无线传感器网络课程设计-基于射频识别技术（RFID）的智能自选餐厅系统

1、安徽理工大学无线传感器网络课程设计课程设计说明书（无线传感器网络）题目：基于射频识别技术（RFID）的智能自选餐厅系统院 系：计算机科学与工程学院专业班级： 物联网工程13-2班 学 号： 2013303056 学生姓名： 指导教师： 2015年10月10日摘 要无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN），是一种全新的信息获取平台，由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者构成了无线传感器网络的三个要素。射频

2、识别，RFID（Radio Frequency Identification），又称无线射频识别，是一种通信技术，可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。自选餐厅，区别于传统的快餐厅(只有固定的套餐搭配），它类似于自助餐厅的选餐模式。只不过自助餐厅是先交钱再选餐；而自选餐厅是先点餐再结账。实现了用合适的钱吃合适价格的饭这一目标。但是，现有的自选餐厅效率太低，遇到人流高峰期时，容易造成大量排队买单的结果，浪费了广大就餐者宝贵的时间。由此，开发一套合理的智能自选餐厅系统机器似乎必不可少！关键词：无线传感器网络；射频识别技术；智能自选餐厅系统第 1

3、7 页 共 18 页目 录摘 要1第一章 系统分析31.1背景分析31.2系统概述31.3系统优势5第二章 技术分析62.1射频识别(RFID)技术62.1.1系统组成62.1.2工作原理62.1.3系统优势72.2温度传感器82.2.1工作原理82.2.2主要分类9第三章 系统设计103.1整体架构设计103.2智能餐盘设计103.2.1电子标签103.2.2温度传感器113.2.3餐盘结构设计123.3电子标签信息写入与读取133.4后台管理系统13第四章 系统实现15总结16参考文献17第一章 系统分析1.1背景分析在这个经济飞速发展，城市化进程不断加快的信息化新时代，似乎什么都变快。快

4、速生活节奏下助长了一大批快餐厅，而这些快餐厅为了吸引更多的顾客，谋取更多的利润，也是花了各种想法去改变传统餐饮。从一开始的套餐式到现在的自选式，虽然消费者吃到的花样变得多了，但是它们都有一个共同的问题就是效率不高。曾几何时，你手持饭菜，顶着嘟嘟叫的肚子，站在一大波人的后面排队结账。虽然出纳员已经到达了他的极限，但是作为消费者可能还是会着急。同时，高度紧张的人工工作也容易带来资金结算错误的问题。为了解决这一问题，有的餐厅提供了基于射频识别技术的会员卡服务，虽然省去了现金结算的繁琐步骤，但是仍然没有很好地解决人工算账又慢又容易出错的问题。还有一个问题就是由于菜是提前做好了的，如果就餐时间较迟，菜一

5、定会变凉，这一现象在夏天还好，在冬天就让人受不了。虽然智慧的餐厅个老板想出了一些办法去缓解这一问题，比如把所有已经做好了的菜放在一个保温容器里，但是这一做法并没有完全解决问题。一方面，全面保温或者加热，效率是不高的，浪费能源；另一方面，时间过长，做好的菜还是会变凉的。为了从根本上解决这两大主要问题，我构想出了一套现代化信息化的智能自选餐厅系统。1.2系统概述图1-1 智能自选餐厅布局示意图（俯视）如图1-1所示，智能自选餐厅系统以一个个餐盘为“网络节点”，在其中植入RFID标签和温度传感器。在顾客就餐之前，餐厅的工作人员在工作区就把已经做好的菜放入相对应的智能餐盘里，设定好相关参数，然后放入顾

6、客选餐区。顾客就餐时只要端上餐盘去结算区利用射频识别技术读取信息，打印单价、总价的清单，然后刷一下先前办理好的就餐卡就可以完成结算。这样一来就省去了高成本、低价值的人工劳动力成本。（如果顾客没有就餐卡，可以选择现金结算，这样的话，结算区只需要一个服务员去专门结算使用现金的顾客）。由于餐盘植入了温度传感器，可以监测食物味道实时温度。检测出食物温度低于设定温度，就会报警（蜂鸣器小声报警）。如果发生在食物售出之前，安排一名专门的服务员统一加热；如果发生在顾客用餐过程中，由用户自行决定要不要去加热区自己加热。下面将对各个区域的功能进行逐一阐述：1.工作区：该区域是餐厅工作人员工作的区域，包括厨房、办公

7、室、仓库等。不同工作人员在不同的工作区域各司其职。工作人员工作区做好饭菜，然后盛装好，将相关信息写入电子标签，以方便结算区的结算。2.选餐区：顾客可以在这个区域选到自己喜欢的菜品，以“流水线”的形式从选餐区的这边走到那边以防止出现拥塞的情况。考虑到价格和荤素等因素，所以可以将这个大区再细分成几个小区：荤菜区、素菜区、每日特价区等。一者可以方便顾客迅速找到自己喜欢的菜品；二者也可以方便餐厅工作人员及时看到不同区域的消费情况，以及时补充。3.结算区：该区域顾名思义就是买单结账的地方，这里放置本系统的一个重要组成部分：连接小票打印机的智能结算设备。它内置于桌面上，顾客只需要把餐盘在上面扫过一遍便可以

8、读取信息并迅速计算出总价、打印小票。区别于传统的餐厅，只需要安排一到两个出纳。一是监督顾客电子结算，二是提供现金结算的业务。4.就餐区：顾客吃饭的地方，工作人员要注意及时收拾餐桌为顾客提供一个干净的用餐环境。5.加热区：顾客在用餐的时候发现菜凉了（蜂鸣器小声报警），如果需要加热，可以自己把菜拿到这里简单地加热一下。需要指出的是，不同的菜，其报警温度不相同，需要根据工作人员的提前设置。综合以上论述，智能自选餐厅系统的核心部件应有：ü 植入RFID标签和温度传感器的智能餐盘ü 连接阅读器的智能结算软件系统ü 小票打印机ü RFID手持终端1.3系统优势智能自

9、选餐厅系统的设计是以顾客的角度考虑的，因此，它的设计满足不仅仅满足了顾客的基本需求，还为餐厅带来了更好的效益。它的优势具体表现如下五点：1.一套智慧餐盘系统一个小时内就能完成上千人次的自助结算，每套智慧餐盘只需配一名操作人员维护秩序即可。2.整个购餐流程可以规划出就餐人员在食堂内的行走路线，使食堂更加干净、整洁、有序。3.使用OFD3消费机作为智慧餐盘的核心部分，使维护人员很容易上手，不需要另外培训。4.灵活性也很好，由于智慧餐盘系统具有轻、安装方便、系统启动速度快等。移动起来非常方便，只要连接好电源即可工作了。5.支持续一卡通系统，就餐人员也反应比原来的窗口就餐方便多了，而且不用排队，菜式也

10、可以随便选。大大的缩短了就餐时间。第二章 技术分析本章节将把智能自选餐厅系统中每个需要用到的技术或相关硬件逐一地进行概述分析。2.1射频识别(RFID)技术射频识别（RFID）是一种无线通信技术，可以通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或者光学接触。从概念上来讲，RFID类似于条码扫描，对于条码技术而言，它是将已编码的条形码附着于目标物并使用专用的扫描读写器利用光信号将信息由条形磁传送到扫描读写器；而RFID则使用专用的RFID读写器及专门的可附着于目标物的RFID标签，利用频率信号将信息由RFID标签传送至RFID读写器。从结构上讲RFID是一种简单

11、的无线系统，只有两个基本器件，该系统用于控制、检测和跟踪物体。2.1.1系统组成 最基本的RFID系统由三部分组成：（1）标签(Tag)：由耦合元件及芯片组成，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；（2）阅读器(Reader)：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；（3）天线(Antenna)：在标签和读取器间传递射频信号。一套完整的系统还需具备：数据传输和处理系统。2.1.2工作原理RFID的基本工作原理并不复杂：标签进入磁场后，如果接收到阅读器发出的特殊射频信号，就能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（即Passive Tag，无源

12、标签或被动标签），或者主动发送某一频率的信号（即Active Tag，有源标签或主动标签），阅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。射频识别系统的基本模型如2-1图所示。系统的基本工作流程是：阅读器通过发射天线发送一定频率的射频信号，当射频卡进入发射天线工作区域时产生感应电流，射频卡获得能量被激活;射频卡将自身编码等信息通过卡内置发送天线发送出去;系统接收天线接收到从射频卡发送来的载波信号，经天线调节器传送到阅读器，阅读器对接收的信号进行解调和解码然后送到后台主系统进行相关处理;主系统根据逻辑运算判断该卡的合法性，针对不同的设定做出相应的处理和控制，发出指令信号控制执行机构动

13、作。图2-1 RFID系统基本模型发生在阅读器和电子标签之间的射频信号的耦合类型有两种。（1）电感耦合。变压器模型，通过空间高频交变磁场实现耦合，依据的是电磁感应定律，如右图A所示。电感耦合方式一般适合于中、低频工作的近距离射频识别系统。典型的工作频率有：125kHz、225kHz和13.56MHz。识别作用距离小于1m，典型作用距离为1020cra。（2）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，如图B所示。电磁反向散射耦合方式一般适合于高频、微波工作的远距离射频识别系统。典型的工作频率有：433MHz，915MHz，

14、2.45GHz，5.8GHz。识别作用距离大于1m，典型作用距离为3l0m。2.1.3系统优势RFID是一项易于操控，简单实用且特别适合用于自动化控制的灵活性应用技术，识别工作无须人工干预，它既可支持只读工作模式也可支持读写工作模式，且无需接触或瞄准；可自由工作在各种恶劣环境下：短距离射频产品不怕油渍、灰尘污染等恶劣的环境，可以替代条码，例如用在工厂的流水线上跟踪物体；长距射频产品多用于交通上，识别距离可达几十米，如自动收费或识别车辆身份等。射频识别系统主要有以下几个方面系统优势：Ø 读取方便快捷：数据的读取无需光源，甚至可以透过外包装来进行。Ø 识别速度快：标签一进入磁场

15、，解读器就可以即时读取其中的信息，而且能够同时处理多个标签，实现批量识别；Ø 数据容量大：数据容量最大的二维条形码(PDF417)，最多也只能存储2725个数字。Ø 标签数据可动态更改：利用编程器可以向写入数据，从而赋予RFID标签交互式便携数据文件的功能，而且写入时间相比打印条形码更少；Ø 更好的安全性：不仅可以嵌入或附着在不同形状、类型的产品上，而且可以为标签数据的读写设置密码保护，从而具有更高的安全性；Ø 动态实时通信：只要RFID标签所附着的物体出现在解读器的有效识别范围内，就可以对其位置进行动态的追踪和监控。2.2温度传感器温度传感器（temp

16、erature transducer）是指能感受温度并转换成可用输出信号的传感器。温度传感器是温度测量仪表的核心部分，品种繁多。按测量方式可分为接触式和非接触式两大类，按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶两类。2.2.1工作原理1.热电阻温度传感器金属随着温度变化，其电阻值也发生变化。对于不同金属来说，温度每变化一度，电阻值变化是不同的，而电阻值又可以直接作为输出信号。电阻共有两种变化类型：（1）正温度系数：温度升高 = 阻值增加温度降低 = 阻值减少（2）负温度系数：温度升高 = 阻值减少温度降低 = 阻值增加2.热电偶温度传感器热电偶由两个不同材料的金属线组成，在末端焊接在一起。

17、再测出不加热部位的环境温度，就可以准确知道加热点的温度。由于它必须有两种不同材质的导体，所以称之为热电偶。不同材质做出的热电偶使用于不同的温度范围，它们的灵敏度也各不相同。热电偶的灵敏度是指加热点温度变化1时，输出电位差的变化量。对于大多数金属材料支撑的热电偶而言，这个数值大约在540微伏/之间。2.2.2主要分类1.接触式接触式温度传感器的检测部分与被测对象有良好的接触，又称温度计。温度计通过传导或对流达到热平衡，从而使温度计的示值能直接表示被测对象的温度。一般测量精度较高。在一定的测温范围内，温度计也可测量物体内部的温度分布。但对于运动体、小目标或热容量很小的对象则会产生较大的测量误差，常

18、用的温度计有双金属温度计、玻璃液体温度计、压力式温度计、电阻温度计、热敏电阻和温差电偶等。2.非接触式它的敏感元件与被测对象互不接触，又称非接触式测温仪表。这种仪表可用来测量运动物体、小目标和热容量小或温度变化迅速（瞬变）对象的表面温度，也可用于测量温度场的温度分布。最常用的非接触式测温仪表基于黑体辐射的基本定律，称为辐射测温仪表。辐射测温法包括亮度法（见光学高温计）、辐射法（见辐射高温计）和比色法（见比色温度计）。各类辐射测温方法只能测出对应的光度温度、辐射温度或比色温度。只有对黑体（吸收全部辐射并不反射光的物体）所测温度才是真实温度。如欲测定物体的真实温度，则必须进行材料表面发射率的修正。

19、而材料表面发射率不仅取决于温度和波长，而且还与表面状态、涂膜和微观组织等有关，因此很难精确测量。第三章 系统设计3.1整体架构设计智能自选餐厅系统主要由RFID后台管理软件、RFID标签发行系统和RFID标签识别采集系统组成，这几个系统互相联系，共同完成智能自选餐厅正常运作的各个流程。后台管理系统是整个系统的核心，RFID识别采集是实现管理功能的基础和手段。后台管理系统由中心数据服务器和管理终端组成，是系统的数据中心，负责与手持终端通讯，将手持终端上传的数据转换并插入到后台管理系统的数据库中，对标签管理信息、发行标签和采集的标签信息集中进行储存和处理。图3-1所示为智能自选餐厅系统结构图。图3

20、-1 智能自选餐厅系统结构图3.2智能餐盘设计 此餐盘既用智能二字，当然是和普通的餐盘不一样的。它加入了电子标签和温度传感器。下面将分别对这两者进行选择、分析、设计。3.2.1电子标签射频识别标签，又称电子标签，主要由存有识别代码的大规模集成线路芯片和收发天线构成，主要为无源式，使用时的电能取自天线接收到的无线电波能量；射频识别读写设备以及与相应的信息服务系统。它主要分三类：（1）被动式:被动式标签没有内部供电电源。其内部集成电路通过接收到的电磁波进行驱动，这些电磁波是由RFID读写器发出的。当标签接收到足够强度的讯号时，可以向读写器发出数据。这些数据不仅包括ID号（全球唯一标示ID），还可以

21、包括预先存在于标签内EEPROM中的数据。（2）半主动式:一般而言，被动式标签的天线有两个任务，第一：接收读写器所发出的电磁波，藉以驱动标签IC；第二：标签回传信号时，需要靠天线的阻抗作切换，才能产生0与1的变化。问题是，想要有最好的回传效率的话，天线阻抗必须设计在“开路与短路”，这样又会使信号完全反射，无法被标签IC接收，半主动式标签就是为了解决这样的问题。半主动式类似于被动式，不过它多了一个小型电池，电力恰好可以驱动标签IC，使得IC处于工作的状态。（3）主动式:与被动式和半主动式不同的是，主动式标签本身具有内部电源供应器，用以供应内部IC所需电源以产生对外的讯号。一般来说，主动式标签拥有

22、较长的读取距离和较大的记忆体容量可以用来储存读写器所传送来的一些附加讯息。图3-2 RFID电子标签考虑到餐盘需要清洗而且是水洗还有降低成本等因素，因此选用被动式的电子标签植入餐盘。3.2.2温度传感器如果要进行可靠的温度测量，首先就需要选择正确的温度仪表，也就是温度传感器。其中热电偶、热敏电阻、铂电阻(RTD)和温度IC都是测试中最常用的温度传感器。以下是对热电偶和热敏电阻两种温度仪表的特点介绍。（1）热电偶:热电偶由在一端连接的两条不同金属线(金属A和金属B)构成，当热电偶一端受热时，热电偶电路中就有电势差。可用测量的电势差来计算温度。不过，电压和温度间是非线性关系，温度由于电压和温度是非

23、线性关系，因此需要为参考温度(Tref)作第二次测量，并利用测试设备软件或硬件在仪器内部处理电压-温度变换，以最终获得热偶温度(Tx)。Agilent34970A和34980A数据采集器均有内置的测量了运算能力。图3-3所示为热电偶温度计系统原理图。图3-3 热电偶温度计系统原理图（2）热敏电阻:热敏电阻是用半导体材料， 大多为负温度系数，即阻值随温度增加而降低。温度变化会造成大的阻值改变，因此它是最灵敏的温度传感器。热敏电阻体积非常小，对温度变化的响应也快。但热敏电阻需要使用电流源，小尺寸也使它对自热误差极为敏感。热敏电阻在两条线上测量的是绝对温度， 有较好的精度，但它比热偶贵， 可测温度范

24、围也小于热偶。考虑到本智能餐盘温度检测需要低成本和低精确度等因素，决定采用热电阻温度传感器。3.2.3餐盘结构设计图3-4 智能餐盘内部结构图如图3-4所示，当热电偶一段温度降低，温度传感器检测到温度变化，产生电势差为蜂鸣器提供电源。蜂鸣器周期性地产生非常小的声音并同时让指示灯闪烁。由于不同的菜其冷热程度的标准不一样，有的菜就是凉菜而有的菜必须热的才好吃。因此可以设置蜂鸣器工作的最小电压，这最小电压是根据温度传感器电压变化与温度变化的曲线图设定的。3.3电子标签信息写入与读取RFID电子标签信息的写入方式大致可以分为三种类型：（1）RFID电子标签在出厂时，即已将完整的标签信息写入标签。这种情

25、况下，应用过程中，RFID标签一般具有只读功能。（2）RFID标签信息的写入采用有线接触方式实现，一般称这种标签信息写入装置为编程器。这种接触式的RFID标签信息写入方式通常具有多次改写的能力。（3）射频标签在出厂后，允许用户通过专用设备以无接触的方式向RFID标签中写入数据信息。这种专用写入功能通常与RFID标签读取功能结合在一起形成RFID标签读写器。具有无线写入功能的RFID标签通常也具有其唯一的不可改写的UID。本系统采用第三种写入方式，写入的信息包括：菜名、单价。电子标签信息的读取与写入原理是相同的，可以理解成二者是“逆过程”。需要指出的是，标签信息写入是终端设备，而信息的读取设备是

26、和小票打印机连接加上结算系统。图3-5电子标签信息写入与读取原理图，除电子标签以外的部分就是RFID手持终端：RFID标签发行系统或连接小票打印机的智能结算设备。图3-5 RFID电子标签写入信息与读取信息原理图3.4后台管理系统后台管理系统拥有自己的数据库，它包括智能结算系统，它可以实现的主要功能如下：ü 将终端设备写入电子标签的信息同时传送到数据库中；ü 将结算设备读取的信息记录并打印出来；ü 计算每天每种菜的消费量；ü 计算每一次消费金额并累加次数计算餐厅每天消费的人流量和总金额；ü 控制打印机输出消费信息。本系统使用的是SQL数据库，下

27、表所示是数据表部分示例。表3-1 菜名表（部分）编号菜名单价今日已售数量1红烧猪蹄6222土豆牛肉4153青椒肉丝3124番茄鸡蛋355紫菜蛋汤36作为智能结算系统的结果和消费者的消费凭证，连接小票打印机打印出的小票样式如图3-6所示：图3-6 系统打印出的小票样式图第四章 系统实现本系统可以用各种语言写，包括java、C、C+等。考虑到不同厂家的读写器其JDK版本不一样，而且这些在出厂的时候都已经将所有的功能都已实现，直接拿过来用就可以了，不需要自己另外写。所以，在此，我将用java语言实现智能结算系统。代码部分只阐述核心代码，然后就是截图。本人技术水平有限，只利用Eclipse平台演示。1

28、.代码部分：class MenuString name;int price;public Menu()public Menu(String name,int price,int x)=name;this.price=price;int amount=x*price;System.out.println("您购买了"+x+"份"+"单价是"+price+"元的"+name+"-"+"消费金额是："+amount+"元");public class Intelligent