RFID超市收银系统.doc

苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计 目 录1 绪论1 1.1 传统收银方法1 1.2 目前先进的收银方式1 1.3 RFID超市收银系统2 1.3.1 设计的主要思路2 1.3.2 设计存在的问题2 1.3.3 设计的意义2 2 RFID基本知识3 2.1 RFID概念及原理3 2.1.1 概念3 2.1.2 组成4 2.1.3 工作原理4 2.2 RFID分类6 2.3 RFID系统的应用10 3 基于RFID超市收银系统11 3.1 系统设计11 3.2 卡片选型11 3.3 读卡器结构12 3.4 数据传输14 4 仿真实验及结果15 4.1 仿真系统介绍15 4.2 实验步骤16 4.3 实验结果19 4.4 仿真小结19 5 总结与展望20 致谢21 参考文献22 1 绪论1.1 传统收银方法 目前传统的收银方法是：消费者从购物筐或者是购物车内取出商品，放到商品输送台上，然后收银员使用扫描器对商品逐个的扫描，而后把商品装入购物袋内，消费者付现金或者是刷卡，收银员找零，消费者取走商品完成整个交易。收银过程如图1-1所示： 商 品 扫 描 商 品 装 袋 消 费 者 付 款收银员找零完成交易 取 出 商 品 图1-1、传统收银步骤条形码扫描技术是目前大多数超市对商品收费的主要识别方式。它的优点是：收银设备相对简单，节约了超市的支出。虽然由光笔发展到CCD激光以及全角度扫描的技术，但是传统的条形码扫描技术仍然存在它的缺陷性，需要逐个商品扫描，且扫描速度慢，扫描距离短，不易识别，从而大大延长了收款时间。收银时间长不仅是浪费了消费者的时间，也影响了商家的收益，所以现在解决收银排队现象是超市服务的重要任务。1.2 目前先进的收银方式 通过录入商品编号或直接输入商品名称（对于同类多件的商品采用一次录入然后修改数量的方式）自动计算本次交易的总金额。在顾客付款后，自动计算找零，经收银员确认后打印交易清单。如果消费者是本超市会员并持有本人会员卡，则在交易前先扫描会员卡，并对所购物品实行优惠（折扣可以在系统中定义），并将所购物品的总金额累积到该会员的总消费金额中。这种收银方式看起来是快捷方便，但是还需要收银员一个一个的录入商品信息，人工方面只是减少结算的时间，还是需要大量收银员手工操作的。1.3 RFID超市收银系统1.3.1 设计的主要思路 随着技术的不断发展，新的二维码替代了传统的一维码，即射频识别技术（RFID)将成为条形码的演进着。 这样用户只需要通过阅读器将商品信息录入到RFID卡片中，如果带有RFID信息的卡片进入阅读器的天线工作范围内，RFID卡片被激活，阅读器发送读数据信号给RFID卡片，卡片根据接收到的读数据信号将存储单元中指定的数据通过天线发送发送至阅读器，阅读器在将数据发送到收银台的电脑上。整个收银过程几秒就可以完成。1.3.2 设计存在的问题 虽然射频识别是方便快捷的，但是目前最大的障碍就是射频识别标签的成本。目前，美国一个电子标签的价格是几十美分左右，还是无法应用于价值较低的单件商品上。只有电子标签的单价降到几美分，才可能大规模的应用于商品上。但是随着RFID的不断发展和应用，我相信电子标签一定会降低到可以应用于每一件商品。而基于RFID的超市收银系统操作简单，对于操作者要求不高，效率高，一台效率可以是目前收银机的好几倍，从而可以减少超市结账设备的购买总量。电子标签的成本虽高，但是它可以重复使用，更可以在超市管理和人工上节约成本，所以值得启用。1.3.3 设计的意义 读写器可以远距离地动态地一次性识别多个标签，计算机根据所阅读到的信息进行结算业务，大大节省了消费者的时间。每个商品上都贴有电子标签，只需利用手持式RFID读写器依次经过所有货架，读写器就能自动获取所有电子标签的信息，再通过PC进行盘点记录，方便管理员商品上架和下架的管理，与传统的管理员一个个统计后才补货相比节约了很多时间，减少遗漏和差错，当然也变得更加轻松了。消费者购买很多物品时，收银员也许会出现对商品重复扫描条形码或是没有扫描到，RFID则是一次性准确的扫描每一件商品，减少出错率，更是解决了盗窃的问题。2 RFID基本知识2.1 RFID概念及原理2.1.1 概念RFID 是Radio Frequency Identification 缩写，即射频识别，俗称电子标签。RFID 射频识别是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。RFID 技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便。埃森哲实验室首席科学家弗格森认为 RFID 是一种突破性的技术：第一，可以识别单个的非常具体的物体，而不是像条形码那样只能识别一类物体；第二，其采用无线电射频，可以透过外部材料读取数据，而条形码必须靠激光来读取信息；第三，可以同时对多个物体进行识读，而条形码只能一个一个地读。此外，储存的信息量也非常大。图2-1：传统条形二维码标签2.1.2 组成 射频识别（RFID)系统因应用不同其组成也会有所不同，但基本都是由电子标签、读写器和天线这三大部分组成。RFID系统的基本组成如图2-2所示：图2-2：RFID系统组成标签(Tag)： 由耦合元件及芯片组成(有源标签还需要电池和传感器等) ，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象。读卡器(Reader)：也称读写器等，读取(有时还可以写入)标签信息的设备，可设计为手持式或固定式。天线(Antenna)： 在标签和读取器间传递射频信号。如果是有源电子标签，读卡器也可以同时是一个无线网关，能够将有源标签节点收集的数据，通过低功耗网络，传输到物联网和互联网。2.1.3 工作原理RFID 技术的基本工作原理并不复杂：标签进入磁场后，接收解读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息(Passive Tag，无源标签或被动标签)，或者主动发送某一频率的信号(Active Tag，有源标签或主动标签)；解读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。 图2-3：RFID工作原理 以 RFID 卡片读卡器及电子标签之间的通讯及能量感应方式来看大致上可以分成，电感偶合(Inductive Coupling) 及反向散射偶合(Backscatter Coupling)两种，一般低频的RFID 大都采用第一种式，而较高频大多采用第二种方式。 图2-4：电感耦合 图 2-5：电磁反向散射耦合 近距离(LF，HF)： 电感耦合，通过空间高频交变磁场实现耦合，依据的是电磁感应定律。远距离(UHF，microwave)：电磁反向散射耦合：雷达原理模型，发射出去的电磁波，碰到目标后反射，同时携带回目标信息，依据的是电磁波的空间传播规律。 一套完整 RFID系统，由读卡器(Reader)与电子标签(TAG)也就是所谓应答器(Transponder)及应用软件系统三个部份所组成，其工作原理是Reader 发射一特定频率的无线电波能量给Transponder，用以驱动 Transponder 电路将内部的数据送出，此时Reader 便依序接收解读数据，送给应用程序做相应的处理。 图2-6：RFID传输原理2.2 RFID分类 RFID系统的分类方法很多，常用的分类方法有按照频率分类、按照供电方式分类、按照耦合方式分类、按照技术方式分类、按照信息存储方式分类、按照系统档次分类和按照工作方式分类等。RFID系统常用的分类方式如下：1、 按照频率分类 RFID 按应用频率不同分为低频(LF)、高频(HF)、超高频(UHF)、微波(MW)，相对应代表性频率分别为：低频135KHz 以下、高频13.56MHz、超高频860M960MHz、微波2.4G5.8G。RFID 主要频段分类：表2-1：RFID频段分类2、 按照供电方式分类 RFID 按照能源供给方式分为无源RFID 标签(Passive Tag，无源标签或被动标签)，有源RFID(Active Tag，有源标签或主动标签)，以及电池协助的无源RFID 标签。无源RFID标签：价格很低，但是无需要电池，有源RFID 可以提供更远的读写离，但是需要电池供电。有源RFID标签: 由于有电池供电和功能较强的微控制器和无线单片机，所以可以实现更大范围的传感器数据监测和数据采集，也可以通过ZigBee、Wi-Fi、GPRS/3G 等技术实现网状网络，延伸标签的范围，是RFID 技术一个非常重要的发展方向。3、 按照耦合方式分类 读写器与电子标签采用非接触式通信方式，电子标签通过无线电波与读写器进行数据交换，根据耦合方式、工作频率和作用距离的不同，无线信号传输分电感耦合方式和电磁反向散射方式两种。电感耦合方式: 读写器与电子标签之间的射频信号传递位变压器模型，电磁能量通过高频交变磁场实现耦合，该系统依据的是法拉第电磁感应定律。电磁反向散射方式:读写器与电子标签之间的射频信号传递位雷达模型。读写器发射出去的电磁波碰到电子标签后，电磁波被反射，同时携带回电子标签的信息，该系统依据的是电磁波空间辐射原理。4、 按照技术方式分类 按照读写器读取电子标签数据的技术实现方式，射频识别系统可以分为主动广播式、被动倍频式和被动反射调制式3种方式。主动广播式: 是指电子标签主动向外发射信息，读写器相当于只收不发的接收机。在这种方式中，电子标签采用有源工作方式，电子标签用自身的射频能量主动发送数据，这种方式的优点是电能充足、工作可靠性高、信号传送距离远，缺点是标签的使用寿命受到限制、产生电磁污染、保密性差。被动式: 电子标签内部不带电池，要靠外界提供能量才能正常工作。被动式电子标签是指读写器发射查询信号，电子标签被动接收。被动式电子标签具有长久的使用期，常常用于标签信息需要频繁读写的地方，并且支持长时间数据传输和永久性数据存储。被动倍频式是指电子标签返回读写器的频率是读写器发射频率的2倍，读写器发射和接受载波占用2个频点。被动反射调制式: 依旧是读写器发射查询信号，电子标签被动接受，但此时电子标签返回读写器的频率，与读写器发射频率相同。5、 按照保存信息方式分类 电子标签保存信息的方式有只读式和读写式两种，具体分为如下4中形式。只读电子标签： 这是一种最简单的电子标签，电子标签内部职员只读存储器（Random Only Memory,ROM)，在集成电路生产时，电子标签内的信息即以只读内存工艺模式注入，此后信息不能更改。一次写入只读电子标签：内部只有ROM和随机存储器（Random Access Memory,RAM).ROM用于存储发射器操作系统程序和安全性要求较高的数据，它与内部的处理器或逻辑处理单元完成操作控制功能。这种电子标签与只读电子标签相比，可以写入一次数据，标签的表示信息可以在标签制造过程中由制造商写入，也可以由用户自己写入，但是一旦写入，就不能更改了。现场有线可改写式： 这种电子标签比较灵活，用户可以通过访问电子标签的存储器进行读写操作，电子标签一般将需要保存的信息写入其内部存储区，改写时需要采用编程器或写入器，改写过程中必须为电子标签供电。现场无线可改写式： 这种电子标签类似于一个小的发射接收系统，电子标签内保存的信息业位于其内部存储区，电子标签一般为有源类型，通过特定的改写指令用无线方式改写信息。一般情况下，改写电子标签数据所需的时间为秒级，读取电子标签数据所需的时间为毫秒级。6、 按照系统档次分类 按照存储能力、读取速度、读取距离、供电方式和密码功能等的不同，射频识别系统分为低档系统、中档系统和高档系统。低档系统: 一般电子标签存储的数据量较小，电子标签内的信息只能读取，不能更改。中档系统：数据存储量较大，数据可以读取也可以写入，是带有可写数据存储器的射频识别系统。高档系统：一般带有密码功能，电子标签带有微处理器，微处理器可以实现密码的复杂验证，而且密码验证可以在合理的时间内完成。7、 按照工作方式分类 射频识别系统的基本工作方式有3种，分为全双工工作方式、半双工工作方式以及时序工作方式。全双工半双工工作方式： 全双工表示电子标签与读写器之间可以在同一时刻互相传送信息；半双工表示电子标签与读写器之间可以双向传送信息，但在同一时 刻只能向一个方向传送信息。 时序工作方式： 读写器辐射的电磁场段时间周期性的断开，这些间隔被电子标签识别出来，并被用于从电子标签到读写器的数据传输。其实，这是一种典型的雷达工作方式。时序方法的缺点是：在读写器发送间歇时，电子标签的能量供应中断，这就必须通过装入足够大的辅助电容器或辅助电池进行补偿。62.3 RFID系统的应用 现在RFID已经应用于制造、物流和零售等领域，RFID的产品种类十分丰富。展望未来，我相信RFID将掀起一场新的技术革命，随着技术的不断进步，当RFID电子标签的价格降到5美分时，射频识别技术将会取代条形码技术，成为我们日常生活的一部分。目前RFID的应用领域如下：（1） 、制造领域。主要用于生产数据的实时监控、质量追踪和自动化生产等。（2） 、零售领域。主要用于商品的销售数据实时统计、补货和防盗等。（3） 、物流领域。主要用于物流过程中的获取追踪、信息自动采集、仓储应用、 港口应用和邮政快递等。（4） 、医疗领域。主要用于医疗器械管理、病人身份识别和婴儿防盗等。（5） 、身份识别领域。主要用于电子护照、身份证和学生证等各种电子证件。（6） 、军事领域。主要用于弹药管理、枪支管理、物资管理、人员管理和车辆 识别与追踪等。（7） 、防伪安全领域。主要用于贵重物品（烟、酒、药品）防伪、票证防伪、汽车防盗和汽车定位等。（8） 、资产管理领域。主要用于贵重、危险性大、数量大且相似性高的各类资产管理。（9） 、交通领域。主要用于不停车缴费、出租车管理、公交车枢纽管理、铁路机车识别、航空交通管制、旅客机票识别和行李包裹追踪等。（10） 、食品领域。主要用于水果、蔬菜生长和生鲜食品保鲜等。（11） 、图书领域。主要用于书店、图书馆和出版社的书籍资料管理等。（12） 、动物领域。主要用于畜牧牲口、驯养动物和宠物识别管理等。113 基于RFID超市收银系统3.1 系统设计1、 系统结构图 PC 机 收 银 员商品电子标签 阅 读 器网 络 Wifi数据库应用程序图3-1：RFID的超市收银系统结构 由上图可看出，顾客采购商品后只需推着购物车通过安装有RFID读卡器的结账出口，系统就会对购物车内所有贴有RFID标签的货品一次性读取信息，并能从顾客的结算卡上自动扣除相应的金额，打印购物清单凭条，整个结账过程在短短数秒即可完成。3.2 卡片选型ISO15693是针对射频识别应用的一个国际标准，该标准定义了工作在13.56MHz下智能标签和读写器的空气接口及数据通信规范，符合此标准的标签最远识读距离达到2米。它的工作频率范围为13.56MHz7KHz；工作磁场最小值0.15A/m,最大值5A/m；支持两种幅值调制方式 100%ASK和10% ASK；若采用副载波调制方式，支持FSK的双副载波调试方式和ASK的单副载波两种调制方式。1 、VCD到VICC即读写器到标签的编码方式采用脉冲位置调制，支持两种编码方式，分别为256选1模式和4选1模式。当为256选1模式时,通信速率为1.54kbits/s，当为4选1模式时，通信速率为26.48kbits/s。2、 VICC到VCD标签到读写器的数据编码采用曼彻斯特编码方式，根据信号调试的方式不同，通信速率也不同，如下表3-1所示，标签支持高速和低速两种通信速度：表3-1 标签支持的通信速度数据速率单副载波双副载波低6.62kbits/s(fc/2048)6.67kbits/s(fc/2032)高26.48kbits/s(fc/512)26.69kbits/s(fc/508) ISO15693标准一般支持一维或二维方向的标签识别，典型标签读写距离120cm以上。也支持标签的三维方向读取，通道间距可达90cm以上，支持EAS、AFI检测模式，支持脱机应用及多天线并列使用，可自动统计并显示人员进出次数。而超市收银系统对三维读取要求比较高，综合ISO15693的特性，所以选取ISO15693作为RFID超市收银的卡片标签。3.3 读卡器结构 读卡器（Reader）又称读写器。读卡器主要负责与电子标签的双向通信，同时接收来自主机系统的控制指令。读卡器的频率决定了RFID系统工作的频段，其功率决定了射频识别的有效距离。读卡器根据使用的结构和技术的不同可以是读或读/写装置，它是RFID系统信息控制和处理中心。读卡器通常由射频接口、逻辑控制单元和天线三部分组成。 图3-2：RFID读卡器（1）射频接口 射频接口模块主要任务和功能： 产生高频发射能量，激活电子标签并为其提供能量。 对发射信号进行调制，将数据传输给电子标签。 接收并调制来自电子标签的射频信号。 注意，在射频接口中有两个分隔开的信号通道，分别来往于电子标签和阅读器两个方向的数据传输。（2）逻辑控制单元 逻辑控制单元也称读写模块，主要任务和功能： 与应用系统软件进行通信，并执行从应用系统软件发送来的指令。 控制阅读器与电子标签的通信过程。 信号的编码与解码。 对阅读器和标签之间传输的数据进行加密和解密。 执行防碰撞算法。 对阅读器和标签的身份进行验证。（3）天线 RFID系统至少包含一根天线来发射和接收RF信号。有些RFID系统是由一根天线同时完成发射和接收的，而有些系统是由两根天线分别完成发射和接收信号的。 天线将接收到的电磁波转换为电流信号，或者将电流信号转换成电磁波发射出去的装置。在RFID系统中，阅读器必须通过天线来发射能量，来形成电磁场，通过电磁场对电子标签进行识别。因此，阅读器天线所形成的电磁场范围即为阅读器的可读区域。 天线具有多种不同的形式和结构，如偶极天线，双偶极天线、阵列天线、八木天线，平板天线、螺旋天线和环形天线等。环形天线主要用于低频和中频的RFID系统中，平板天线、阵列天线主要用于433MHz、915MHz和2.45GHz的RFID系统中。5 图3-3 八木-雨田天线3.4 数据传输 图3-4 网线传输图 Wi-Fi全称wireless fidelity,是当今使用最广的一种无线网络传输技术。在无线局域网的范畴是指“无线相容性认证”，实质上是一种商业认证，同时也是一种无线联网技术，以前通过网线连接电脑，而2010年则是通过无线电波来连网；常见的就是一个无线路由器，那么在这个无线路由器的电波覆盖的有效范围都可以采用Wi-Fi连接方式进行联网，如果无线路由器连接了一条ADSL线路或者别的上网线路，则又被称为“热点”。8 根据超市的布局结构，基于RFID超市收银系统的数据传输应采用Wifi和网线结合的方式。 PC机和整个数据库使用网线连接，而阅读器与PC机则通过Wifi连接，阅读器接收来自路由器的Wifi信号，与整个系统的局域网连接。带有电子标签的商品通过读写器的位置时，读写器通过Wifi信号将商品信息传回到收银员的PC机中，从而完成整个的数据传输。4 仿真实验及结果4.1 介绍下仿真系统 本文仿真采用的是无线龙科技公司的SensorRF 912 E2.0系统。它的网关MCU是ARM966微控制器 STR912 46X6；网关显示屏为320X240 2.8英寸TFT彩色液晶屏和触摸控制。该系统的网关主要硬件资源是以太网10/100M、1M字节FLASH、96K RAM、SD卡接口、USB接口、CAN总线接口、RS232接口。它支持UCOS-II / GUI操作系统。标配网关调试器一为U-LINK2兼容 、JTAG；标配ZigBee调试器为C51RF-3、JTAG；标配网关PAN控制器为ZigBee网络协调器 X1，其中ZigBee网络节点： ZigBee无线路由器和无线低功耗光线，加速度，温度等传感节点X4；标配网关PAN控制器二位嵌入式蓝牙网络无线控制器X1；标配网关Wi-Fi客户端为GS1010 无线SOC,嵌入式802.11 控制器