RFID在智能超市中的应用问题分析

1 引言

　　射频识别技术应用于超级市场，能迅速查询、调用各商品的信息，能对商品的信息实时改写和对商品进行远距离的群识别，达到宏观管理、实现信息共享、提高工作效率的目的；而且能加快顾客支付速度，提高顾客的满意度和忠诚度，降低超市的风险度。本文主要探讨将RFID技术应用在智能超市中的相关问题。

2 智能超市工作原理

　　智能超市是融合射频识别技术、计算机通信网络、数据库管理技术于一体的现代化超市，具有运转效率高、风险成本低、管理科学先进、服务品质优良等优点。智能超市最大特点是采用射频识别技术，不需人工对每件商品条码进行扫描，这样可以节约大量的人力和物力，提高效率 ，避免超市出口排长长的队伍。由于射频信号能够穿透衣服等障碍物，这样还可以防止超市商品被盗。超市的每件商品都贴上电子标签，标签内存储的信息包括商品的编码、价格等。当标签进入读写器的识别范围内，标签马上就能被激活，商品所有的信息都能被读写器获取，然后显示给顾客和工作人员。读写器内部采用防碰撞算法，能同时识别多个标签，并且无遗漏。基于RFID的智能超市不但安全，而且快捷，具有很大的市场前景。

　　对于大型的智能超市，是由多个下属分店、连锁总部、配送中心等机构组成。超市的总部、分店、配送中心往往处于一个城市不同的地理位置，它们各自的局域网服务器需通过Internet方式实现远程连接。智能超市信息管理系统采用分布式数据库结构：即一级数据服务器设在总部，二级数据服务器设在各分店。所有服务器在整体上构成一个分布式数据库系统。

　　智能超市分店结构图如图1所示，每个分店由支付系统、进货系统、无线手持终端、管理系统组成，四个系统由计算机网络连接起来。支付系统、进货系统、无线手持终端的核心设备同为RFID读写器，区别在于支付系统是从数据库中删除商品记录，进货系统是向数据库中添加商品记录，而无线手持终端供顾客和工作人员使用。

3 射频识别相关技术

　　3．1 RFID技术基础及组成

　　由于射频识别技术综合了射频技术、信息技术、控制技术等多学科的技术，故其表现出多种不同的特征和特性。按照不同的分类标准，可以把市场上的RFID系统按照系统的功能、特性等分类。(1)按照能量供应方式进行分类，可以分为有源和无源。制约RFID技术推广的一种重要因素是成本，故智能超市中RFID系统选用无源标签。(2)按照工作频率分为低频系统、中频系统和高频系统。低频系统主要有125kHz和134．2kHz两种，中频射频卡频率为l3．56MHz，高频射频卡频率主要有433MHz、915MHz、2．45GHz、5．8GHz等。智能超市对射频识别的读写距离和读写速度都有严格的要求，所以本设计方案采用高频射频系统。(3)按调制方式的不同可分为主动式和被动式。由于智能超市使用的是无源标签，其反射调制散射可以确保读写器只激活识别范围内的射频卡。因此在智能超市中选用被动式最合适。

　　3.2 RFID工作原理

　　最基本的射频识别系统由两部分组成：一是电子标签，用于存储信息，为被识别对象；二是渎写器，用于读取电子标签信息。电子标签与读写器之问通过祸合实现射频信号的空间耦合；在耦合通道内，根据时序关系，实现能量的传递和数据的交换。 

　　在典型的磁场中，如915MHz的射频系统中，读写器和标签之间的作用可视同雷达原理模型，电子标签在接收到读写器发出的高频信号后，经过射频检波、倍压、稳压、存储电路处理，转化为电子标签工作所需要的工作电压。在发送电子标签所载数据时，通过一个混频器(逻辑门)将数据信号与中频信号进行调制，并用调制结果控制天线的“阻抗开关”改变天线的发射系数，使得读写器接收到的能量呈现出不同的幅度，从而完成调制和传输过程。

4 RFID在智能超市中的应用问题

　　目前，国内外有大量人员在进行RFID相关研究，取得许多成果，并且成功将RFID技术应用到日常生活生产中去。但无论是国外还是国内，还没有一家公司将RFID技术应用到超市管理中去，仅有法国沃尔玛在个别超市在做试点运行。沃尔玛公司近期还没有打算将这种基于RFID的智能超市推广开来，不仅是电子标签成本太高的原因，最主要原因是在超市这种特殊环境中，RFID还存在许多技术上的缺陷，许多关键问题亟待解决。

　　4.1．读写器的硬件电路设计

　　读写器是射频识别系统不可缺少的设备装置，是系统与诸多流动的电子标签进行数据交换的工具，是系统运行的关键环节，其技术参数指标对系统的整体性能和可靠性有着决定性影响。硬件设计是决定读写器性能的关键，其目标是要达到阅读距离远、识别速率快、识别率100％的要求。经过研究发现，能够采取一些措施提高阅读器的性能。针对超市应用特点，我们设计了一个无源后向散射式RFID读写器。从构成上，它可以分作两个部分，即射频前端和数字基带 。图2为读写器结构框图，射频前端部分包括了发射电路、接收电路、环行器和天线；数字基带包括DSP和FPGA芯片。其中，发射电路可以细分为载波电路、调制电路、放大电路，其工作过程如下：(1)载波电路通过锁相环控制压控振荡器，产生载波频率(860～960MHz)，送至调制电路；(2)调制电路中混频器将载波信号和读写器的基带信号混合成调制信号，经过低噪声放大器和滤波后，送至放大器；(3)读写器根据需要通过衰减器调节发射信号的增益，发射信号经过RF功率放大器后经环形器送至读写器天线发出。

　　4.2．数据传输与完整性研究如何提高对电子标签的识别速率，也是本课题的研究重点之一。

　　对于智能超市，商品众多，如果单个商品电子标签识别上需要

　　花费大量时间，那么仍然无法避免超市出口排长队的现象。提高标签识别速率的关键问题是提高系统的编解码和数据校验速率。RFID系统采用无接触的方式进行数据传输，因此在传输过程中很容易受到干扰，包括系统内部的热噪声和系统外部的各种电磁干扰，这些都会使传输的信号发生畸变，从而导致传输错误。为了提高数字传输系统的可靠性，降低信息传输的差错率，采用CRC一16对传输的数据进行校验。当发现接收的数据错误时，让数据进行重新发送。并且，在读写器设计时，采用一些抗干扰措施，提高系统抗干扰能力。

　　4.3．防碰撞算法研究

　　防碰撞算法研究是智能超市RFID系统研究的最关键问题，也是难点，是制约RFID系统在超市应用的重要因素。顾客从超市采购的商品，一般数量较多，要在尽可能短的时间内准确、完全的识别出这些商品，这是防碰撞算法需要解决的问题。当顾客推着购物车进入读写器识别范围内，所有电子标签同时产生响应，发生标签的碰撞，需要一种算法能够从这堆商品中逐个识别出这些标签。所以，RFID系统会采用一定的策略或算法来避免冲突现象的发生，控制标签的响应信息逐个通过射频信道被阅读器接收。防碰撞问题的研究主要解决两个问题：一是如何避免或减少阅读器与标签之问的冲突问题。二是避免或减少阅读器之间的干扰碰撞问题 。为降低超市成本，提高超市利润，在智能超市系统中采用无源标签。根据EIC／ISO 18000-6，只能采用TYPE B型标签，故防碰撞算法也只能采用二进制算法，二进制搜索算法是最常用的RFID系统防冲突算法，其算法非常灵活，不会发生防冲突失败的情况。对于N个标签发生冲突的情况，只需要一定次数的防碰撞循环就能将适合的标签准确的识别出来。这种算法的基本思想就是读写器判断出标签的序列号发送时产生的数据冲突位置，然后强制地命令那些在冲突位置发送信息为“0”或者为“1”的标签退出冲突。当N-1个应答器退出冲突后信道就会被剩下的一个标签完全占有并被读写器识别出来。

5 结语

　　由于射频识别具有速度快、距离远等优点，可以将射频识别技术成功的应用到超市管理，提高超市管理水平、降低超市运营成本。经过调研，选择915MHz频段作为读写器工作主频，能够远距离快速识别。在超市仓库人口安装进货系统、超市出口安装支付系统，通过计算机网络与管理系统相连，这样就构成完整的超市管理系统。