基于RFID技术的超市智能购物引导系统的设计

实践教学

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XX理工大学

计算机与通信学院

2013年秋季学期

RFID应用技术课程设计

题 目： 基于RFID技术的超市智能购物引导系统的设计 专业班级： 计算机科学与技术（物联网方向） 姓 名： XXX 学 号： XXX 指导教师： XXXX 成 绩：

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目录

目录................................................................................................................................................... 2 摘要................................................................................................................................................... 3 前言................................................................................................................................................... 4 1、需求分析 ..................................................................................................................................... 5 2、RFID技术简介........................................................................................................................... 6

2.1 RFID的基本概念 ............................................................................................................... 6 2.2 RFID技术的发展 ............................................................................................................... 6 2.3 RFID技术的应用 ............................................................................................................... 8 3、RFID系统的组成及工作原理 ................................................................................................... 9

3.1 RFID系统的组成 ............................................................................................................... 9 3.2 RFID技术的基本工作原理 ............................................................................................. 10 4、超市智能导购系统基本结构 ................................................................................................... 13

4.1 RFID企业生产系统 ......................................................................................................... 13 4.2 中间件系统 ...................................................................................................................... 13 4.3 超市智能导购系统的主要原理 ...................................................................................... 14 5、超市智能导购系统的组成及操作流程 ................................................................................... 15

5.1 超市智能导购系统的组成 .............................................................................................. 15 5.2 超市智能导购系统的操作流程 ...................................................................................... 16 6、超市智能导购系统模块原理 ................................................................................................... 17

6.1 身份识别模块 .................................................................................................................. 17 6.2 搜索导航模块 .................................................................................................................. 17 6.3 信息读取模块 .................................................................................................................. 18 6.4 广告推送模块 .................................................................................................................. 18 6.5 智能清算模块 .................................................................................................................. 18 总结................................................................................................................................................. 19 致谢................................................................................................................................................. 20 参考文献 ......................................................................................................................................... 21

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摘要

设计了一种基于RFID技术的超市智能购物引导系统方案。超市智能导购系统中最关键的问题是产品的识别和产品信息的获取。将电子标签与物联网相结合，利用电子标签作为产品识别的手段，利用物联网来获取产品的详细信息并自动生成产品信息，超市智能导购系统有货架处的有源RFID标签、超市范围内的一定数量的读卡器和每个顾客的手持设备，该设备由顾客输入产品信息并与超市中的读卡器进行通信，引导顾客到达所需商品处，以实现在超市管理系统中的人性化、智能化。

关键词：物联网；RFID；智能超市；导购；电子标签

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前言

随着社会的发展，超市已经成为了人们日常生活的一部分。超市中的物品种类繁多，人们可以在超市中购买到任意所需商品。然而商品种类的增多给人们选购商品带来了一定的影响，人们可能会花大量的时间在寻找商品上。本方案意在让顾客在智能超市中感受到物联网给人们生活所带来的便捷，明白何为物联网及物联网对人们生活的影响。智能超市让顾客不再为购物找商品和排队结账而苦恼。因此，构建超市购物引导系统具有较大实际意义。

电子标签和物联网的出现使得工业企业物联网系统得以实现。电子标签是用来识别物品的一种新技术，它是根据无线射频识别原理(RFID)而生产的，它与读写器通过无线射频信号交换信息，是未来识别技术的首选产品。物联网是在计算机互联网基础上，利用电子标签为每一物品确定唯一识别EPC码，从而构成一个实现全球物品信息实时共享的实物互联网，简称“物联网”。物联网的提出给获取产品原始信息并自动生成清单提供了一种有效手段，而电子标签可以方便地实现自动化的产品识别和产品信息采集，这两者的有机结合可以使人们随时随地在超市中买到任意所需的商品。本文以电子标签和物联网为基础，列出了基于RFID技术的超市智能导购系统的基本信息，对其结构和功能进行了分析，并利用电子标签实现了一个典型的工业企业物联网系统，大大提高超市运作的快速性和准确性，不但提高了工作效率，而且减少了人为差错。

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1、需求分析

21世纪，超市的竞争也进入到了一个全新的领域，竞争已不再是规模的竞争，而是技术的竞争、管理的竞争、和做到人性化的服务。技术和管理的升级是超市业的竞争核心。

超市中的物品种类繁多，人们可以在超市中购买到任意所需商品。然而商品种类的增多给人们选购商品带来了一定的影响，人们可能会花大量的时间在寻找商品上，如果遇上购物高峰期，在购物结算时，顾客又不得不忍受排好长时间的队的烦恼，这种依靠人工管理、收费的系统越来越显现出其弊端，已经无法满足现实超市高速运转的需要。因此，建立一个能够快速识别和定位顾客所需商品，能够实现顾客身份识别、商品搜索导航及信息读取，能够提供商品广告推送和智能清算三者紧密相连的智能化超市购物引导管理系统是超市发展的新需求，是很有必要的。

超市智能导购系统中最关键的问题是产品的识别和产品信息的获取。将电子标签与物联网相结合，利用电子标签作为产品识别的手段，利用物联网来获取产品的详细信息并自动生成产品信息，从而提出了基于RFID的超市导购物联网系统的想法，并对其结构和功能进行了分析。此外还重点分析了在该物联网中的RFID系统的应用以及中间环节的通信技术，以实现在超市物联网系统中的人性化、智能化。

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2、RFID技术简介

近几十年来，自动识别技术在全球范围内得到了迅速的发展，在许多服务领域、货物销售与后勤分配方面、在商业部门、生产企业和材料流通领域均得到了快速的普及和推广。自动识别的任务和目的是提供关于个人、动物和物品的信息。

2.1 RFID的基本概念

射频识别是一种自动无线识别和数据获取技术，它的基本原理是电磁理论。射频系统的优点是不局限于视线，识别距离比光学系统远、射频识别卡具有读写能力，可携带大量数据，同时具有难以伪造和智能性高等特点。射频识别和条码一样，是非接触识别技术。由于无线电波能“扫描”数据，所以RFID挂牌可做成隐形的。有些RFID识别产品的识别距离可以达到几百米，RFID标签可做成可读写的。

射频标签最大的优点在于非接触性，因此完成识别工作时无须人工干预，能够实现自动化且不易损坏，可识别高速运动物体并可同时识别多个射频标签，操作快捷方便。射频标签不怕油渍、灰尘污染等恶劣的环境，短距离的射频标签可以在这样的环境中替代条码，例如用在工厂的流水线上跟踪物体。长距离的产品多用于交通上，可达几十米，如自动收费或识别车辆身份等。

RFID识别的缺点是标签成本相对较高，而且一般不能随意扔掉，而多数条码扫描寿命结束时可扔掉。

RFID使用的领域：物料跟踪、运载工具和货架识别等非接触数据采集和交换的场合．由于RFID标签具有可读写能力，对于需要频繁改变数据内容的场合尤为适用。

2.2 RFID技术的发展

RFID直接继承了雷达的概念，并由此发展出一种生机勃勃的AIDC新技术——RFID技术。1948年哈基．斯托克曼发表的“利用反射功率的通讯”奠定了射频识别RFID的理论基础。

1）RFID技术发展的历程表。

在20世纪中，无线电技术的理论与应用研究是科学技术发展最重要的成就

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之一。RFID技术的发展可按10年期划分如下：

1941--1950年：雷达的改进和应用催生了RFID技术，1948年奠定了RFID技术的理论基础。

1951--1960年：早期RFID技术的探索阶段，主要处于实验室实验研究。 1961--1970年：RFID技术的理论得到了发展，开始了一些应用尝试。 1971--1980年：RFID技术与产品研发处于一个大发展时期，各种RFID技术测试得到加速，出现了一些最早的RFID应用。

1981--1990年：RFID技术及产品进入商业应用阶段，各种规模应用开始出现。

1991--2000年：RFID技术标准化问题日趋得到重视，RFID产品得到广泛采用，RFID产品逐渐成为人们生活中的一部分。

2001--至今：标准化问题同趋为人们所重视，RFID产品种类更加丰富，有源电子标签、无源电子标签及半无源电子标签均得到发展，电子标签成本不断降低，规模应用行业扩大。RFID技术的理论得到丰富和完善。单芯片电子标签、多电子标签识读、无线可读可写、无源电子标签的远距离识别、适应高速移动物体的RFID正在成为现实。

2）RFID技术国内外发展状况

RFID技术在国外的发展较早也较快。尤其是在美国、英国、德国、瑞典、瑞士、日本、南非目前均有较为成熟且先进的RFID系统。其中，低频近距离RFID系统主要集中在125kHz、13．56MHz系统；

高频远距离RFID系统主要集中在UHF频段(902 MHz --928MHz)915 MHz、2．45GHz、5．8GHz。UHF频段的远距离RFID系统在北美得到了很好的发展；欧洲的应用则以有源2．45GHz系统得到了较多的应用。5．8GHz系统在日本和欧洲均有较为成熟的有源RFID系统。

在RFID技术发展的前10年中，有关RFID技术的国际标准的研讨空前热烈，国际标准化组织ISO/IEC联合技术委员会JTCI下的SC31下级委员会成立了RFID杯准化研究工作组WG4。尤其是在1999年10月1日正式成立的，由美国麻省理工学院MIT发起的Auto—ID Center非盈利性组织在规范RFID应用方面所发挥的作用将越来越明显。

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2.3 RFID技术的应用

由于射频识别技术的优点，RFID技术已被广泛应用于诸如工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理、汽车和火车等交通监控、高速公路自动收费系统、物品监控管理、流水线自动化控制、图书或档案管理系统、门禁系统、金融交易、参处管理、畜牧管理，车辆防盗等等。

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3、RFID系统的组成及工作原理

3.1 RFID系统的组成

一个RFID系统通常有两个组件组成：

图1 RFID系统基本模型

收发器（transponder）或者标签（Tag）：位于或者通过某种物理手段附加于被识别的对象之上；

讯问器（interrogator）或者阅读器（reader）：取决于设计和所采用的技术，可以是阅读或者读写设备。

图2 RFID系统的主要构成

阅读器通常包含一个射频模块(发射器和接收器)，一个控制单元和一个与收发器的耦合单元。另外，某些阅读器还包含其他数据接口系统 (RS 232, RS 485,TCP/IP等)，以便将数据转发到其他系统。

标签：表示RFID系统的实际数据载体，通常有一个耦合单元和一个电子芯片组成。标签通常不具备自身电源供应，当它不在质询器的质询范围时，整体呈

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被动状态。它只有在质询器的质询范围之内才被激活。激活雷达收发器的电力通过耦合单元传输给收发器，所需的数据和时钟脉冲也是如此。

图3 RFID标签

3.2 RFID技术的基本工作原理

RFID技术的基本工作原理：电子标签与阅读器之间通过耦合元件实现射频信号的空间(无接触)耦合、在耦合通道内，根据时序关系，实现能量的传递、数据的交换。当标签进入磁场后，接收读写器发出的射频信号，标签凭借感应电流所获得的能量为自身供电并发送出存储在芯片中的产品信息（Passive Tag，无源标签或被动标签），或者由标签主动发送某一频率的信号（Active Tag，有源标签或主动标签），读写器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。

图4 RFID工作原理图

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RFID标签和读写器之间采用无线通信方式传递信息。其基本的通信方式有两种，第一种基于电磁耦合或者电感耦合，第二种基于电磁波的反向散射耦合。

1、电感耦合：变压器模型，通过空间高频交变磁场实现耦合，依据的是电磁感应定律。

图5 电感耦合

2、电磁反向散射耦合：雷达原理模型，发射出去的电磁波，碰到目标后反射，同时携带回目标信息，依据的是电磁波的空间传播规律。

图6 电磁反向散射耦合

电感耦合方式一般适合于高、中、低频工作的近距离射频识别系统。典型的工作频率有：125kHz、225kHz和13．56MHz。识别作用距离小于1m，典型作用

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距离为10～20cm。电磁反向散射耦合方式一般适合于超高频、微波工作的远距离射频识别系统。典型的工作频率有：433MHz，915MHz，2．45GHz，5．8GHz。识别作用距离大于1m，典型作用距离为3—l0m。

RFID标签与读写器之间的耦合通过天线完成，天线通常可以理解为电波传播的天线，也指电感耦合的天线。数据在读写器和标签之间用无线方式传递，噪声、干扰以及失真与数据本身一样传递。与其他通信系统相似，技术上必须保证数据被正确传递和恢复。数据传递有同步和异步之分，在RFID系统中，码流结构也要适应信道特性的要求，码流结构化过程称为信道编码。对于RFID系统，信道编码必须对用户透明，现在有各种不同的信道编码方法，其特点也不尽相同。为了通过空间有效传递数据，要求将数据调制在载波上，这一过程称为调制。常用的调制方法有ASK、FSK和PSK。

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4、超市智能导购系统基本结构

超市智能导购系统有货架处的有源RFID标签、超市范围内的一定数量的读卡器和每个顾客的手持设备，该设备由顾客输入产品信息并与超市中的读卡器进行通信，引导顾客到达所需商品处。

4.1 RFID企业生产系统

负责前端的标签识别、读写和信息管理工作，将读取的信息通过计算机或直接通过网络传送给本地物联网信息服务系统。可以在每一类商品对应的货架处安装有源RFID标签，标签中包含着商品的信息，包括商品名称、价格、生产厂商以及商品所在处货架的位置信息。

4.2 中间件系统

中间件是处在阅读器和计算机Internet之间的一种中间件系统。该中间件可为企业应用提供一系列计算和数据处理功能。其主要任务是对阅读器读取的标签数据进行捕获、过滤、汇集、计算、数据校对、解调、数据传送、数据存储和任务管理，减少从阅读器传送的数据量。同时，中间件还可提供与其他RFID支撑软件系统进行互操作等功能。此外，中间件还定义了阅读器和应用2个接口．中间件如图1所示：

图7 中间件系统

超市范围内安装一定数量的读卡器就是该中间系统的重要组成部分，同时为每一个进超市选购商品的顾客配置一个手持设备，顾客在手持设备上输人所需的商品名称，手持设备与超市中的读卡器通过中间件操作系统通信，发布自己的信息，读卡器发布路由信息到手持设备引导顾客前往所需购买的商品处。

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4.3 超市智能导购系统的主要原理

在超市一定的区域内安设读卡器，读取该范围内所有有源RFID标签，并建立自己的标签库。读卡器之间利用Zigbee协议进行信息交互。每个读卡器相当于物联网中的一个节点，节点中存放着自己邻居节点的信息。也就是说每个读卡器都能获得它的邻居读专器中的标签信息。顾客的手持设备为物联网中的移动节点，可以和读卡器进行实时通信。同时，顾客手持设备还间有LCD显示功能。该手持设备具有与RFID标签通信的功能，即可以读取指定商品RFID信息的功能。该物联网系统网络为多跳网络，当读卡器收到移动节点发来的商品信息时，如果商品信息不再自己的标签库中，则将消息转发给自己的邻居节点直到找到目标读卡器。读卡器节点根据目标读卡器节点的位置不断将路由指示发送到手持设备上并通过LCD显示给顾客。当顾客到达目标读卡器对应的区域时，目标读卡器将商品的标签信息发送给顾客，顾客通过标签信息所示的位置信息找到所需商品。

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5、超市智能导购系统的组成及操作流程

5.1 超市智能导购系统的组成

整个智能超市系统由身份识别、搜索导航、信息读取、广告推送、智能清算5部分组成。

1)身份识别。由于超市是全智能无人管理，因此，在社区内只有持有智能“市民卡”的顾客才有权限进入超市购物。

2)搜索导航。顾客在超市的智能购物车上可以搜索和选择所需要的商品，超市内的导航系统将读取顾客当前位置信息，并引导顾客前往相应购买区。 3)信息读取。当顾客表现出对某类产品的兴趣后，将相关产品的广告信息展示给顾客。

4)广告推送。智能购物车可以将顾客临近商品的特价或优惠等信息传递给顾客，供顾客挑选商品。

5)智能清算。结账时无需像传统的条形码一样逐渐商品扫描，直接将整车的商品信息读取，得到消费金额，自动从“市民卡”上扣取。 方案设计图如图5所示：

图8 系统方案设计图

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5.2 超市智能导购系统的操作流程

1)顾客佩戴智能“市民卡”通过身份验证进入超市；无“市民卡”将无法进入超市，强行进入会进行报警。

2)顾客人选一个智能购物车，利用其配备的手持设备进行商品的浏览和选购。

3)如果顾客需选购商品，则将顾客临近商品的信息(包括产品名称、厂商、价格)通过手持设备展示给顾客；当顾客表现出对某类商品的信息时，将其相关信息(含购买率等信息)通过手持设备展示给顾客。

4)当顾客选定好商品后，手持设备将显示出顾客当前所处位置，以及选购商品所处位置，并选择一条最佳路线引导顾客前往购买。

5)顾客购买好商品后通过RFID计算通道进行智能结算，并自动从“市民卡”内扣钱，如市民卡内金额不足则予以提示不予放行，否则直接报警。

6)没有购买商品的顾客从正常出口离开超市，如果购买商品却没有通过结账通道则进行报警。

系统流程图如图6所示：

图9 系统流程图

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6、超市智能导购系统模块原理

超市智能导购系统由身份识别模块、搜索导航模块、信息读取模块、广告推送模块、智能清算模块组成。

6.1 身份识别模块

该项功能是建立在共享平台应用子集功能的基础上，利用博览中心的智能“市民卡”进行身份的识别，该功能只需博览园配置相应的设备即可；超市内通过安装“市民卡”读卡器，感知身份信息，同时将身份信息发送到应用子集进行身份验证。

6.2 搜索导航模块

在现有的超市购物车上配置具有读卡器功能的手持设备，通过手持设备可以浏览商品的信息，并且选购商品。手持设备嵌入了RFID读卡器，可以实现1～2 m的读取距离。

当选择好商品后，手持设备将购置信息传给读卡器节点，读卡器节点读取其监测环境中的标签信息，如果某读卡器节点范围内没有相关物品信息，则传送信息给其邻居读卡器节点，直到找到相关物品。同时将物品的位置信息返回手持设备，获取当前位置信息和物品信息，自动选择一条最优路径引导顾客购物。

搜索导航流程图如图7所示：

图10 搜索导航流程图

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6.3 信息读取模块

手持设备可以通过读卡器读取附近商品的信息，通过手持设备上的附近商品介绍选项可以浏览商品信息。当用户表现出对某种商品的兴趣时，将产品的相关信息展示给顾客。

6.4 广告推送模块

当顾客处于某类商品的区域时，特价商品通过推荐选项将相关商品的促销活动以及购买情况展示给顾客。

信息读取和广告推送如图8所示：

图11 信息读取和广告推送流程图

6.5 智能清算模块

建立RFID收货通道，顾客采购商品后只须推着购物车通过一道安装RFID阅读器的结账出口，系统便会即刻对购物车内所有贴有RFID标签的货品进行一次性扫描，并自动从顾客的市民卡上扣除相应的金额，打印购物清单凭条。整个结账过程在短短数秒内即可完成。为了安全起见，我们采用两次信息收集核对，在顾客将商品放入购物车时，记录商品信息，并返回终端结算系统。如果有商品从购物车中拿出，则将对应信息从终端清除．当顾客通过RFID收货通道时，进行结算匹配，如果两次终端的清单一致则结算完成。

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总结

本文主要结合RFID技术提出了一种基于RFID技术的超市智能购物引导系统设计方案。项目完成后，可方便人们购物，大大提高了工作效率，节省了顾客的等待时间。最后，该系统的实现能使超市更加智能化和人性化，促进商家售货，并能满足购物者的个性化服务，应用前景良好。当然，诸如电子标签的成本问题、电子标签与物联网应用相关标准和规范的制定、物联网的信息安全等都是影响该系统应用普及的关键因素，因此，有必要对这些基础性问题作进一步深入的研究。

超市智能购物引导系统将来还可以充分利用计算机网络优势，进一步结合利用人工智能、优化算法等的技术手段，提高系统的管理和决策能力，在更多的节省劳动力成本和作业操作能耗的同时，进一步超市管理系统的整体性能。

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致谢

在本论文完成之际，我首先要感谢我的导师薛建斌老师。在本论文完成过程中，从选题到开题报告，从写作提纲，到一遍又一遍地指正每稿中出现的问题，薛建斌老师为我倾注了大量的心血。学习中老师对我严格要求，悉心指导，写作过程中对论文严格把关，循循善诱，对此表示衷心的感谢！

同时还要感谢我的同学在我的论文完成过程中给予的大力支持。他们踏实、勤奋的学习态度一直影响和敦促着我。此外，在我的论文设计中，他们对我也提出了许多有益见解，并在论文撰写过程中给予我很多帮助。

最后，再次向给与我关心、帮助和鼓励的所有老师、同学和朋友致谢！

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参考文献

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