基于RFID無線射頻識別技術(shù)的智能超市購物車

1、(20160235 )：(基于RFID無線射頻識別技術(shù)的智能超市購物車)2016年重慶地區(qū)第九屆“盛群杯”大學(xué)生單片機應(yīng)用設(shè)計競賽基于RFID無線射頻技術(shù)的智能超市購物車參賽編號:20160235重慶機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 自動化工程系指導(dǎo)老師：楊川參賽隊員：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)計為基于RFID無線射頻識別技術(shù)與HT32F1765單片機的智能超市購物車，解決了超市結(jié)賬排隊時間長，商品結(jié)算慢的問題。主要實現(xiàn)自主購物快速結(jié)算和促銷信息顯示功能。該系統(tǒng)主要由HT32F1765單片機、TFT觸摸屏、商品條形碼識讀器、2.

2、4G無線數(shù)傳及電源等幾部分組成，顯示器主要呈現(xiàn)購物清單和商品信息；射頻電子標簽用于標識商品與商品防盜。當(dāng)人們選好商品放入購物車后，購物車通過RFID射頻識別技術(shù)自動識別物品并通過觸摸屏顯示物品名稱和購物總價，并且把電子清單發(fā)送到上位機超市結(jié)賬出口終端，人們離開超市時可實現(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無線射頻技術(shù)應(yīng)用于購物車上，使得購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物車。旨在改善購物環(huán)境，讓消費者體會到超市購物的便利，在無形中提高超市銷售量。關(guān)鍵詞：智能購物車，HT32F1656單片機，

3、RFID射頻識別技術(shù)，2.4G無線數(shù)傳-6-作品介紹1.1設(shè)計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，為滿足廣大消費者購物需求,連鎖超市、便利店等購物形式越來越受到廣大消費者青睞。繁忙的工作之余，還要抽時間到超市購買各種生活用品。一般大型超市購物人比較多，結(jié)賬時要排很久的隊伍；在規(guī)模大、品種多的大型超市中,顧客時常找不到欲購買的商品的位置； 并且目前顧客對于了解超市商品廣告及打折信息也很不方便,以上幾個經(jīng)常出現(xiàn)的問題，直接影響到顧客購物情趣和超市服務(wù)質(zhì)量和營業(yè)額。因此研發(fā)基于HT32F1765單片機的超市智能購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，智能購物車還有價格

4、掃描功能，如果遇到價格標簽標識不清楚的時候，用超市的智能購物車一查就可以顯示出價格，且購物車能自動顯示所購物品總價, 方便控制好購物的總量，大大節(jié)省購物時間, 真正讓消費者體會到超市購物的便利。1.2作品創(chuàng)新考慮到在超市購物還存在幾個大的問題，我們對智能購物車做了如下改進：實時顯示價格及快速結(jié)賬功能：找到商品后顧客把商品放上購物車上后配備的基于RFID射頻識別技術(shù)的條形碼識讀器對商品進行自助掃描，價格將直接計入總價。可以使顧客根據(jù)預(yù)算理性購物。這樣，就節(jié)省了顧客寶貴的購物時間。同時，利用2.4G無線數(shù)傳將購物數(shù)據(jù)傳到超市結(jié)賬出口，形成電子清單，方面離開超市時快速結(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，便于超市對商品進行促銷和方便消費者了解商品信息。防盜功能：我們還在購物車上安裝一個自動門來區(qū)分商品是否已被顧客購買。當(dāng)顧客將購物車推出門時，自動門將自動關(guān)閉，只有當(dāng)顧客購物交易完成后，才會再次開啟。該功能主要是通過屏蔽購物車以外的商品信號來實現(xiàn)。工作原理1.1整體工作原理本系統(tǒng)采用HT32F1765單片機作為主控制器，實現(xiàn)與超高射頻天線的通信以及RFID射頻卡信息的讀取，信息讀取過后的存儲、價格計算、刷卡等功能，同時控制整個門禁，避免超市的損失。用觸摸屏來進行人機交互，利用RFID射頻識別技術(shù)實現(xiàn)貼有標簽的商品識別，通過編寫上位機軟件來

6、存儲超市各個種類的商品位置、價格等信息，使顧客能夠通過使用觸摸屏 完成快速購物過程。圖1 新型智能購物車的功能結(jié)構(gòu)圖1.2 HOLTEK MCU之主要核心功能通過與短距離、低速率的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)2.4G數(shù)傳的通信，實現(xiàn)超市的導(dǎo)航功能，為顧客實時導(dǎo)航，再與超高射頻天線的通信以及RFID射頻卡信息的讀取，對讀取的商品信息進行快速處理，包括信息存儲、價格計算等功能。同時采用高效糾錯算法，對處理額信息進行校驗，以保證讀取的準確性。同時控制整個門禁，避免超市的損失。1.3 RFID射頻識別原理RFID應(yīng)用系統(tǒng)具體的工作過程是應(yīng)用系統(tǒng)通過發(fā)送應(yīng)用指令到讀寫器，讀寫器通過編碼器、解碼器對指令進行處理后，命令響

7、應(yīng)單元發(fā)出標簽讀寫命令，通過天線向標簽發(fā)送指令，標簽響應(yīng)后將標簽中存儲數(shù)據(jù)經(jīng)由天線通過空中接口返回到讀寫器天線，再經(jīng)過編碼、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)送讀寫指令外，還應(yīng)實現(xiàn)對RFID設(shè)備的配置工作。圖2所示為RFID的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。RFID讀寫器讀取RFID標簽的數(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)識別讀了多次的RFID標簽過濾機制的功能。利用過濾冗余數(shù)據(jù)機制，數(shù)據(jù)被過濾，只有和上層相關(guān)的數(shù)據(jù)才被傳送到中間件。實時產(chǎn)生的RFID信息經(jīng)過事件管理層處理供上層的交易過程和解決方案使用。圖2：RFID射頻識別原理1

8、.4 RFID高頻讀寫器通信協(xié)議此通信協(xié)議是上位機通過串行通信接口操作讀寫器的通信規(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，長度可變，并采用校驗和方法進行檢錯。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、無奇偶校驗，默認波特率為9600bps。其中數(shù)據(jù)包格式定義包含上位機指令數(shù)據(jù)包格式定義、讀寫器命令完成響應(yīng)包格式定義、讀寫器返回數(shù)據(jù)包格式定義三個板塊；該讀寫器包含27個指令集，分別為系統(tǒng)設(shè)置指令、18000-6C 標簽操作命令、緩存操作命。通過這些數(shù)據(jù)包格式定義和指令集，就可以編寫程序，上位機與下位機通過該協(xié)議進行數(shù)據(jù)之間的傳遞。1.5 2.4G通信協(xié)議在無線模塊組成的網(wǎng)絡(luò)中，一個

9、無線模塊就被稱為一個節(jié)點。每個無線模塊都有唯一的，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。因此在對模塊進行尋址時，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，適用于無線信號很穩(wěn)定的場合； 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)主機無法訪問，協(xié)議適應(yīng)無線傳感器的低花費、低能量、高容錯性等的要求。2.4G是一種新興的短距離、低速率的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。主要用于近距離無線連接。它有自己的協(xié)議標準，在數(shù)千個微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實現(xiàn)通信。1.6糾錯算

10、法在超市購物系統(tǒng)中，RFID系統(tǒng)將讀取的信號，傳輸?shù)胶笈_服務(wù)器，信號經(jīng)過服務(wù)器處理分析，從而識別商品的數(shù)量價格等信息，實現(xiàn)快速結(jié)賬。一方面，在超市購物時，讀寫卡會讀取大量的商品數(shù)量、價格等數(shù)據(jù)，信息量會相當(dāng)大，在信息傳遞過程中，往往產(chǎn)生冗余現(xiàn)象。另一方面，在實際信號傳輸中，信號會受到電磁信號、人為的電氣脈沖的干擾，這些干擾往往造成信號的成串錯誤或者是缺碼等現(xiàn)象，從而影響商品信息讀取的精確度。本文針對這種現(xiàn)狀，通過查閱資料，應(yīng)用了一種專門用于糾正突發(fā)錯誤的碼。在無線通信中，突發(fā)錯誤會導(dǎo)致連續(xù)符號錯誤，交織技術(shù)可以有效的對抗突發(fā)錯誤，另外還有一些可以糾正突發(fā)錯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突發(fā)錯誤的循環(huán)碼，它廣泛應(yīng)用在通信和計算機中等地方，本作品將采用法爾碼算法處理在信息傳輸過程中存在的缺碼、丟碼、突發(fā)錯誤等情況。法爾碼是用來糾正單個突發(fā)錯誤而系統(tǒng)構(gòu)造的第一類循環(huán)碼，為了理解法爾碼，首先，介紹素多項式。若一個m次多項式P（x），它不能被任何次數(shù)小于m,但不小于零的多項式除盡，則稱此多項式為素多項式。若m次素多項式P（x）除盡的的最小正整數(shù)滿足，就稱其為本原的。例如：二次多項式和都不是素多項式。這是因為他們都能被和整除，即0和1為根。但是多項式是三次素多項式，因為他不能被任何一次多項式或者整除，所以也不能被二次多項式整除。 由此可知法爾碼的定義為：若是m次素多項

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)，則可糾正長度為的突發(fā)差錯的法爾碼可由下列多項式生成。且兩因子與互素，即：而該碼的長度n是和的周期的最小公倍數(shù)。即：此碼的監(jiān)督（檢驗）位數(shù)目：法爾碼糾錯之后，可采用捕錯譯碼的方案進行譯碼，具體譯碼過程如下：圖3 法爾碼捕錯譯碼器接收多項式與y(x)同時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，就形成了伴隨多項式是s（x）;門2打開，伴隨式寄存器開始移位，一旦當(dāng)它最左邊全為0時，它的最右邊級中就包含了突發(fā)差錯圖樣，此時糾錯開始。 糾錯之后采用調(diào)庫的方式，將表示商品信息的字符串與庫數(shù)據(jù)進行比對，從而提高

13、信號精確度，避免出現(xiàn)商品與代碼不一樣的現(xiàn)象。實作設(shè)計結(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下位機系統(tǒng)設(shè)計智能購物車的MCU選取了HT32F1765單片機，此單片機支持可在線編程, 用戶可直接將程序通過串口下載到單片機中即可運行,非常方便。內(nèi)含128K的Flash程序存儲器字節(jié),可重復(fù)擦寫 其中內(nèi)容。 因此選用此型號的單片機極大的方便了超市工作人員根據(jù)超市商品情況的變化（價格，位置等）及時地更改單片機中儲存的相關(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)成了單片機的最小系統(tǒng)。下位機結(jié)構(gòu)框圖如圖5：圖5 下位機結(jié)構(gòu)框圖1.1.2

14、上位機（超市主機端）系統(tǒng)上位機端 仍用2.4G無線模塊收發(fā)數(shù)據(jù),輸出端與上位機 （即超市的電腦主機）相連。 整個無線網(wǎng)絡(luò)采用多對一通訊方式，即數(shù)個下位機購物車與一個上位機進行通訊。如果超市規(guī)模較大,購物車數(shù)量較多，超市也可設(shè)立多臺 上位機，每個上位機負責(zé)與一定數(shù)量的購物車進行通訊。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射頻識別程序設(shè)計核心RFID射頻識別程序設(shè)計流程圖如下圖7所示。圖67RFID射頻識別程

15、序流程圖1.2.3無線傳輸模塊子程序下位機的無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求、接收商品位置信息或商品排行榜清單，相應(yīng)地，上位機的無線傳輸模塊主要有接收下位機的請求和發(fā)送相關(guān)信息的功能。為了避免上位機出現(xiàn)死機現(xiàn)象，下位機在發(fā)送查詢請求之前，先給上位機發(fā)送一個信號查詢上位機是否空閑，如果上位機正忙，則下位機等待回應(yīng)，直到上位機空閑，下位機才開始發(fā)送信息查詢請求。無線傳輸模塊程序流程見圖8。圖8 無線收發(fā)模塊子程序流程圖1.2.4上位機子程序流程圖上位機的主要完成的任務(wù)是顯示下位機的當(dāng)前狀態(tài)，控制無線模塊響應(yīng)下位機的請求以及管理超市已有的數(shù)據(jù)庫，并統(tǒng)計商品排行榜 供下位機調(diào)

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

17、距離測試效果在基本功能完全實現(xiàn)的條件下，商品數(shù)量為10，改變購物車與平臺的距離，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)量測試表1.4可讀取商品數(shù)量測試測試條件測試數(shù)量測試效果在基本功能完全實現(xiàn)的條件下，購物車與平臺的距離為10cm，一件一件改變購物車內(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)過多次測試，RFID超市智能購物車都能準確的讀出商品信息，并顯示在顯示屏上，讀取成功率達到100%，完全符合超市智能結(jié)賬付費。參考文獻1 徐斌.低頻射頻識別技術(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.關(guān)于嵌入式電子標簽質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)的研究J. 中國測試. 2012(05) 4 董雪婷,何世偉,申永生.RFID電子標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.射頻識別(RFID)技術(shù)綜述J. 半導(dǎo)體技術(shù). 2006(11) 6 趙毅強,曾雋芳.Web Services在RFID系統(tǒng)中的應(yīng)用綜述J. 計算