1 引言
射頻識(shí)別技術(shù)應(yīng)用于超級(jí)市場(chǎng)，能迅速查詢、調(diào)用各商品的信息，能對(duì)商品的信息實(shí)時(shí)改寫(xiě)和對(duì)商品進(jìn)行遠(yuǎn)距離的群識(shí)別，達(dá)到宏觀管理、實(shí)現(xiàn)信息共享、提高工作效率的目的；而且能加快顧客支付速度，提高顧客的滿意度和忠誠(chéng)度，降低超市的風(fēng)險(xiǎn)度。本文主要探討將RFID技術(shù)應(yīng)用在智能超市中的相關(guān)問(wèn)題。
2 智能超市工作原理
智能超市是融合射頻識(shí)別技術(shù)、計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理技術(shù)于一體的現(xiàn)代化超市，具有運(yùn)轉(zhuǎn)效率高、風(fēng)險(xiǎn)成本低、管理科學(xué)先進(jìn)、服務(wù)品質(zhì)優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)。智能超市最大特點(diǎn)是采用射頻識(shí)別技術(shù)，不需人工對(duì)每件商品條碼進(jìn)行掃描，這樣可以節(jié)約大量的人力和物力，提高效率 ，避免超市出口排長(zhǎng)長(zhǎng)的隊(duì)伍。由于射頻信號(hào)能夠穿透衣服等障礙物，這樣還可以防止超市商品被盜。超市的每件商品都貼上電子標(biāo)簽，標(biāo)簽內(nèi)存儲(chǔ)的信息包括商品的編碼、價(jià)格等。當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入讀寫(xiě)器的識(shí)別范圍內(nèi)，標(biāo)簽馬上就能被激活，商品所有的信息都能被讀寫(xiě)器獲取，然后顯示給顧客和工作人員。讀寫(xiě)器內(nèi)部采用防碰撞算法，能同時(shí)識(shí)別多個(gè)標(biāo)簽，并且無(wú)遺漏。基于RFID的智能超市不但安全，而且快捷，具有很大的市場(chǎng)前景。
對(duì)于大型的智能超市，是由多個(gè)下屬分店、連鎖總部、配送中心等機(jī)構(gòu)組成。超市的總部、分店、配送中心往往處于一個(gè)城市不同的地理位置，它們各自的局域網(wǎng)服務(wù)器需通過(guò)Internet方式實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程連接。智能超市信息管理系統(tǒng)采用分布式數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)：即一級(jí)數(shù)據(jù)服務(wù)器設(shè)在總部，二級(jí)數(shù)據(jù)服務(wù)器設(shè)在各分店。所有服務(wù)器在整體上構(gòu)成一個(gè)分布式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。
智能超市分店結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，每個(gè)分店由支付系統(tǒng)、進(jìn)貨系統(tǒng)、無(wú)線手持終端、管理系統(tǒng)組成，四個(gè)系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)。支付系統(tǒng)、進(jìn)貨系統(tǒng)、無(wú)線手持終端的核心設(shè)備同為RFID讀寫(xiě)器，區(qū)別在于支付系統(tǒng)是從數(shù)據(jù)庫(kù)中刪除商品記錄，進(jìn)貨系統(tǒng)是向數(shù)據(jù)庫(kù)中添加商品記錄，而無(wú)線手持終端供顧客和工作人員使用。
3 射頻識(shí)別相關(guān)技術(shù)
3．1 RFID技術(shù)基礎(chǔ)及組成
由于射頻識(shí)別技術(shù)綜合了射頻技術(shù)、信息技術(shù)、控制技術(shù)等多學(xué)科的技術(shù)，故其表現(xiàn)出多種不同的特征和特性。按照不同的分類標(biāo)準(zhǔn)，可以把市場(chǎng)上的RFID系統(tǒng)按照系統(tǒng)的功能、特性等分類。(1)按照能量供應(yīng)方式進(jìn)行分類，可以分為有源和無(wú)源。制約RFID技術(shù)推廣的一種重要因素是成本，故智能超市中RFID系統(tǒng)選用無(wú)源標(biāo)簽。(2)按照工作頻率分為低頻系統(tǒng)、中頻系統(tǒng)和高頻系統(tǒng)。低頻系統(tǒng)主要有125kHz和134．2kHz兩種，中頻射頻卡頻率為l3．56MHz，高頻射頻卡頻率主要有433MHz、915MHz、2．45GHz、5．8GHz等。智能超市對(duì)射頻識(shí)別的讀寫(xiě)距離和讀寫(xiě)速度都有嚴(yán)格的要求，所以本設(shè)計(jì)方案采用高頻射頻系統(tǒng)。(3)按調(diào)制方式的不同可分為主動(dòng)式和被動(dòng)式。由于智能超市使用的是無(wú)源標(biāo)簽，其反射調(diào)制散射可以確保讀寫(xiě)器只激活識(shí)別范圍內(nèi)的射頻卡。因此在智能超市中選用被動(dòng)式最合適。
3.2 RFID工作原理
最基本的射頻識(shí)別系統(tǒng)由兩部分組成：一是電子標(biāo)簽，用于存儲(chǔ)信息，為被識(shí)別對(duì)象；二是瀆寫(xiě)器，用于讀取電子標(biāo)簽信息。電子標(biāo)簽與讀寫(xiě)器之問(wèn)通過(guò)禍合實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)的空間耦合；在耦合通道內(nèi)，根據(jù)時(shí)序關(guān)系，實(shí)現(xiàn)能量的傳遞和數(shù)據(jù)的交換。
在典型的磁場(chǎng)中，如915MHz的射頻系統(tǒng)中，讀寫(xiě)器和標(biāo)簽之間的作用可視同雷達(dá)原理模型，電子標(biāo)簽在接收到讀寫(xiě)器發(fā)出的高頻信號(hào)后，經(jīng)過(guò)射頻檢波、倍壓、穩(wěn)壓、存儲(chǔ)電路處理，轉(zhuǎn)化為電子標(biāo)簽工作所需要的工作電壓。在發(fā)送電子標(biāo)簽所載數(shù)據(jù)時(shí)，通過(guò)一個(gè)混頻器(邏輯門)將數(shù)據(jù)信號(hào)與中頻信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，并用調(diào)制結(jié)果控制天線的“阻抗開(kāi)關(guān)”改變天線的發(fā)射系數(shù)，使得讀寫(xiě)器接收到的能量呈現(xiàn)出不同的幅度，從而完成調(diào)制和傳輸過(guò)程。
4 RFID在智能超市中的應(yīng)用問(wèn)題
目前，國(guó)內(nèi)外有大量人員在進(jìn)行RFID相關(guān)研究，取得許多成果，并且成功將RFID技術(shù)應(yīng)用到日常生活生產(chǎn)中去。但無(wú)論是國(guó)外還是國(guó)內(nèi)，還沒(méi)有一家公司將RFID技術(shù)應(yīng)用到超市管理中去，僅有法國(guó)沃爾瑪在個(gè)別超市在做試點(diǎn)運(yùn)行。沃爾瑪公司近期還沒(méi)有打算將這種基于RFID的智能超市推廣開(kāi)來(lái)，不僅是電子標(biāo)簽成本太高的原因，最主要原因是在超市這種特殊環(huán)境中，RFID還存在許多技術(shù)上的缺陷，許多關(guān)鍵問(wèn)題亟待解決。
4.1．讀寫(xiě)器的硬件電路設(shè)計(jì)
讀寫(xiě)器是射頻識(shí)別系統(tǒng)不可缺少的設(shè)備裝置，是系統(tǒng)與諸多流動(dòng)的電子標(biāo)簽進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的工具，是系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其技術(shù)參數(shù)指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)的整體性能和可靠性有著決定性影響。硬件設(shè)計(jì)是決定讀寫(xiě)器性能的關(guān)鍵，其目標(biāo)是要達(dá)到閱讀距離遠(yuǎn)、識(shí)別速率快、識(shí)別率100％的要求。經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，能夠采取一些措施提高閱讀器的性能。針對(duì)超市應(yīng)用特點(diǎn)，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)無(wú)源后向散射式RFID讀寫(xiě)器。從構(gòu)成上，它可以分作兩個(gè)部分，即射頻前端和數(shù)字基帶 。圖2為讀寫(xiě)器結(jié)構(gòu)框圖，射頻前端部分包括了發(fā)射電路、接收電路、環(huán)行器和天線；數(shù)字基帶包括DSP和FPGA芯片。其中，發(fā)射電路可以細(xì)分為載波電路、調(diào)制電路、放大電路，其工作過(guò)程如下：(1)載波電路通過(guò)鎖相環(huán)控制壓控振蕩器，產(chǎn)生載波頻率(860～960MHz)，送至調(diào)制電路；(2)調(diào)制電路中混頻器將載波信號(hào)和讀寫(xiě)器的基帶信號(hào)混合成調(diào)制信號(hào)，經(jīng)過(guò)低噪聲放大器和濾波后，送至放大器；(3)讀寫(xiě)器根據(jù)需要通過(guò)衰減器調(diào)節(jié)發(fā)射信號(hào)的增益，發(fā)射信號(hào)經(jīng)過(guò)RF功率放大器后經(jīng)環(huán)形器送至讀寫(xiě)器天線發(fā)出。
4.2．?dāng)?shù)據(jù)傳輸與完整性研究
如何提高對(duì)電子標(biāo)簽的識(shí)別速率，也是本課題的研究重點(diǎn)之一。
對(duì)于智能超市，商品眾多，如果單個(gè)商品電子標(biāo)簽識(shí)別上需要花費(fèi)大量時(shí)間，那么仍然無(wú)法避免超市出口排長(zhǎng)隊(duì)的現(xiàn)象。提高標(biāo)簽識(shí)別速率的關(guān)鍵問(wèn)題是提高系統(tǒng)的編解碼和數(shù)據(jù)校驗(yàn)速率。RFID系統(tǒng)采用無(wú)接觸的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，因此在傳輸過(guò)程中很容易受到干擾，包括系統(tǒng)內(nèi)部的熱噪聲和系統(tǒng)外部的各種電磁干擾，這些都會(huì)使傳輸?shù)男盘?hào)發(fā)生畸變，從而導(dǎo)致傳輸錯(cuò)誤。為了提高數(shù)字傳輸系統(tǒng)的可靠性，降低信息傳輸?shù)牟铄e(cuò)率，采用CRC一16對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)接收的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤時(shí)，讓數(shù)據(jù)進(jìn)行重新發(fā)送。并且，在讀寫(xiě)器設(shè)計(jì)時(shí)，采用一些抗干擾措施，提高系統(tǒng)抗干擾能力。
4.3．防碰撞算法研究
防碰撞算法研究是智能超市RFID系統(tǒng)研究的最關(guān)鍵問(wèn)題，也是難點(diǎn)，是制約RFID系統(tǒng)在超市應(yīng)用的重要因素。顧客從超市采購(gòu)的商品，一般數(shù)量較多，要在盡可能短的時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確、完全的識(shí)別出這些商品，這是防碰撞算法需要解決的問(wèn)題。當(dāng)顧客推著購(gòu)物車進(jìn)入讀寫(xiě)器識(shí)別范圍內(nèi)，所有電子標(biāo)簽同時(shí)產(chǎn)生響應(yīng)，發(fā)生標(biāo)簽的碰撞，需要一種算法能夠從這堆商品中逐個(gè)識(shí)別出這些標(biāo)簽。所以，RFID系統(tǒng)會(huì)采用一定的策略或算法來(lái)避免沖突現(xiàn)象的發(fā)生，控制標(biāo)簽的響應(yīng)信息逐個(gè)通過(guò)射頻信道被閱讀器接收。防碰撞問(wèn)題的研究主要解決兩個(gè)問(wèn)題：一是如何避免或減少閱讀器與標(biāo)簽之問(wèn)的沖突問(wèn)題。二是避免或減少閱讀器之間的干擾碰撞問(wèn)題 。為降低超市成本，提高超市利潤(rùn)，在智能超市系統(tǒng)中采用無(wú)源標(biāo)簽。根據(jù)EIC／ISO 18000-6，只能采用TYPEB型標(biāo)簽，故防碰撞算法也只能采用二進(jìn)制算法，二進(jìn)制搜索算法是最常用的RFID系統(tǒng)防沖突算法，其算法非常靈活，不會(huì)發(fā)生防沖突失敗的情況。對(duì)于N個(gè)標(biāo)簽發(fā)生沖突的情況，只需要一定次數(shù)的防碰撞循環(huán)就能將適合的標(biāo)簽準(zhǔn)確的識(shí)別出來(lái)。這種算法的基本思想就是讀寫(xiě)器判斷出標(biāo)簽的序列號(hào)發(fā)送時(shí)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)沖突位置，然后強(qiáng)制地命令那些在沖突位置發(fā)送信息為“0”或者為“1”的標(biāo)簽退出沖突。當(dāng)N-1個(gè)應(yīng)答器退出沖突后信道就會(huì)被剩下的一個(gè)標(biāo)簽完全占有并被讀寫(xiě)器識(shí)別出來(lái)。
5 結(jié)語(yǔ)
由于射頻識(shí)別具有速度快、距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，可以將射頻識(shí)別技術(shù)成功的應(yīng)用到超市管理，提高超市管理水平、降低超市運(yùn)營(yíng)成本。經(jīng)過(guò)調(diào)研，選擇915MHz頻段作為讀寫(xiě)器工作主頻，能夠遠(yuǎn)距離快速識(shí)別。在超市倉(cāng)庫(kù)人口安裝進(jìn)貨系統(tǒng)、超市出口安裝支付系統(tǒng)，通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與管理系統(tǒng)相連，這樣就構(gòu)成完整的超市管理系統(tǒng)。