基于射頻技術的自動循環超市儲物系統

摘 要：自動循環超市儲物系統以S50非接觸式IC卡為識別對象，利用了各IC卡的卡號代碼的互異性，通過RC522天線的射頻讀卡技術，讀取IC卡的卡號，并且由STM32主機帶動相關機械動作。其主要功能體現在存物與取物兩個過程。存物時，STM32主機帶動電機自動彈出一IC卡供顧客使用，并通過RC522天線反饋來的卡號發出命令，控制相關機械打開相應的儲物箱；取物時，待IC卡插入指定位置后，由RC522天線讀取卡號，主機帶動電機把卡回收的同時，發出機械命令打開相應的儲物箱。從而代替了普通的紙質條形碼儲物原理，實現了綠色環保，節約紙張的目的。

關鍵詞：射頻技術；環保；自動循環

中圖分類號：TP301；TP334.7 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2014） 12-0000-02

一、研究背景及意義

目前，超市的儲物柜大部分采用的是條形碼儲物柜，雖然方便，但在使用過程中會產生大量的廢紙，在打印條形碼的同時，會消耗較多的電能。另一方面，雖然IC卡儲物柜已問世，但現有的射頻儲物柜還存在無法自動回收IC卡的缺點，需要專人給顧客派發、收集IC卡。因此，為了減少紙張的使用，保護環境，同時節約能耗，我們提出了基于射頻技術的自動循環超市儲物系統，從節約用紙與節能兩個方面來實現環保的目的。該儲物柜采用IC卡感應技術，在保證了顧客正常使用的同時，又做到了可循環使用。從而大大節約了紙張的使用以及超市工作人員的費用。

二、設計思路及方案綜述

本作品的設計與實現過程中，最核心的部分是射頻讀卡技術以及IC卡的吞入、保存以及自動彈出裝置。對于前者，我們確立了使用RC522集成天線搭配相關IC卡的方法來實現。而對于IC卡的吞入、保存以及自動彈出，我們采取了“先進先出（雙口出入）”的模式，如圖1所示。該模式分別設置進卡口與出卡口，進卡口在上，出卡口在下，兩者之間，有卡道連接出、入卡口。當顧客需要存物時，IC卡經步進電機與出卡裝置，從卡道下端出卡口彈出，并且觸發感應天線，打開箱柜；當顧客需要取物時，IC卡經步進電機和入卡裝置，從入卡口回歸卡道，完成循環，并且觸發感應天線，打開相應箱柜。

圖1 卡道出入設計圖

三、方案設計

（一）元件選取

本作品的主要設計理念是減少紙張的浪費，并且做到可自動循環利用，此外，經濟性與節能性也是我們設計的主要出發點。因此，我們選用S50非接觸式IC卡，RC522天線，STM32主機作為設計元件。

（二）方案結構

本作品主要包含四個部分：入口感應區，卡道，出口感應區，以及控制區。

圖2 方案整體圖

1.入口感應區

入口感應區主要由RC522集成天線，入卡機械裝置構成。入卡機械裝置主要包括電機（一塊），圓形滑輪（兩塊，一上一下），轉動軸，以及支撐板，支架等。其中，RC522集成天線：鑲嵌在支撐板上，與STM32主機相連，用于將IC卡的卡號信息反饋給主機。

電機：是入卡的主要動力來源，與控制區的輔助電路板相連，帶動滑輪旋轉。

滑輪：下部滑輪套在電機上，與電機同軸旋轉，靠與IC卡的摩擦帶動IC卡運動；上部滑輪套在支架的轉動軸上，擠壓IC卡，防止IC卡翹起致使下部滑輪空轉，起到輔助入卡的作用。

工作原理：RC522集成天線感應，收集IC卡的卡號信息，傳送至STM32主機。主機反饋回動作信號，一方面經輔助電路板放大，帶動電機旋轉，在滑輪的作用下，把卡推入卡道，另一方面傳送至箱門機械裝置，打開與IC卡相對應的箱門，供顧客取物。

2.卡道

卡道是一中空長方體框架結構，為了節約能耗，在卡道內并沒有設置整理IC卡的裝置，而是通過控制卡道的長、寬，來達到使IC卡整齊，順序排列的目的。

工作原理：IC卡從入卡口進入卡道時具有一定的初速度，由于卡道的設計規格與IC卡的長、寬近似且比其越大，故在重力作用下，IC卡能夠整齊地平臥在卡道內，從而達到堆疊存放的目的，為后期出卡做好準備。

3.出口感應區

出口感應區主要由RC522集成天線、28BYJ-48型步進電機、以及推卡板、彈力裝置等構成。其中，

RC522集成天線：安裝在出卡口，與STM32主機相連。待IC卡從出卡口被推出時，掃描IC卡的卡號信息，反饋給STM32主機。

彈力裝置：由皮筋，拉條組成。工作時，形變的皮筋是出卡的主要動力源。

步進電機：受STM32主機控制，并經拉繩與推卡板相連，用于拉回推卡板至原位，為下一次退卡做準備。

工作原理：待機狀態下，拉繩纏在步進電機的轉軸上，退卡板處于待命狀態，與卡道的最底層卡處于同一平面，皮筋被拉伸。當發出“出卡”命令后，電機轉動，釋放拉繩，則推卡板在皮筋彈力作用下，將卡推至出卡口，經集成天線掃描后，打開對應箱柜，供顧客使用；之后，電機自行反轉，回收拉繩，將推卡板拉回指定位置，同時，使皮筋發生形變，方便下一次推卡。

4.控制區

控制區主要包括STM32主機，輔助電路板，如圖3，圖4所示。

圖3 STM32主機

圖4 輔助電路板

STM32主機：整個系統的核心，對感應信號進行處理，并且發出動作電流。其上設置有“出卡”、“進卡”等功能按鈕，分別對應“存物”、“取物”的功能。

輔助電路板：與電機相連，放大STM32主機輸出的動作電流，帶動電機旋轉。

四、方案分析

（一）節能型分析

通過查閱資料，得到了現有普通超市儲物柜參數如下：

表1 條形碼儲物柜基本技術參數

待機功率：25W工作功率：60W使用環境溫度：

-3℃～50℃

電源電壓：

AC200V～AC240V熱敏筒紙規格：

寬57mm*直徑50mm使用環境濕度：

30～90%RH

經測試，本系統電路參數如下：

表2 儲物自動循環系統基本技術參數

待機總電流：0.27A入卡總電流：1.25A

出卡總電流：0.95A入卡電機電流：1.03A

而直流工作電壓為5V，則：

待機功率：5*0.27=1.35W

入卡工作功率：5*1.25=6.25W

出卡工作功率：5*0.95=4.75W

存取一次工作總功率：6.25+4.75=11W

本系統搭配相應的儲物柜電子鎖，即可充分完成儲物、取物功能。

經調查，儲物柜電子鎖的基本參數如下：

表3 儲物柜電子鎖基本參數

開鎖電壓：9～12V開鎖電流：1.5～3A

靈敏度：0.5S使用壽命：25萬次以上

則開鎖功率：9*1.5=13.5W 12*3=36W

工作總功率：11+13.5=24.5W 11+36=47W

故本系統工作功率24.5～47W，小于現有的條形碼儲物柜。

（二）經濟、環保性分析

相當于一張A4紙的1/19。相當于A4紙53張。進而節約大量的紙漿與造紙費用。另一方面，也能減少造紙過程中污水的排放，節約木材，保護環境。

五、現有技術比較及主要創新點

本作品是在現有儲物柜技術的基礎上進行的擴展以及改進。

（一）儲物柜技術現況

1.條形碼儲物柜

經過我們簡單地市場調查以及實地采訪，現有超市儲物柜主要采用形式是條形碼儲物柜。通過分析，該儲物柜有兩個不完善的地方：

（1）紙質條形碼造成了用紙浪費。雖然單個面積不大，但從客流量以及長遠看來，既不環保，也不經濟。

（2）在儲物柜附近需要有專門的工作人員定時清理廢棄的條碼紙。雖然現在許多超市在儲物柜旁專門設置了廢紙簍，但隨之客流量的增加，隨手亂丟的現象仍不乏存在。因此，許多超市的做法是設置了專門的清潔人員定時打掃。

2.現有IC卡儲物柜

IC感應技術應經發展多年，如今，市場上已有部分IC卡儲物柜。但該種儲物柜多用于采用會員制式的中高檔場所，會員持會員卡可以打開屬于自己的儲物柜，而會員卡由會員隨身攜帶，或由商家回收、保存、派發，并不能在整個系統中自動循環供多人使用。因此，該種儲物柜與本作品有較大差別，不適合供超市使用。

（二）主要創新點

而本作品則很好地解決了上述問題。一方面，雖然早期投資生產IC感應卡的費用有所增加，但由于可以重復使用，從而可以大大節省后期投入，并且環保，達到了節能減排的目的。另一方面，本作品擁有全自動出卡，存卡的功能，閑置不用時IC卡保存在儲物柜中，因此，有利于環境的整潔，并減少了相關工作人員的勞動量。

六、結束語

本作品設計了一個基于射頻技術的自動循環超市儲物系統，經過測量與計算，該系統的節能性、環保性、經濟性均相對現有條形碼儲物柜有了一定的改善。并且，本系統稍加修改，即可推廣應用到火車站，機場等相關場所。

參考文獻：

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[6]STM32不完全手冊V2.3[Z].

[作者簡介]蘇浩（1992.12-），山東泰安人，華北電力大學（保定）電氣工程及其自動化專業；蔡澔倫（1993.12-），云南曲靖人，華北電力大學（保定）通信工程專業；馮升飛（1991.03-），河北邢臺人，華北電力大學（保定）熱能與動力工程專業。