【《基于RFID自动识别技术的自动结算系统设计》9100字】

基于RFID自动识别技术的自动结算系统设计摘要无线射频识别随着近几年的发展在世界各地都受到了广大的推崇，RFID也从技术研究转换到应用研究。特别是在物联网上面的应用非常广泛，在交通方面，门禁和人员管理方面应用居多，在餐饮应用方面还需要进一步扩大规范。如今，全国很多高校食堂都出现了就餐高峰期结算慢和人工结算出错等多种问题，因此设计研制出一套快速且准确的自动结算系统是非常迫切的。文章基于先进的RFID自动识别技术设计了一套自动结算系统。采用了先进的RFID射频识别计算技术，选用二进制数据树结构算法将其作为应用RFID无线微波射频识别技术中预防标签碰撞的主要识别算法[1]，采用时分多路（TDMA）使阅读器与多个不同的电子标签建立通信，使用高频的电子标签，最终使该系统通过无线射频自动识别器对餐盘的数量和就餐费用进行计算并得出就餐的实际费用，从而实现就餐费用的自动结算等关键功能。用户此时可在客户端上实时查看自己就餐期间的费用、餐卡上的个人信息及就餐金额支付情况，最后提示用户此时只需刷卡或者通过微信，支付宝等完成就餐支付。关键词：RFID；自动结算；物联网1.绪论1.1本课题研究的背景随着我国高校的快速发展，高校食堂不仅具有提供食物的作用，而且是大学精神文化发展的重要场合。随着大学生人数的不断增加，消费水平的不断提高以及饮食类型逐渐多样化，需要进一步提高高校食堂的服务水平。近几年来，我国餐饮行业不断快速发展，竞争非常激烈。现代智能化的食堂正在慢慢地进入到我们的公众生活场合，所谓的现代智能食堂屡见不鲜，但从资金结算，管理方式，运营管理方式，服务管理方式，点餐工具选择等多个角度来看，真正的现代智能食堂的结构组成非常复杂。这也意味着未来对大学智能食堂的技术要求可能会变得更高。为了解决以上问题，加快结算速度，降低餐厅的人力成本，提高用户的就餐体验，我的毕业设计选择了基于RFID技术的快速结算台的客户端软件。1.2课题研究的意义基于RFID技术的自动结算系统在国内已有使用，本款系统大大地节约了人力成本并且加快了结算速度。传统食堂由于就餐者集中用餐时，老旧的刷卡支付和窗口打餐人员口算结算方式效率低，会直接影响就餐速度。就餐高峰期往往是因为结算慢而占用时间较长，导致排队就餐体验差。利用高科技产品和完善的管理系统后，食堂变得比原来更快速，高效，便捷。提高顾客的用餐体验。而基于RFID技术的智能结算台完全不需要人工干预，完全是自动化结算。1.3RFID技术发展历史1937-1940年，美国海军研究实验室开发了敌我识别系统，并应用于军事实践，这是RFID技术的萌芽；1941-1950年，雷达的正式问世与迅速发展，催生了现代RFID技术的重要理论实践思想；1951-1960年，早期RFID技术仅在实验室中进行研究，后来由于军方的需求，出现了识别距离较远的并可携带敌方信息的应答器；1961-1970年，RFID等技术的应用理论快速发展，出现了大量的并十分具有学术参考价值的重要学术论文，首个RFID商用系统问世；1971-1980年，RFID等相关的核心技术和新产品设计研发行业进入快速发展的新时期；1981-1990年，单芯片集成标签芯片RFID汽车电子标签技术问世，RFID标签技术及相关产品已经进入快速商业化推广应用的新阶段，其中汽车道路不停车电子标签收费管理系统技术应用最为广泛，1989年，首个RFID道路不停车汽车电子收费管理系统正式问世；1991-2000年，RFID标准化问题在全球范围内引起争议，呈现出多个标准并存的局面；1994年，国内首次使用13.56MRFID标签卡作为门禁卡，北京仪创科技有限公司将其用在北京的一个写字楼中。1999年，中国铁路车牌号自动识别系统全面建设，该系统起步于国家K2计划，铁道部八五重点支持的关键技术研究课题，最后选定无源标签RFID方案；2009年，温总理提出要在无锡建设"感知中国"中心；2001至今，RFID等技术在业内国际较大范围内已经成为科学研究界的热点。有源码的电子标签、无源电子标签及半无源电子标签都得以发展，使其在RFID行业中所需成本越来越低，应用也更加广泛。1.4论文结构第一章介绍了本次毕业设计基于RFID技术的自动结算系统研究的背景和意义，以及RFID技术的发展历史。第二章介绍了与该系统相关的两种自动结算技术，RFID技术的简介和系统组成。第三章为主要核心内容，概括了各种技术的特点和选择方案，自动结算系统的框架设计，还有如何实现自动结算，以及界面的设计。第四章为系统测试，检测该系统是否可以正常运行，准确率是否可以满足大众的需求，效率是否可以达到设计的初衷，是本次设计的结尾。第五章进行了总结，概括了该系统的优点和需要改进的地方。2.系统的相关技术分析2.1相关技术目前，市面上主要出现的有两种智能化结算设备，一种是以RFID技术为核心的智能化结算台，另一种就是以称重技术研发的餐厅自助结算终端。如图2-1和2-2为当前两种结算方法的使用现状。图2-1基于RFID技术的智能结算图2-2基于称重技术的智能结算2.1.1基于RFID射频识别技术的餐厅自助结算终端产品基于RFID射频识别技术，该产品可以通过识别餐盘中的芯片所包含的菜品信息实现快速自动结算，达到比人工结算更快更准的效果，解决传统食堂人工结算效率低的问题。另外，将顾客选餐与结账两个环节分开，便于对选餐区顾客人流的规划控制，有效解决原来食堂排队混乱，顾客选餐难，结算慢的问题。然而使用基于RFID餐厅自助识别终端产品，会给食堂带来以下几点问题：（1）产品系统购买的成本高。使用该产品要购买结算设备以及带芯片的菜碟，整套产品系统需要的硬件成本较高。（2）增加出餐环节。因为大多食堂每天出售的菜品有变化，需要反复使用菜碟。则在菜品出品的时候，需要重新给菜碟标注出售价格，增加了人力成本。（3）菜碟保养难。装有芯片的菜碟没办法长期高温处理，因此食堂高温杀菌的清洁方式不适用于带芯片的餐碟清洁。采取化学杀菌的方法，会增加清洁成本。2.1.2基于称重技术的餐厅自助结算终端产品基于称重技术的餐厅自助结算终端产品与上述产品类似，主要通过顾客自助，设备快速准确结算的方式，取代原有食堂服务员人工结账的方式，提升食堂结账环节的效率。但相比RFID技术的产品，基于称重技术的产品有更明显的问题，主要有：（1）适用面较窄。基于称重技术的餐厅自助结算终端产品只适合于按重量计价的自助餐厅，而对于目前大部分食堂，采取自助餐营业的较少，顾客量较大的食堂也难以改造成自助餐厅的形式。（2）科技体验差。称重技术是相对普通的技术产品，难以给人高科技体验的感受，对于需要借此产品打造食堂服务亮点的食堂经营方，优势相对薄弱。因此本次系统的设计选用为基于RFID技术的智能结算。2.2RFID简介射频信号识别技术是基于RFID（射频信号识别）的一种技术，也可以称为无线射频信号识别。它其实是一种新兴的无线通信网络技术。其工作原理主要是通过利用无线电控制信号直接识别系统相关工作目标并直接读取编写系统相关工作数据，而不必识别系统和设备相关工作目标。触点之间的物理连接建立广泛应用于生活和工业领域，例如物流，服装，消费，医疗等，其中我们熟悉的校园IC卡是常见的应用之一。一方面，应用市场需求的不断增加直接加快了国内射频识别相关技术的快速发展，反之，射频识别相关技术的广泛应用也直接促进了其市场需求的快速增长。近年来，随着互联网通信，信息安全，大规模集成电路等各种关键技术的革命性突破和发展，射频技术的基础理论也得到充实和改进，射频技术的产品量大幅减少，规模不断增加。生产工作已经开始。同时，射频识别技术的特点满足了人们日益增加的应用要求，RFID技术也已经开始步入商业化应用阶段。从数字电子标签系统到数字读写器之间的感应通信和电子能量的感应通信方式区别来看，RFID两个系统一般来说可以大致分为正向电感磁场耦合系统和反向电磁场耦合系统[3]。反向电磁场耦合，即利用雷达发射原理，发射的空间电磁波在与雷达目标接触后会被反射，并同时检索目标数据[4]。电感电磁耦合工作方式一般特别适合中、低工作频率等高距离工作地和中近距离高频RFID工作系统；高频电磁反向性和散射电感耦合工作方式一般特别适合于中高频、微波等高工作频率的和中远距离高频RFID工作系统。2.4RFID系统的组成在实际RFID功能解决系统方案中，不论是简单的小型RFID解决系统还是复杂的大型RFID解决系统都需要包含一些基本功能组件。组件可以分为各种硬件应用组件和各种软件应用组件。从系统端的设计角度出发来看，一个好的RFID通信系统由一个电子标签、读写器和主天线、传感器/自动执行器/自动报警器、通信基础设施、控制器、应用程序软件等部分组成。若从系统功能设计实现的基本角度观察，RFID集成系统可划分成边沿管理系统和应用软件集成系统两大组成部分。这种学术观点同目前现代中国信息科学技术界的观点相比较吻合。边沿处理系统的主要功能是负责完成边沿信息处理感知，属于无线硬件中的组件部分；无线软件处理系统负责完成边沿信息的采集处理和传递应用；无线通信基础设施系统负责整个线的RFID系统的全部信息处理传递。RFID在控制系统运行过程管理中的应用电子化和硬件程序控制系统组件主要组成包括边沿状态机器和电子标签、读写器（主要组成包括边沿状态运动传感器/边沿指令运动执行器/边沿状态运动报警器和边沿运动控制器等接口）、控制器和一个用于控制读写器的控制天线；整个操作系统中当然至少每个还要同时配备并具有一台数据处理主机，用于运行需要处理大量状态数据的各种电子硬件应用的编程和电子软件程序，并且至少要同时连接一个无线网络。3.系统设计和实现目前市场上的智能结算系统主要有两种：基于RFID技术的自动结算系统和称量式结算系统，两种类型的系统都有自己的特点。在这里，我们将着重介绍的就是基于RFID技术的自动结算系统的功能设计和特色，进而从系统的框架上来介绍一下该系统的特点以及设计内容和实际应用情况。3.1RFID系统的基本工作原理由标签读写器通过发射标签天线发送特定工作频率的无线射频调制信号，当一个电子标签天线进入有效性的工作信息区域时就会产生射频感应电流，从而可以使所获取的能量被一个射频系统激活，使得某一个电子标签将自己的射频信号编码后的数据通过该系统中所内置的发射天线直接将其发射并传输出来，由读写器天线连接。发射天线直接从电子标签的天线接收射频调制信号，并通过接收天线操作处理控制模块的射频调制器将信号直接发送到读取器和写入器。解码信号强大的数据被发送到后台主机系统进行相关处理。主机系统根据逻辑操作识别标签凭据，执行一致的处理并控制设置。它以不同的方式发送命令信号，并最终控制读取。同样，当写入标签时，设备会继续读取和写入各种标签。3.2RFID技术工作流程RFID控制系统有基本的控制工作线和流程，主要是利用无线射频方式在读写器和电子标签之间进行非接触双向数据传输，以达到目标识别和数据交换的目的[6]。本系统的一般工作管理描述如下所示：①射频读取采写器通过射频发射器和天线同时发送一定数量频率的模拟射频数字信号。②进入天线激活，当一个新的电子标签直接自动进入无线数据读写传感器中并连接到该天线的一个自动工作区时，电子标签直接进入这个天线就可能会自动产生一种具有一个足够的运动磁场的电感应力和磁场电流，电子标签进入天线自动获得的磁场电流和能量被自动激活。③通过电子标签将自身的信息通过内置通信天线发送传输出去。④载波读写器通过天线接收器得到一个从电子标签天线发送过来的电子载波发射信号。⑤载波读写器通过天线将一个载波读取的信号直接传送终端到载波读写器。⑥音频读写器对用户接收到的信号分别进行音频解调和信号解码，然后再发送到通信系统管理高层中心进行系统相关信号处理。⑦系统管理高层可以通过逻辑操作进行计算来判断这种电子标签形式的合法性。⑧各个系统的管理高层根据不同的工作需求对系统设置数据作出了一个相应的数据处理，发出一个基于指令集的信号，控制各个系统执行管理部门的日常动作。3.3系统设计3.3.1框架设计本系统通过RFID芯片读写装置，读取植入餐具底部RFID芯片编码，将RFID芯片编码与本地数据库中的所有商品相互匹配，将获取得到的所有商品信息（包括数量、金额、单价等）显示出来在一个显示终端（包括前台电话和收银客户端屏幕）上，然后就餐者可以按照显示屏上的提示选择人脸识别或刷卡的方式进行身份认证完成支付。支付结束后服务器会自动更新客户端的相关信息和数据，并将支付结果返回给客户端，客户端进行了语音播报并在屏幕上提示支付结果。顾客取走餐盘，等待下一位顾客结算；如果提示"支付失败"就按照屏幕上的提示重新支付。系统流程图如图3-1所示。图3-1系统流程图3.3.2射频系统的选用实现系统设计的一个重点就是读写器和电子标签的作用距离，根据系统作用距离的远近，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、遥耦合和远距离系统[1]。3.3.3射频信号频率的选择射频信号的频率决定了RFID系统的工作原理、作用距离、系统成本等。其分为低频、高频和超高频。低频：除了金属材料外，一般低频能够穿透任意材料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[1]。高频：除了金属材料外，该频率的波长可穿透大部分材料，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存在。该频段的系统具有防碰撞的特点，可以同时读取多个电子标签，传输速率快[1]。超高频：作用距离远，超高频段的穿透率差，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且有很好的读取距离，但是对于读取的区域却很难确定。该频段还有很高的数据传输速率[1]。根据上面的分析，系统采用高频的电子标签符合系统要求。3.3.4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识别，从而引起多个标签碰撞[8]。RFID防碰撞从技术角度来看，可以分为四种：空分多路（SDMA）：空分多路的作用是信道增容，可以重复使用频率，充分利用资源，不会有干扰。缺点是电线复杂，成本高。时分多路（TDMA）：时分多路是一种将所有通道功率同时分配给多个用户的技术。对于所有标签，在特定时间段内仅在读取器和标签之间建立唯一的通信，而不会中断其他任何事情，这可以有效地解决标签冲突中的问题。码分多路（CDMA）：码分多路取决于不同用户用于传输信息的信号，它们的代码顺序不同，换句话说，它们在不同的信号波中将有所不同，缺点是CDMA频带利用率低，并且信道体积小，难以选择地址代码。频分多路（FDMA）：频分多路主要目的是为用户提供不同频率的传输通道。缺点是，如果要设置其他无线电，则必须拥有接收器。总而言之，该系统主要使用时分多路复用（TDMA）来建立阅读器与几种不同电子标签之间的通信，确定系统上的餐具数量和类型，最后确定总价格。3.3.5防碰撞算法的选用目前在各种RFID防碰撞算法中，主要有Aloha算法和二进制树算法两种。Aloha算法：Aloha算法意味着，当多个标签同时输入阅读器时，电子标签会不断将其ID发送给阅读器。发送数据时如果将其他标签发送ID到读取器，则信号发生冲突，读取器将无法正确识别标签的ID。读写器检测到信号冲突，将向所有标签发送命令以停。一段时间后，他们的信息将继续发送。二进制树算法：在执行期间，阅读器会在射频区域中反复发送标签。每个命令将标签分为四个组。经过几组后，将生成一个唯一的标签。在这个过程中系统以节点的形式存储相关命令，最后获得数据过滤器。Aloha算法的缺点是响应时间是不确定的。二进制树算法的功能对应于RFID标签的数量，但是需要提交的标签数量不多。在射频环境中，可以满足系统的需求。3.4系统的实现3.4.1实现目标快速计算总价：餐盘进入结算区后，系统将自动识别并核算菜价，并将总价和明细显示在结算台的显示屏上，等待用餐人员支付。自助刷卡支付：菜价核算完毕后，顾客即可在结算台读卡区刷就餐卡完成支付，或者选择使用手机扫描二维码进行支付。开放式第三方支付接口，可提供与第三方设备的数据对接。交易记录查询：可查询餐卡的消费记录。就餐卡余额查询多个智能结算设备设置同步：可通过中央管理服务平台同步所有智慧餐台设备的配置信息。支持双屏独立显示，监控屏/客户屏，显示精度：1024*768。操作界面支持键盘/鼠标/触控，操作方式多样，更加方便人工使用。响应时间：①餐盘识别：≤1000ms；②扣款：≤1000ms；当支付失败，支付超时或余额不足等导致支付异常时，系统会先关闭支付系统，进行再一次的结算让顾客支付，直到支付成功。3.5界面设计实现3.5.1结算界面如图3-2所示为结算界面，界面左侧显示有菜品，单价，数量和总费用，右侧可以实现账单查询，用餐人数显示，如果有不能自动结算的菜品，可以手动添加，若结算操作失误可以进行刷新后重新结算。简单清晰地显示了用餐费用等各方面的信息。图3-2结算界面3.5.2重新计价界面系统存在等待计价、计价结算中和结算异常三种状态。系统默认自动进行计价结算，上一个顾客付款完成，拿走托盘后，系统自动进入等待计价状态，等待下一单计价开始。如果顾客没有付款或付款失败时就将托盘拿走，系统进入结算异常状态，页面上就会提示"未付款"同时进行语音播报，导致系统不能自动进行下一单的计价。此时只需点击界面的刷新按钮即可停止语音播报，删除当前单的数据，系统自动进入等待计价或计价中的状态，顾客就可以重新放置餐盘进行计价，结算支付，如图3-3,3-4,3-5。当顾客手动添加没有餐盘的菜品金额添加错误时，可点击"刷新"删除手动添加的选项，然后重新输入进行结算。图3-3支付提示图3-4未支付提示图3-5支付失败提示3.5.3手动添加饭菜确认添加菜品，首先点选屏幕上的数字小键盘将无芯片餐具的饭菜金额输入，点击"确认"后，菜品就添加到结算区中。如输入错误，可以点击刷新，进行重新输入。若输入卡号，也可以直接利用餐卡进行结算扣费。3.5.4数据同步界面为了更新数据库中新的托盘数据和餐具数据，可以使用数据同步功能。点击"同步"按钮，输入同步口令，再点击提交即可完成同步数据，但数据同步完毕之后双屏机会自动关闭客户端。此时将系统进行重新启动后即可正常使用，如图3-6。图3-6输入同步口令提示3.5.5账单查询界面点击账单后进入如下界面，界面左侧一列有统计、明细、概况、零售四个模块，点击任意一个模块，可以通过选择开始时间和结束时间来查看该时间范围内的支付情况，可以查询统计的总支付金额或是支付明细等信息。如图3-7、3-8。图3-7统计列表图3-8明细列表3.6系统设备本系统安装在双屏客户端机，安装时要求此双屏客户端机所用的操作系统为：Windows，它需与结算台配合使用，结算台装有RFID读取装置，将读取的RFID编码发送到双屏客户机。双屏客户机如图3-2。图3-2双屏客户机结算台如图3-3所示，结算台的各个组成部分如下：（1）客户信息液晶屏（2）触摸式操作屏（3）读卡部分（4）餐具读取部分（5）电源部分图3-3智能结算台芯片餐具的特点：（1）抗跌落，1m高度正常跌落20次，仍能正常工作；（2）在温水中浸泡2小时，仍能正常工作；（3）当托盘内的餐具未全部落入结算区域产生漏单、逃单时，系统可以自动检测并发出相应警示，并且客户不能支付，这样确保逃单、漏单不会发生。4.系统测试4.1测试环境系统测试是基于RFID技术智能餐饮结算系统的最后一个阶段，是保证系统可以正常运行的重要手段。随着功能的不断增加，该系统也越来越复杂，本次测试在本系统实现预期功能的基础上，对智能结算台进行了是否可以快速准确的自动结算，结算的正确率，效率和时间的测试。测试主要在实验室的智能餐台上进行。4.2系统测试4.2.1测试任务针对该系统的使用对象进行设计。分别对自动结算，识别失败，识别错误，支付失败进行测试。从而统计正确率，效率即结算一次所需要的时间和总时间。测试任务如表4-1，测试结果计算如表4-2：表4-1测试任务任务名称任务内容自助结账自选适量菜品，使用结算台结算并支付识别失败选择较多菜品，进行结算并支付识别错误携带没有芯片的餐碟进行结算支付失败余额不足是进行结算表4-2测试内容计算测试内容计算公式正确率结算正确的次数/结算的总次数效率结算一次的时间/总时间4.2.2测试方法在本次的测试中，有三个重要统计内容，分别是正确率、时间和效率。为了保证测试可以尽可能地还原真实情况，本次测试中安排了10位同学进行测试。在测试开始前为他们讲解如何操作，测试开始后不再进行提醒。在测试进行时，开始计时，统计结算100次需要的时间，最后进行计算正确率即成功的次数除以100和效率。4.3测试结果测试任务的正确率和任务完成的效率如图4-2,4-3所示：图4-2每个任务的正确率图4-3每个任务的完成效率根据图4-2、4-3的结果可知任务一的正确率和效率都是最高的，这也说明如果顾客在选适量的饭菜的情况下，正确使用，基本都可以完成自动结算，也意味着该设备是可以满足大部分顾客来使用的。然而任务四的正确率和效率最低，最主要的原因是顾客发现余额不足，不知道可以选择其他的支付方式。当意识到可以手机支付时，时间已经流逝，并且手机支付的效率比刷卡要低，但总体来说，如果顾客知道可以用手机支付，还是可以解决餐卡余额不足的问题的。5.结论本文的产品经过测试，性能基本达到了设计的预期，结算速度较人工方式提高一倍多，错误率几乎为零。另外，本系统经过测试，产品具有如下几方面的优