基于RFID技术可识别用户的智能称重计价系统设计*

何仁旺,朱晓君,孙 杰,鲁鹰建,秦俊龙

(江西理工大学软件工程学院,江西 南昌 330013)

近年来,人工智能(Artificial Intelligence,AI)在图像分析、语音识别、机器翻译、医疗健康等领域取得了丰硕的成果[1-3].将AI技术应用于称重系统,可以有效解决传统称重方式存在的步骤繁琐、容错率低、人工成本高等问题,实现更高效、更准确的称重过程[4].目前,一种智能称重设备[5]通过图像识别技术识别数据库中已存储的物品,从而获取物品信息,但此过程仍然需要人工参与;另一种智能称重计价果蔬篮[6]采用ZigBee协议进行无线通信,相较于传统称重方式有很大进步,但仍存在明显的问题,即采用ZigBee技术传输数据时没有绑定用户信息,因而无法识别用户,这将导致多人在同一时刻购物时出现严重错误.

目前,常用的无线传输技术有ZigBee、Wi-Fi、蓝牙(Blue Tooth)和射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)等.ZigBee技术虽具有低功耗、低成本、低速率、组网结构多种可变、可靠性高等优点,但其对所传播的数据没有携带任何标签,故无法识别用户;Wi-Fi在传输数据时功耗大且安全性不高;蓝牙的缺点是传输距离近,一般有效传输距离在15 m左右,且通常为点对点传输;RFID技术是一种非接触式的自动识别技术[7-8],它可以通过无线电信号识别目标对象并获取相关数据,非常适用于用户的精准识别.因此,笔者拟采用RFID技术设计一款无需用户和商家操作且可智能识别用户的智能称重系统.

1 系统整体设计

如图1所示,基于RFID技术可识别用户的智能称重计价系统(简称“RFID智能称重计价系统”)由购物篮(RFID标签)、N个商品篮(含RFID读写器、STM32芯片和HX711称重模块)和结算台(含RFID读写器、上位机和打印机)组成.商品篮和结算台中的RFID读写器可读写RFID标签.商品篮由STM32芯片控制,通过HX711称重模块感知商品篮中商品质量的变化,并通过RFID读写器将商品篮编号和质量变化量写入RFID标签.结算台通过RFID读写器读取RFID标签中的商品信息并上传至上位机,上位机查询数据库并结算,打印机输出购物清单.

图1 RFID智能称重计价系统整体设计Fig. 1 Overall Design Block Diagram of RFID Intelligent Weighing System

RFID智能称重计价系统主要分为4个工作阶段:

(1)配置阶段.商家提前在商品篮内放置商品,在商品篮外备注商品名称、单价等信息,并配置合法标签的身份识别号 (Identity Document,ID),然后通过上位机内的软件设置数据库内对应的商品篮编号、商品名称、商品单价和购物篮ID号等信息,完成系统配置.

(2)读卡阶段.用户领取购物篮,购物篮底部内嵌RFID标签.用户将购物篮放置于想要购买的商品的商品篮前方的感应区内,RFID读写器读取到RFID标签的信息后,记录卡号信息和商品篮的初始质量,然后系统驱动舵机打开商品篮盖子,用户开始挑选商品.

(3)写卡阶段.用户挑选完商品,再次将购物篮放置于商品篮前方的感应区内,RFID读写器写入信息至RFID标签并驱动舵机关闭商品篮盖子,该信息包括商品篮编号和质量前后差值.用户可以前往下一个商品篮重复读卡和写卡操作,或前往前台结算.

(4)结算阶段.在前台,用户将购物篮放置于感应区,感应区读取RFID卡号后,上位机查询数据库并导出卡号相关数据,生成小票,用户根据小票付款,并放回购物篮.上位机清除该购物篮在数据库中的相关购物信息,以便下一位用户使用.

2 系统硬件设计

2.1 系统硬件整体设计

RFID智能称重计价系统硬件分为购物篮、商品篮和结算台3个部分.购物篮内嵌RFID标签;商品篮主要包括RFID读写器、STM32F103、舵机和称重模块;结算台包括RFID读写器、上位机和打印机.商品篮电路原理如图2所示.

图2 商品篮电路原理Fig. 2 Schematic Diagram of the Goods Basket Circuit

2.2 RFID标签

RFID标签为非接触式集成电路卡,内嵌于购物篮底部.标签由芯片和耦合电路组成,通过内置天线与RFID读卡器发送和接收射频信号.RFID标签根据是否含有电源,可分为有源标签和无源标签.考虑到无源标签成本低且无需更换电源等,智能称重系统采用无源标签.

2.3 RFID读写器

RFID读写器是RFID系统的核心,可以接收和发送射频信号.读写器通过天线发出一定频率的调制信号,当RFID标签进入射频区域时,标签的内置天线产生耦合电流并为标签提供能量[9].读写器可以读取或写入数据至标签,标签根据读写器发来的信号决定是否响应并发送数据.RFID智能称重计价系统选用的RFID读写器芯片为MF522,将MF522与STM32F103的P1_5,P1_6,P1_7口连接,MF522发送信号至STM32F103或执行STM32F103的命令.

2.4 舵机模块与称重模块

商品篮盖子的开关控制由舵机实现.舵机,也称为伺服电机,是一种能够通过接收脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation,PWM)信号控制输出轴转动到特定位置的装置.通过调整PWM信号的占空比,舵机可以转动到不同的角度并锁定在该位置.综合考虑功耗因素并经过多次实践,最终选用型号MG946R 180°的舵机来控制商品篮盖子的开关.连接方面,将舵机的红色线接到5 V的VCC口,棕色线接地GND,橙色信号线接到STM32F103的P0_1口.通过STM32F103芯片的基本定时器引脚输出的PWM波,就能够实现舵机角度的精准控制.

称重部分由传感器、信号调理电路和数据处理装置3个部分组成.为了满足灵敏度高和小量程的要求[10],RFID智能称重计价系统选择双空剪梁式称重传感器.信号调理电路,系统采用HX711模块.该模块能将输入的电压信号放大128倍,并通过模数转换器(Analog to Digital Converter,ADC)输出采样的24 bit电压信号.数据处理装置,系统采用单片机实现称重数据的读取,具体连接如图2所示(HX711的SDL连接到STM32F103的P0_7口,SCL连接到P0_6口,电源接5 V的VCC口).

2.5 打印机

考虑到热敏式打印机具有结构简单、体积小、功耗低、打印质量高和成本较低等优点,RFID智能称重计价系统采用佳博GP58MBlll热敏打印机作为打印设备,并利用其相对成熟的软硬件配套系统[11].

3 系统软件设计

3.1 商品篮

3.1.1 RFID读写卡 RFID读写ID的流程如图3所示.读写器等待读取RFID标签信息,当读取到ID信息时,如果ID合法且与上一次读取的ID不同,系统就打开盖子(表示用户开始挑选该商品),然后等待读取下一个标签;如果ID合法且与上一次读取的ID相同,系统就将商品篮中质量的变化量与商品标签数据写入RFID标签(此时用户已选好该商品,并再次刷卡),然后关闭商品篮盖子,并等待读取下一个标签.若ID不合法,则直接返回等待下一个标签.

RFID采用EM4100数据格式(图4).EM4100数据格式以64 bit数据为一组,数据的起始9 bit作为引导码,第10～59 bit作为数据位,第60～63 bit作为列校验位,最后1位作为停止位.在数据位中,每5 bit为一组,前4 bit代表数据值,后1 bit作为行校验码.编码方式采用曼彻斯特编码,下降沿为1,上升沿为0.

3.1.2 称重部分 HX711从电阻式应变压力传感器中采集模拟量,并通过ADC输出24 bit 数字量.这24 bit数字量的输出需要通过单片机来固定时序.具体而言,单片机每输出1个下降沿,就从HX711中读取1 bit数据.当连续读取24 bit数据时,单片机就储存这24 bit数据.通过软件将连续3次读取的数据取平均值,以平均值作为一次称重的结果进行处理.

HX711是0～5 kg的压力传感器,其灵敏电压为1 mV,即1 kg质量产生1 mV电压.压力传感器产生的电压太小,故需要将电压信号放大.RFID智能称重计价系统通过HX711的128倍电压增益通道,将压力传感器的输出电压放大128倍.放大后的电压输入至24 bit的ADC中,输出数字信号a.假设商品质量为xkg,即产生xmV电压,则STM32读取的数字信号a=x·128·224/5 000,即x=a/429 497.

图3 RFID读写卡流程Fig. 3 RFID Read-Write Card Flowchart

图4 EM4100数据格式Fig. 4 EM4100 Data Format

3.2 上位机

3.2.1 RFID读卡 用户挑选好商品后,将购物篮提至结算台.购物篮底部的RFID标签接收结算台RFID读写器发送的调制信号,从中获得能量并被激活.结算台的RFID读写器读取购物篮底部标签的信息(包括ID、所有挑选商品的编号和质量),并将其上传至上位机,在上位机上进行商品结算.随后,上位机发送清空指令至RFID读写器,读写器清空标签内的数据.

3.2.2 计价上位机 在Visual Studio 2019开发环境下,采用C#可视化程序设计语言,利用Windows窗体和控件进行计价上位机的设计和开发.上位机通过C#的System.IO.Ports.SerialPort类实现串口连接和数据接收,从串口接收数据(包括ID卡号、商品编号和质量等)并保存.然后,上位机通过System.Data.OleDb类实现Excel数据库的连接,根据串口读取的数据和一系列计算结果,完成数据库的增加、删除、修改和查询操作,从而实现自动称重、计价等功能.

3.2.3 打印机 打印机软件部分采用Dlabel云标签上位机.Dlabel云标签操作简单,用户可以通过Excel数据库将数据导入到Dlabel云标签上位机,对Excel表格进行增加、删除、修改和查询等操作即可.为了确保数据库的安全,用户还可以设置Excel表格密码来保护数据库.Dlabel云标签上位机根据购物篮ID生成购物清单,并通过佳博GP58MBlll热敏打印机打印购物小票.

4 实验部分

RFID智能称重计价系统包含商品篮、购物篮、上位机和热敏式打印机.实际测试中,系统由5个商品篮、1个购物篮和1个结算台组成(图5).在单一场景下测试系统的准确性,在复杂场景下测试系统的鲁棒性.

图5 系统整体实物Fig. 5 Physical Diagram of the Overall System

准确性测试采用砝码模拟商品法,具体分4个阶段:(1)配置阶段.预先在商品篮中放入100 g砝码.(2)读卡阶段.将购物篮放置于商品篮的感应区,盖子自动打开.(3)写卡阶段.取出100 g砝码并重刷购物篮标签.(4)结算阶段.拿起购物篮前往结算台进行结算.结算结果如图6所示,质量测量准确无误.

复杂场景是多位顾客同时购物的场景.多位顾客将各自的购物篮放置于不同商品篮的感应区上,分别挑选不同商品,在完成某种商品的挑选后,进行其他商品的挑选.每位顾客挑选完成后拿着购物篮至前台结算,并打印小票.某购物篮的结算小票如图7所示,购物篮的结算信息准确无误.测试结果表明,系统能够在多位顾客同时选购商品的场景下,通过RFID识别顾客,区分不同顾客挑选的商品,且无差错地完成称重、计价及结算.

图6 准确性测试的结果Fig. 6 Measurement Results

图7 购物小票生成结果Fig. 7 Shopping Receipt Generation Results

5 结语

随着科技的不断发展,称重领域迎来新变革.智能化、高精确度、快处理速度、高可靠性和低成本,都是智能称重系统的开发趋势.RFID智能称重计价系统充分利用传感器和无线射频通信技术,能够识别用户并区分不同用户所购买的商品.单一和复杂场景中的多次测试结果表明,该系统具有高准确性和良好的鲁棒性.

然而,因为重力传感器在某个时间段只能获取1位用户的商品质量,所以RFID智能称重计价系统能够识别同一时刻在不同商品篮购物的多个用户,但无法识别同一时刻在同一商品篮购物的多个用户,仍然无法满足大量用户同时购物的场景要求.这是后续要研究与攻克的难题.