基于NFC的智能購物車設計

韋雨軒 陳祥苗 尹浩翔 賈興東 吳靜

摘? 要：隨著第五代通信技術和物聯網技術在中國的快速發展和部署，新零售和智能超市發展進入快車道，傳統超市將重新獲得發展動力。本文是基于NFC技術下設計的智能購物車，通過樹莓派對NFC標簽數據進行采集和簡單處理，并與超市的云服務器異步傳輸，從而實現無感支付，大幅度減少排隊的情況出現，達到提升購物體驗的目的。超市利用智能購物車云平臺和大數據，可以優化供應鏈，有效降低運營成本。

關鍵詞：智能購物車;物聯網;NFC;超市

中圖分類號：TP391? ? ?文獻標識碼：A

Abstract：With the rapid development and deployment of fifth-generation communication technology and Internet of Things technology in China，new retail and smart supermarkets develop rapidly，and traditional supermarkets will regain development momentum.This article designed a smart shopping cart based on NFC technology.The Raspberry Pi can collect and conduct simple process of NFC tag data，and asynchronously transmit data to the supermarket cloud server.This system could achieve the purpose of non-inductive payment and significantly reduce the occurrence of queues to enhance the shopping experience.Supermarkets could use smart shopping cart cloud platforms and big data to optimize the supply chain and effectively reduce operating costs.

Keywords：smart shopping cart;internet of things;NFC;supermarket

1? ?引言（Introduction）

目前，國內外絕大部分超市在結算的時候都是使用一維條形碼掃描，雖然一維條形碼本身具有錄入信息快，較強的適用性與經濟性。但其也有較為明顯的缺點：所承載的信息十分有限，通常是只能記錄一定長度字母和數字組合，而且一維條碼一旦遭到污損，就無法獲取真實的信息。并且一維條碼所承載的信息僅僅用于超市作為SKU（Stock keeping unit，庫存保有單位）信息來識別，對消費者沒有實際意義。在實際購物結算過程中，往往需要排很長的隊伍才能夠結賬，較差的購物體驗將會造成顧客對超市認同度下降，減少消費次數。

智能購物車是綜合利用計算機網絡、射頻識別技術、數據庫技術、單片機于一體的設備，具有先進性、便于管理性、經濟性、普適性。基于NFC（Near Field Communication，近場通信）技術的智能購物車，能夠大幅縮短結賬排隊時間，實現“無感支付”。NFC是一種非接觸式自動識別技術，當NFC標簽靠近閱讀器的工作范圍之后，通過線圈獲得感應電流，感應電流經過升壓電路作為電源，將儲存器寄存的信息發送給閱讀器，閱讀器再根據接收的信息進行解碼處理。這樣大大減少人員成本，同時方便了超市管理，提高顧客的購物體驗。

2? ?購物車工作原理（Working principle of shopping cart）

2.1? ?基本原理和技術

物聯網（The Internet of Things，簡稱IoT）技術最早于1995年比爾·蓋茨在書《The Road Ahead》中提及。現在普遍接受的定義是：利用各種傳感器和網絡設備，實現將各種設備、物品接入互聯網，以獲得實時的數據[1]。物聯網不是獨立于互聯網的網絡，而是互聯網的延伸。將萬物實現智能化和自動化。

智能購物車就是物聯網應用的一個實例，智能購物車綜合運用嵌入式開發，數據庫技術，無線網絡通信，以及射頻識別技術。單片機在購物車上作為信息處理的模塊，同時兼備網絡傳輸功能。實現購物數據實時傳輸，方便超市工作管理，也可以利用實時數據來實現智能超市的感知，包括優化庫存，調整供應鏈等。

智能購物車最大的特點就是使用了樹莓派和NFC技術。樹莓派是一種基于Arm架構的微型電腦[2]，具備標準的馮·諾伊曼結構。內置CPU和內存，需要連接Micro SD卡作為外存。同時具有連接IEEE 802.11標準協議的無線網絡模塊。支持Java、C、Python等編程語言，可以使用SPI驅動。利用樹莓派，可以很快地完成對硬件驅動的開發，對超市數據庫的連接，而不需要專門學習單片機的編程語言。

NFC技術即射頻識別技術，通過非接觸的方式實現雙向通信，NFC發起設備提供射頻場，NFC目標設備運用負載調制技術，可以和調整至與發起設備一樣的傳遞速率進行數據傳輸[3]。目前NFC廣泛用于公交卡、身份證，以及物流系統和手機中。通過NFC可以對資源進行快速定位，信息傳輸。

NFC與RFID區別：NFC是由RFID發展而來，NFC工作頻率僅在13.56MHz，而RFID工作頻段分為低頻，高頻和特高頻，頻率從120kHz至5.8GHz，執行不同的ISO/IEC18000標準都有不同的工作頻率。NFC可以內置安全芯片，有效防范黑客讀取破解。

2.2? ?工作原理

供貨商將所有的商品都需要貼上NFC不干膠貼，超市只需要在收貨的時候，用掃描器掃描NFC標簽，就可以完成入庫的操作。同時會將商品數據采集到超市的數據庫，超市可以繼續錄入完善商品的信息。當所有商品信息都上傳至中心服務器之后，就可以使用智能購物車進行購物了。智能購物車是在傳統購物車的基礎上進行改造，擁有樹莓派+NFC閱讀器組成的系統。顧客的智能手機與智能購物車通過超市WLAN或購物車藍牙，以及NFC連接的方式，與智能購物車進行配對。樹莓派接入超市的WLAN，NFC閱讀器讀取商品上面NFC標簽的內容，返回給樹莓派數據，樹莓派對數據只對數據進行合法性校驗，比如奇偶校驗、校驗和等。NFC標簽使用EPC[4]（Electronic Product Code，電子產品編碼），并且使用鎖位式雙前綴探針防碰撞算法，可以減少冗余信息傳輸，提高算法搜索效率[5]。為了降低中心服務器的工作負荷，樹莓派將使用異步傳輸的方式來與超市服務器進行數據交換[6]。此時顧客的智能手機將出現購物車中所存在的商品信息。圖1為超市場景示意圖。

3? ?工作流程（Workflow）

將購物車推至結算區域，當樹莓派接收到結算區域的安全網絡時，進入結算程序。NFC閱讀器反復讀取數次存在于購物車的商品上的NFC標簽，將商品信息發送到超市服務器，超市服務器與支付網關連接，進行安全認證，對顧客賬戶進行扣款。結算流程圖，如圖4所示。

4? ?程序實現（Program realization）

4.1? ?程序架構

整個軟件分為三個部分，由超市服務器系統，智能購物車系統，支付網關組成。圖5給出了整個智能購物車軟件架構圖。其中，上位機是樹莓派、超市服務器和智能手機，樹莓派主要使用Python語言進行軟件開發，超市服務器使用PostgreSQL數據庫，下位機是RFID-RC522A讀卡器。

4.2? ?調試讀卡器與樹莓派連接

將樹莓派的系統讀寫到MicroSD卡，并且在根目錄下新建SSH目錄，配置好WIFI連接。然后使用數據線與樹莓派連接，使用5V/2A直流電供電，插上即可開機。

在終端里輸入sudo raspi-config，然后再彈出頁面選擇Interfacing Options ->SPI->確認。

按照前文所述連接樹莓派引腳。

從git上下載測試用例：MFRC522-PYTHON，安裝依賴sudo pip install -r requirements.txt。

運行實例 sudo python read.py，將NFC標簽靠近讀卡器，查看屏幕是否有相應數據。

5? ?結論（Conclusion）

目前，國內超市的手推車大多數只能實現了容器功能，而現有的智能購物車解決方案，加入了過多的硬件模塊，讓購物車顯得笨重，改造成本過高。作為超市的一方，超市不希望有路徑規劃功能來縮短消費者在超市購物的時間，所以需要從節省部分支付時間的角度來建造智能購物車。智能購物車是采用單片機技術、信息處理、無線通信技術對傳統購物車進行改進。顧客可以通過智能手機進行與超市連接，購物車配對，從而獲取購物車的商品信息。這樣一來就完全擺脫了對商品逐一掃碼的形式，加快購物結算。利用先進的技術手段，提高人們在線下購物的便利性，提高人們對傳統超市的認可度，利用NFC標簽，將傳統超市過渡到智能化超市，從而實現新零售。同時NFC不容易被屏蔽，所以在一定程度上能防止盜竊商品。消費者也可以通過支持NFC功能的智能手機，掃描商品上面的NFC標簽，查看商品售價、保質期、生產廠家等，利用區塊鏈整合產品溯源功能[7]。購物車的擴展性較強，在實際應用中可以靈活擴展功能，以適應不同的需求。

參考文獻（References）

[1] 龔嬌.物聯網在智慧城市的應用研究[J].現代交際，2019（22）64;63.

[2] 吳斌，嚴晨成，尉鵬飛.基于OpenCV與激光雷達的智能跟隨購物車系統設計與實現[J].科技創新導報，2019，16（27）：141-144.

[3] 李剛.關于RFID通訊與NFC技術的應用探索[J].中國新通信，2018，20（14）：84.

[4] 曾行.基于EPC編碼的豬肉質量安全追溯體系研究[D].西北農林科技大學，2008.

[5] 孫淑生，劉雅逸.基于物聯網的智慧超市RFID標簽防碰撞算法研究[J].電視技術，2018，42（09）：142-146.

[6]房磊，王成彥.通信工程中數據傳輸問題的研究[J].通訊世界界，2019，26（11）：41-42.

[7] 李逢天，馬金剛，周揚，等.基于區塊鏈與RFID的藥品溯源研究[J].中國數字醫學，2020，15（01）：8-10;13.

作者簡介：

韋雨軒（1997-），男，本科生.研究領域：信息管理與信息系統.

陳祥苗（1999-），女，本科生.研究領域：信息管理與信息系統.

尹浩翔（1999-），男，本科生.研究領域：信息管理與信息系統.

賈興東（1999-），男，本科生.研究領域：信息管理與信息系統.

吳? 靜（2000-），女，本科生.研究領域：信息管理與信息系統.