商品位置，并规划出最佳购物路线，直接在购物车屏幕上显示超市的电子地图.接着，随着购物车的移动,阅读器将会自动识别商品上的RFID标签信息,读取商品上RFID标签的内容，并定位所需商品.然后，将目标商品放入购物车内，RFID阅读器和购物车内重量传感器同时检测，保证商品的100%识别率.最后，智能结算，从用户账户上减掉消费金额，实现即时支付.

图1 智能购物车系统框图

当超市给货架上货时，工作人员给每个商品贴上电子标签，通过后台数据管理系统录入此商品的详细信息，并通过阅读器写入到相应的电子标签里，并可以在促销消息变化或者物品价格变化时随时更新信息.同时也方便管理人员了解商品的销售量、存货数量、生产日期等消息，为进货、促销提供一些数据参考.

2 智能购物车的工作原理

2.1 RFID系统基本组成

RFID技术具有环境适应性强，可重复使用，传输范围广，可同时读取多个电子标签，可识别高速运动物体.因此，RFID技术将会成为21世纪改变我们生活的一项重要技术[4].RFID系统由电子标签(Tag)、阅读器（Reader）和数据交换与管理系统(Processor)三大部分组成[5]，如图2所示.

图2 RFID系统组成

一般来说,有两种类型的RFID标签：无源RFID标签和有源RFID标签.综合这两类电子标签的优缺点以及成本，最终选择无源电子标签.如表1所示.

表1 RFID标签比较

2.2 RFID定位原理

电磁波会随着距离的增加，信号强度会非线性衰减，故阅读器与标签的距离可以利用接收信号的强度值来标定.RFID室内定位原理就是将接收信号的信号强度值（Receive Signal Strength Indication，RSSI）与距离拟合出对应关系，从而确定被测物体的位置.信号强度值与距离的对应关系式如2.2.1所示：

其中：d为发射端与接收端之间的距离；RSSI（d0）参考距离d0对应的接收信号强度；d0为单位距离，经验取值为1m；n为电磁波信号损耗指数，与环境有关；X0为背景噪声.

忽略背景噪声的影响，则公式2.2.1简化为式2.2.2.

经过多次实验结果，本文中n取值为3.3，A取值为42.1dBm，MATLAB拟合出的信号强度值与距离的对应曲线，如图3所示.

图3 信号强度值与距离的关系

2.3 RFID定位算法

由于超市环境的复杂性，根据RSSI值计算的参考节点间的距离往往大于其真实距离，所以采用基于距离的质心定位算法[6].假设购物车获取距离自己最近的3个电子标签坐标分别为O1(x1,y1)，O2(x2,y2)，O3(x3,y3)，它们有效辐射范围分别为R1，R2，R3，实际模型如图4所示.

图4 三角质心定位示意图

由于受实际环境的影响，假设三个圆的交点分别为A，B和C，因此选择该三点组成三角形的质心作为智能购物车的前进坐标，即点D.设点A的坐标为（xa,ya）,B(xb,yb),C(xc,yc)，则有：

由公式2.3.1求得点A的坐标为（xa,ya），同理可求出点B和点C的坐标值B(xb,yb),C(xc,yc).设点D的坐标为(xd,yd)，由三角形的质心公式可得，则有：

利用信标节点对未知节点的不同影响力来确定加权因子（1/（+）），进行加权质心算法定位，从而提高物体定位精度[7].设点D’的坐标为(，)，则有：

3 智能购物车的功能设计

3.1 室内导航

在超级市场购物时，商品琳琅满目，在没有售货员的指引下，很难找到自己所需商品，未规划的购物路径如图4所示.所以，商品定位就显得非常重要.由于G P S导航的精度问题，无法用在室内导航.通过建立数据库和数学建模方式，智能购物车的显示屏可显示商场的详细地图，随着智能购物车的不断移动,阅读器会自动识别商品上的R F ID标签,并且读取标签内容.顾客添加完商品后，智能购物车自动规划出最佳路线，节省顾客大量的时间和精力.规划后的最佳路径如图5所示.

图4 未规划的购物路径

图5 规划后的最佳路径

3.2 智能结算

顾客列好的购物清单后，在液晶屏上显示商品的相关信息，还可以进行同类商品的对比，方便顾客选择适合自己的商品.智能结算，顾客将购物车推进一个装有R F ID的高频读卡器的区域，自动完成商品结算.在避免漏刷商品方面，在购物车加了重量传感器，用以检测重量的增加，把购物车上的商品重量与数据管理系统中对应商品的重量参数对比，如果有遗漏，在清单上显示即可.

3.3 个性化推荐

通过身份验证，智能购物车直接建立各商品之间的相似度关系矩阵，就像各大网购网站推荐一样，“购买了这个商品的人，还买了XX”.通过对顾客进行大数据分析，例如分析浏览和消费记录，分析与你购买同一款商品的人，推算顾客将要购买什么，并在智能购物车上进行精准投送，为消费者推荐超市促销商品以及一部分广告.智能购物车为顾客推荐可能潜在购买的商品，同时也方便顾客及时了解促销信息.

4 结语

本智能购物车具有定位导航、商品查询、即时支付、个性化推荐等功能，除了给顾客带来不一样的购物体验，同时也为商家构建了一个现代化的智能平台，通过与后台数据库或云平台的连接，可以完成商品从入库存储、出库，上架，销售，结算的全方位管理，也减轻了部分商家在推销新产品方面所要花费的人力物力财力[8].

但是，R F ID的一些技术问题制约着智能购物车的发展，比如复杂的周边环境，金属产品等，对射频识别存在一定的干扰，而且目前R F ID技术还达不到一次性扫描购物车里所有商品100%的成功率，故本购物车同时增加了重量传感器，保证扫描的准确率.随着物联网的飞速发展，技术不断革新，R F ID技术瓶颈将会不断突破，智能购物车将会普及到各大超市.

〔1〕陈净娟.从顾客损失角度研究某大型超市的现行结算方式[D].吉林大学,2011.

〔2〕何珊.微软研发出智能购物车：算账促销二合一[N].新华每日电讯,2008-01-18007.

〔3〕于冬雪.“终极购物模式”来了？[N].南方日报, 2015-03-06C02.

〔4〕吴泳.无线射频识别技术(RFID)及应用[J].长沙通信职业技术学院学报,2006（01）:45-50.

〔5〕顾毓豪.BG公司门岗人车进出管理方案可行性研究[D].东北大学,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〕郜丽鹏.基于ZigBee的加权质心定位算法的仿真与实现[J].传感技术学报,2010,23(1):159-152.

〔8〕李金.大型连锁超市的赢利模式研究[D].天津大学,2012.

TP368

：A

：1673-260X（2017）03-0019-03

2016-12-09

安徽财经大学国家级大学生创新创业训练计划资助(201610378129)；安徽财经大学2017年度大学生科研创新基金项目（XSKY1773）