基于RFID的餐盘自动结算系统

吴祯　韩剑辉

摘  要：如今全国各大企业与各大高校的食堂都出现就餐高峰时结算餐费缓慢和人工结算失误等问题，因而设计出一套快速且准确的餐费自动结算系统是极为重要的。文章基于RFID无线射频识别技术设计了一套智能的餐盘自动结算系统，采用了ARM-Stm32作为系统主控板、RFID作为识别技术、TFT-LCD作为显示模块等，选用二进制树算法作为RFID无线射频技术防碰撞的主要算法，最终系统通过射频识别餐盘的数量与类型计算出就餐的费用，从而实现餐费的无人自动结算等功能。用户可在开发板上查看就餐餐费、一卡通个人信息及余额情况，最后用户只需刷一卡通完成支付。

关键词：RFID;防碰撞算法;自动结算

中图分类号：TP391 文献标志码：A        文章编号：2095-2945（2019）31-0037-02

Abstract： Nowadays， the canteens of major enterprises and colleges and universities across the country have some problems， such as slow settlement of meal expenses and manual settlement errors， so it is very important to design a set of fast and accurate automatic meal settlement system. In this paper， a set of intelligent dinner plate automatic settlement system is designed based on RFID radio frequency identification technology. ARM-Stm32 is used as the main control board， RFID as the identification technology， TFT-LCD as the display module and so on. Binary tree algorithm is selected as the main anti-collision algorithm of RFID wireless radio frequency technology. Finally， the system calculates the cost of dining through the number and type of radio frequency identification plates， so as to realize the unmanned automatic settlement of meals. Users can view the dining expenses， one-card personal information and balance on the development board， and finally the user only needs to swipe one card to complete the payment.

Keywords： RFID; anti-collision algorithm; automatic settlement

1 概述

近年來，随着科学技术的发展日益加快，人们对自动设备识别技术（Automatic Equipment Identif ication，简称AEI）的研究也越来越深入，这使得这项技术迅速走进了生活中的各个领域。射频识别技术（Radio Frequency Identification，简称RFID）是自动设备识别技术的一种，它是一种非接触自动识别技术，利用射频信号通过空间耦合或雷达反射的传输特性，实现无接触信息传递，并通过所传递的信息达到最终的识别目的。目前，射频识别技术在国内也是广泛的被应用，例如，物流管理、门禁识别、畜牧业和交通管理等方面，被认为是21世纪最具发展潜力的信息技术之一。由于当前社会各种企业和学校内的食堂传统的人工结算餐费方式跟不上社会的快节奏与生活方式的便捷性，而且容易出现人工计费失误的情况，所以本文研究出了新型的餐盘自动结算系统——基于RFID的餐盘自动结算系统。

2 自动结算系统功能描述

系统需要不同颜色和规格的塑制餐盘，餐盘内封装了序列号不同的无源电子标签，当用户在餐厅挑选完餐品后并放置在托盘后，将托盘放置在射频模块上，射频模块会迅速的识别托盘内的所有餐盘上电子标签的数量及种类，并发送给主控板，主控板通过整合计算餐费并通过LCD显示模块给用户确认，用户确认无误后，用一卡通接触支付模块，支付模板将读取到的个人信息传输给主控板，主控板再传输给LCD显示模块显示出个人信息与余额情况，最终完成扣费。

整个计费到支付的过程只需短短的2-3秒钟，相对于传统的人工计费，更加的快速与便捷，避免了人工计费的误差，大大的缩短了排队支付的时间，提高了效率。

3 系统的总体设计

RFID作为目前一种发展迅速且应用广泛的技术，系统主要研究它的射频系统的分类、射频信号的频率、射频信号耦合的类型和防碰撞算法的选用。

餐盘自动结算系统主控板是基于ARM公司的Stm32开发板的，结构图如图1所示。开发板上连接有TFT-LCD显示模块、识别餐盘的射频模块、支付模块以及电源模块。TFT-LCD的显示屏上主要显示射频模块上放置餐盘的种类和数量、支付模块识别到一卡通的个人信息余额及本次就餐的餐费。

3.1 射频系统的选用

系统中的读写器与电子标签的作用距离是系统应用与研究的一个重要指标，根据系统作用的距离和远近，系统的天线、读写器和餐盘的电子标签之间的耦合可分为密耦合系统、遥耦合系统和远距离系统三類。根据射频系统的属性，采用遥耦合系统中的近耦合系统，这样作用距离适中，不易受到干扰且成本低。

3.2 射频信号频率的选用

射频信号的频率是RFID系统的一个非常重要的指标，它决定了RFID系统采用的工作原理、作用距离、系统成本等。射频信号的频率分为低频、高频和超高频。

低频：工作频率125kHz-134kHz，波长大约为2500m，除了金属材料影响外，一般低频能够穿过任意材料的物品而不降低它的读取距离，该频段数据传输速率比较慢，感应器价格也较贵。

高频：工作频率为13.56MHz，波长大约22m，除了金属材料外，该频率的波长可穿透绝大多数的材料，但是会降低读取距离且感应器需要离开金属一段距离，感应器一般以电子标签形式。该频段的系统具有防碰撞的特性，可以同时读取多个电子标签，传输速率要快。

超高频：工作频率860MHz-960MHz，作用距离远，超高频段的电波穿透率差，相对于高频电子标签来说，该频段的电子不标签不需要和金属分开来且有很好的读取距离，但是对于读取的区域却很难定义。该频段还有很高的数据传输速率。

综上不同频段的特性表述，系统采用高频的电子标签，读取环境符合系统要求。系统的电子标签需嵌入塑料餐盘内，会接触水、灰尘等超高频电子标签无法穿透的悬浮颗粒物质;而对于低频电子标签，倘若大批量产，成本较高，且感应器价格想相对于高频要高，不适用于食堂、企业等就餐人数较多的环境。

3.3 防碰撞实现的技术选用

RFID系统主要存在着电子标签之间的冲突，当阅读器发出查询命令后，餐盘内多个标签同时响应，这些响应信息在共享的无线信道上发生碰撞，使响应信号难以被阅读器辨认，从而引起多标签碰撞。RFID防碰撞从技术角度看，多标签防碰撞的技术有四种空分多路（SDMA）：空分多路是一种信道增容的方式，可实现频率的重复使用，充分利用频率资源，利用空间分割构成不同信道。在设备上设有多根不同信道的天线，它们不会形成干扰，缺点是天线系统复杂，会大幅提高成本。

时分多路（TDMA）：时分多路是把整个可供使用的信道容量按时间分配给多个用户的技术。实现的主要是，在所有标签中，在某个时间内只建立唯一的阅读器和标签的通信关系，根据时间的不同，与不同的标签建立通信，互不干扰，这样可以有效的解决标签的碰撞问题。

码分多路（CDMA）：码分多路是依靠不同用户传输信息所用的信号，靠各自不同的编码序列来区分，换另一说法就是靠信号的不同波形来区分。缺点是CDMA的频带利用率较低，信道容量较小，从而造成地址码选择困难。

频分多路（FDMA）：频分多路主要是把若干个使用不同载波频率的传输通路同时供给用户使用，传输过程中，不同频率的各路信号不会互相干扰，已达到不同频率的设备建立联系的要求。缺点是如果要建立各个不同频率的接收通路，必须得有自己单独的接收器。

综上所述，系统主要采用时分多路（TDMA）的方法实现阅读器与多个不同的电子标签建立通信，以识别系统上餐盘的数量与餐盘的种类，最后汇总出价格。

3.4 防碰撞算法的选用

目前在各种RFID防碰撞算法中，主要是Aloha算法和二进制树算法两种，这两种算法都是基于时分多路方法实现的。

Aloha算法：Aloha算法主要实现的思路是当多个标签同时进入到读写器范围内的时候，电子标签不断地向读写器发送自己的ID，在发送数据时如果出现了其他标签也在向读写器发送ID，那么就会产生信号的冲突，读写器就无法正确的识别到标签的ID。然后，读写器在检测到信号发生冲突时，将会发送一个停止发送信号的命令让全部标签停止当前的发送，并且随机地等待不同的时间后再发送自己的信息。

二进制树算法：在RFID防碰撞算法中，二进制树算法是目前应用最为广泛的一种。算法在执行的过程中，读写器将多次向射频区域内的标签发送命令，每次命令都会把标签分为两组，经过多次分组后，会产生唯一的一个标签，在这个过程中，系统将对应的命令参数以节点的形式存储起来，最终得到一个数据的分叉树。而所有的这些数据节点是以二进制的形式出现，所以称为“二进制树算法”。

Aloha算法的随机性太大，时间冗余度不确定。二进制树算法执行的效率跟标签的数量有关，但餐盘结算标签数量不是很多，采用二进制树算法作为RFID防碰撞算法，识别射频区域内的餐盘数量及种类，可以满足系统要求。

4 结束语

本文设计基于RFID的餐盘自动结算系统，通过实际验证，餐盘信息读取正确，实现了自动结算功能，系统成本低，运行稳定，如果配合人脸识别，可实现无卡结算功能，在多个场所使用。

参考文献：

[1]唐志凌.射频识别（RFID）应用技术[M].机械工业出版社，2014.

[2]许毅，陈建军.RFID原理与应用[M].清华大学出版社，2013.

[3]方龙雄.RFID技术与应用[M].机械工业出版社，2012.