移动RFID技术的智能超市是怎样实现的

引言

我国的第二代身份证项目应用了RFID，随后，2008 年北京奥运会的每一张门票内置有一枚RFID电子芯片，有效识别持票人信息，不管是门禁还是手机移动支付，RFID 已经与我们的生活息息相关。尽管如此，大部分的RFID也只是在闭环的产业链中应用，随着智能卡应用的不断拓展，RFID 开始走向开放式应用。国外移动运营商开始整合手机与RFID应用，让手机在支付、娱乐、识别、证件等多个领域“一机通”。

RFID 有一个巨大的优势，个性化越强的应用，就越需要RFID 技术，手机这种个性化的物品就势必与RFID密不可分，成为我们生活中不可少的一部分。嵌入了RFID芯片的手机拥有了更多普通人想象不到的功能，它可以作为我们的工作证、电视遥控器、门钥匙，甚至是信用卡等等。如今，RFID手机在日本已经得到了广泛的应用发展，凡是新上市的手机均嵌有RFID芯片，除了上述的电子票证和支付用途等外，还开发出了一些个性化的服务，诸如乘客可以通过手机及时获取列车停靠站及路线信息。在移动RFID技术的发展方面，韩国最为突出，韩国政府为了手机应用RFID 技术，对手机分配了900MHz 附近的频段，政府和企业携手共同推动RFID产业的发展。我国虽然对移动RFID的期望很高，但是由于标准、成本和应用缺乏等制约因素，目前仍处于“含而不露”的状态，没有大规模的普及移动RFID市场。对于移动RFID这个杀手级的应用，国家标准委联合科技部、工信部等14 个部委形成了《中国RFID发展技术白皮书》。芯片设计和技术测试方面也已经组织好了相关企业和机构，为行业应用提供示范。

1 应用设计的意义与研究现状

1.1 设计的意义

目前，食品安全是人们最为关心的大问题，食品安全信息一片空白，致力于提高食品供应商的道德感固然重要，但是，提供给消费者一个完全透明可信的渠道全方位了解食品更加现实可行。在现在的超市中，消费者不能在第一时间了解自己购买的商品来源，购买时不明白所含添加剂究竟对人体有害还是无害，甚至不小心买回快过期的食品，回家食用之后也没察觉。在越来越智能化生活的今天，消费者对于食品在整个供应链中的信息，即从种植来源、生产加工、包装运输、销售各个环节的信息，要求透明并且有渠道可获取。提供人性化地无忧购物环境，对于超市和商店来说是不可推卸的义务，况且，一个智能轻松的购物环境也会大大提高超市和商店的利润和声望。

因此，本文提出一个人性化的基于移动RFID的智能超市设计，不仅能让消费者在购物时能轻松地明白所购物品“从农田到餐桌”食品链中的所有方面，还能让不懂得料理知识的顾客懂得“红烧猪蹄”的具体做法和食材的挑选方法。

1.2 研究现状

RFID 技术在二战时期就应用于美国军方了，到现在也依然只是在仓储、运输、身份识别、门禁等领域中大放异彩[3]。其实，早在2003年麦德龙公司就在德国开了世界第一家“未来商店”，商店里的每一台购物车上都装有一个微型电脑PSA，可以实时计算出购物车中的商品数量和总价，能够提供商品查询等。但是，关于“未来商店”的构想并没有得到推广，很多感兴趣的大企业都裹足不前。但是到了今天，电子标签的价格下降，移动RFID技术的成熟，尤其是智能手机终端的普及，并且移动运营商也推广了手机支付业务……这些都在昭示着，真正的智能超市时代即将来临。

在我国，尽管IBM公司也将“未来商店”带到了上海的复旦大学，但是也仅仅是一座示范性的概念商店，无法在全国超市中应用。如果要求超市中每一台购物车上都配备一个微型信息终端，是不可行的，投入太大，并且设备的维护丢失也将是一笔不菲的开支。然而，时下拥有智能手机的人越来越多，由于计算机的普及，中老年中能够简单操作PDA等信息终端的也大有人在。只需要在智能手机给有智能移动终端的消费者提供接入超市局域网查询物品信息的功能，在超市货架的两侧安放一定数量的信息终端提供给没有智能移动终端的消费者食品安全问题得到了“两会”的极度重视并成立了食品安全委员会，要求在食品供应链上的所有生产经营单位和个人完善食品安全信息，及时告知消费者，由政府担任第三方物品信息数据库的时机已然成熟。在此之前，国内还没有相关的研究报道，所以，本论文的研究具有创新性和前瞻性。基于移动RFID的智能超市设计是关乎民生的基础建设，需要政府的大力支持和社会各个生产部门、企业个人的通力配合。当然，一下子在全国范围内实施并不现实，可以在经济发达地区的超市，如上海的沃尔玛超市，进行试点。而且，本次世博会中也成功应用了很多RFID技术项目，因此本设计也具备经济条件和社会效益[4]。

2 智能超市系统设计

2.1 移动RFID系统结构设计

图1 智能超市移动RFID 系统结构

智能超市的移动RFID 系统如图1 所示，该系统包含的基本组件为：

1、电子标签：即射频标签，存储了EPC产品电子代码等信息，独一无二地标识商品，如本文在第二章中介绍的一样，标签包括了四个部分，即编码类型(Header)、企业代码(Manager number)、商品类别(Object class)和产品序列号(Serial number)，见图2。

图2 EPC标签结构

2、移动RFID 阅读器终端：嵌有阅读器芯片的移动终端，可以是智能手机、PDA 还有手持式阅读器等。

3、特殊的信息终端：这种终端是固定式、触摸屏的，超市设置于货架两侧，为没有智能移动终端的顾客提供商品和信息查询等功能。

4、无线局域网：在超市内部设置几个无线接入点，为超市提供传输网络，

5、本地ONS 服务器：是EPC地址翻译的服务器，工作于超市局域网内部，对超市货物的EPC编码进行解析，将URL地址发送给本地数据库查询商品的基本属性。

6、本地数据库服务器：是超市内部局域网中的服务器，提供商品的基本属性，如价格、保质期、折扣信息等，并且可以将商品的URL 地址发送到外网(EPC网络)查询商品的供应链信息，然后返回商品的综合信息给用户。

7、网关：连接超市内部局域网与外部Internet 网络，过滤信息和保护内部网的安全。

8、EPC-IS：EPC的信息服务器，提供商品在供应链中的所有信息，位于EPC网络，需要整个社会的各个生产部门共同维护商品的EPC 信息。

2.2 设计说明

在本设计中，我们以上海市的沃尔玛超市为试点，基于Wap 技术建立沃尔玛超市的用户网站，提供用户查询商品的接口。WAP(Wireless Application Protocol，无线应用通讯协议)，定义可通用的平台，将HTML语言转换为WML(Wireless Makeup Language)语言，显示在移动终端的显示屏上，WAP 是新时代的宠儿，可广泛应用于GSM、CDMA、3G等多种网络[5]。微型浏览器文件很小，能较好地解决移动终端内存小和无线网络带宽不宽的限制，并且对CPU 的要求不高。开发基于WAP的界面，一旦用户踏入超市主动连接局域网，首页登录后即可显示查询历史记录、积分记录、查询商品的模块。

在上海的每一家沃尔玛超市中建立无线局域网WLAN，放置无线接入点覆盖整个超市。让超市为每一个商品贴上电子标签，并且在货架上摆放商品的LC电子屏幕显示价格。粘贴在商品上的标签的频率范围为HF频段13.56MHz，该频段允许商品标签与阅读器的最大距离不超过1.5m[48]。电子货架标签可靠，不存在价格差异和标签错误，快捷地更新价格。电子货架标签系统安装四种不同尺寸的简单易读的数字LC显示屏，使用高能电池供电，至少持续五年，装有小型的无线接收装置和微型天线。当价格变动时，计算机无线通信系统自动同时更新电子货架标签、本地数据库服务器和收银终端，保证上架的价格信息连续并且是最新的。电子货架标签使用通信基站以独立的无线网络方式进行通信，通信基站安装在超市的天花板上。

出于方便超市管理会员信息的考虑，将会员卡、返券信息等和用户的账户绑定，自动积分和参加优惠活动，这样一是消费者到超市购物时无需携带会员卡和折扣券，二是超市也能很方便的发展会员数量。在本设计中，超市商品的基本属性(价格、折扣等)由超市负责完善存入本地数据库，而商品的其他信息(供应链信息、商家宣传信息等)由政府作为第三方建立EPC信息服务器存放信息并进行授权维护。最后，考虑到商品上的电子标签被顾客不知不觉带回家会泄露一些隐私信息，我们在超市的出口处摆放几台标签去活化设备，让标签失效。

3 系统功能分析

3.1 应用实例流程说明

下面本文结合一个具体的应用场景，对整个智能超市的移动RFID系统进行描述，具体的购物流程如图3 所示。

图3 智能超市购物流程

1、某位顾客是超市的会员，在超市的网站上注册了账户并进行会员身份绑定。某一天当该顾客手持智能手机终端进入超市时，选择了连接超市的局域网，在弹出的首页可以自动登录账号或者手动登录。用户首页显示了当天超市中实时的商品打折特卖信息和新品特卖信息，还有该顾客过去8周内的历史购物记录，系统智能地提出购物建议(目前超市正有的特卖促销，并且这种商品是该顾客经常购买的)，系统告知顾客，并显示了该商品的导购图，指示了对应的货架位置，实时引导路径。顾客查看了自己当前的积分信息和账户绑定的银行卡存款信息。

2、顾客开始自由选择商品，在挑选葡萄酒的时候，用手机扫描了罐头上的电子标签，发出EPC number 信息请求并等待标签的回应。

3、标签接收到询问信息后，向移动阅读器发送标签ID[6]。

4、移动阅读器接收到标签ID 后，通过超市无线局域网发送标签ID 到本地ONS 服务器。

5、本地ONS 服务器解析出该葡萄酒的URL 地址发送给本地数据库服务器。

6、本地数据库服务器根据URL 地址匹配得到该罐头的基本属性信息，将URL 地址通过网关发往EPC-IS 服务器，请求该葡萄酒的供应链信息。

7、EPC-IS 服务器接到请求并进行合法性验证，验证成功后返回该罐头的EPC 信息给超市数据库。

8、本地数据库将葡萄酒的EPC 信息和基本属性信息重新整合为一个信息包返回给顾客的移动手机终端。

9、顾客在手机上查看了葡萄酒的产地、销售公司的信息等。

10、为了做出一顿美味的料理，顾客下载了料理的烹饪方法，在货架旁边的自助信息终端上打印，刷手机自动扣费。

11、选购完所需食材后，顾客到收银机出结算，无需排队等候，把所有商品放在全方位的RFID 阅读器上，系统自动给出商品总数和总价，不会误算。

12、收银员启动结算流程，支付手段可以是传统的收取现金或者用POS 机刷卡收费，还可以是直接刷手机终端，自动扣费。

13、顾客在出口处将购买了的商品放在装有集成RFID阅读器的指定区域，阅读器自动读取标签信息，相应的代码出现在显示屏上，按下某个键，顾客确认让这些标签永久失效，依据标签的不同，上面的代码被删除或者归零。至此，整个购物流程完毕。当然这只是一个简单的例子，智能手机终端上还可以显示以下信息：商品导购信息、商品定位信息、会员信息、历史购物记录信息、各种食品配料进行烹饪的方法以及各种酒类信息等。消费者可以一边查看信息一边轻松购物。甚至，消费者也可以在智能终端上的客户端上事先列出所需购买物品的消费清单，进入超市后调出清单购买即可。

3.2 系统功能

消费者可以获取肉类、酒类、蔬菜水果等不同物品的各类信息，有的信息还相当详尽，比如物品的产地、生产方式等，还有消费者最为关心的食品添加剂信息、价格、代用品以及菜肴的烹饪方法、葡萄酒的调配方法。可以获取所有的商品特征、营养价值、零售价格、最新的家居提示和技巧、饮食建议。甚至能提供蛋的来源、品质和保存时间，鸡等家禽从饲养、成长到上架的详细供应链信息。在特定的信息终端，还能自助打印料理方法和原料配方的清单功能。在音像制品专区，由于传统的销售方式只能向消费者提供商品的外形和少数试听服务，现在，可以在智能移动终端上面观看或者收听预先设置的一段视频或者音频介绍。

本设计不只是提供了一个人性化的购物环境，它同样也使得超市员工的工作量大大的减少。首先工作人员可以携带嵌有阅读器芯片的PDA在超市内漫游，为没有智能终端的顾客提供商品信息和存货信息，并且在缺货的时候推荐替代品;其次，员工可以在超市的任何角落访问超市的商品管理系统，在任何时间任何地点调出每种商品的库存情况，无需为了防止商品过期而检查每一个货架;再次，员工可以使用PDA或者智能移动终端来发送和接收电子邮件、管理联系细节和日程表。最后，使用嵌有阅读器芯片的PDA或者智能手机，员工在超市货架之间通过时，能得到终端提供的实时商品清单，迅速发现摆放位置不合要求的商品。

不仅如此，一旦本该移动RFID系统部署成功，还能让超市特卖信息便捷、生动地到达消费者的视野，这样做，不再需要大量宣传单，不需要卖场人员吆喝，有利于环保，提高超市营业额的同时，节约了大量的资源，符合我们当今科学发展观的政策。

4 系统分析

任何一个系统设计都不可能完美无缺的，肯定有需要改进的地方，下面就一些大家关注的问题进行分析。

1、该系统数据量非常庞大，一旦数据库崩溃或者破坏，后果非常严重。数据流量大是超市的一大特点，比如员工巡查货架时，处于阅读器感应区的商品标签数量很多，那么阅读器发往服务器的查询请求会不会也非常多，导致系统崩溃?本文在第四章讨论过，在阅读器级过滤查询的方法，能很好的解决这一问题。对数据库进行备份和定期维护，这对于系统安全而言必不可少。超市的中央数据库需要超市员工完善信息，维护数据库;EPC-IS数据库则需要社会各个生产部门通力合作，提供商品的完整信息，并且该数据库必须要公信力高的政府部门来维护和授权访问，制定规则，要求所有生产商、销售商还有其他单位个人各尽其责的提供商品各个阶段的信息。

2、这个系统是不是足够安全?会不会泄露消费者的个人信息?标签和阅读器，阅读器和认证服务器之间是不是在安全的无线信道中传输，会不会被人窃听、伪造和篡改信息，这是用户非常关心的问题。在本设计中，WLAN采用IEEE802.11 协议认证机制防止非法AP接入;使用IP 过滤器，防止非法使用资源;WEP加密技术，保证数据的完整性[7]。其实，消费者只是登录了一个会员账户，虽然绑定了会员积分信息等，但是并不会泄露其他的实名信息和银行卡信息。所以说，消费者无需担心安全问题。超市也在出口处提供了标签去活化设备，顾客可以自助去活化标签，隐私问题也得到了保护。

3、大部分人虽然能够操作智能移动终端，但是对RFID的功能不是非常了解，超市可以在网站上介绍本系统，在超市的入口处和出口处设立展板等宣传，在服务台提供移动RFID功能与实现等背景信息的小册子。任何一个新的事物总要渡过一个磨合期，消费者们可能上手会很慢，但是一旦习惯之后会爱上这种购物方式。

4、仅仅在上海建立试点，仅仅盯住沃尔玛这样的巨头超市，可能大家觉得还不是很方便，移动RFID智能超市系统的舞台很大，如果能在全国的大中型超市，甚至是零售商店中推广，会让百姓受益无穷，当然，这并非易事。

5 结论

本文首先分析了国内外移动RFID系统应用的现状，提出了基于移动RFID的智能超市设计，该设计让人们从会员卡和折扣券中解脱出来，只需要携带自己的手机，大家能方便地获取商品的完整信息、食材的搭配方法、居家设计时该注意的问题，结算时无需排长长的队伍，真正的做到人性化购物，轻松的生活。随后，结合一个具有代表性的应用场景对该系统的流程进行描述，最后，给出了应用设计的分析。