RFID 盤(pán)點(diǎn)技術(shù)的應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)

陳瑩星 廖程鵬

（銳捷網(wǎng)絡(luò)股份有限公司，福建 福州350002）

1 概述

當(dāng)前市場(chǎng)上針對(duì)無(wú)人智能零售柜的方案，主要應(yīng)用的技術(shù)有RFID、機(jī)器視覺(jué)識(shí)別、重力感應(yīng)三種方式。機(jī)器視覺(jué)識(shí)別是通過(guò)視覺(jué)傳感器技術(shù)，結(jié)合深度視覺(jué)圖片學(xué)習(xí)算法，識(shí)別出顧客拿走的商品。該技術(shù)對(duì)商品的大小、擺放、高度以及光照等環(huán)境條件均有較嚴(yán)格的限制，支持商品的品類(lèi)也有限；而且這種視覺(jué)識(shí)別技術(shù)投入成本高、前期回報(bào)率低等缺點(diǎn)。重力傳感技術(shù)是利用傳感器感應(yīng)貨架上的重量變化，來(lái)檢測(cè)用戶(hù)行為，一旦出現(xiàn)重量相近的商品時(shí)候，無(wú)法準(zhǔn)確的判斷具體的商品，準(zhǔn)確率較低。而RFID 技術(shù)是通過(guò)每一件商品上所附著的RFID 標(biāo)簽作為唯一碼來(lái)識(shí)別商品，通過(guò)標(biāo)簽信息的變化來(lái)判斷顧客行為。基于RFID 技術(shù)的自動(dòng)盤(pán)點(diǎn)技術(shù)具有識(shí)別速度快、成本少、保密性高、數(shù)據(jù)量等優(yōu)點(diǎn)，但也會(huì)存在弱信號(hào)標(biāo)簽導(dǎo)致標(biāo)簽識(shí)別遺漏，進(jìn)而發(fā)生錯(cuò)單問(wèn)題。本文主要通過(guò)研究輪訓(xùn)頻點(diǎn)及功率的學(xué)習(xí)算法提高盤(pán)點(diǎn)的準(zhǔn)確率，降低市場(chǎng)的投訴率。

2 RFID 技術(shù)

RFID，無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)，又稱(chēng)為電子標(biāo)簽（E-Tag）技術(shù)，是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)；具有非接觸式的信息采集、可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別和自動(dòng)化管理的應(yīng)用特點(diǎn)，并且可存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、讀取距離遠(yuǎn)、可同時(shí)對(duì)多個(gè)標(biāo)簽[1]。它通過(guò)視頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象，可快速地進(jìn)行物品追蹤和數(shù)據(jù)交換[2]。

目前在RFID 盤(pán)點(diǎn)的協(xié)議中主要使用《射頻識(shí)別協(xié)議-第1類(lèi)第2 代UHF 860 兆赫-960M 兆赫通信協(xié)議》，所使用的頻段是860M-960M 共計(jì)50 個(gè)頻點(diǎn)。RFID 的工作原理是標(biāo)簽進(jìn)入磁場(chǎng)后，接收讀寫(xiě)器發(fā)出的射頻信號(hào)，憑借感應(yīng)電流所獲得能量發(fā)出存儲(chǔ)在芯片上的信息;或者主動(dòng)發(fā)出某一頻率信號(hào),讀寫(xiě)器讀取信息并解碼后，送到數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理[3]。具體的原理如圖1 所示：

圖1

RFID 技術(shù)主要由標(biāo)簽、閱讀器和天線組成。其中標(biāo)簽(Tag)也叫射頻卡，它是由耦合元件和芯片組成。RFID 標(biāo)簽又分為有源標(biāo)簽和無(wú)源標(biāo)簽，最為本質(zhì)的區(qū)別是前者由內(nèi)部電池供電，主要用于轉(zhuǎn)換電子標(biāo)簽與讀寫(xiě)器通信所需射頻能量；后者沒(méi)有內(nèi)裝電池，在讀寫(xiě)器覆蓋范圍內(nèi)，依靠讀寫(xiě)器發(fā)出的射頻能量提取工作所需的電源；當(dāng)它離開(kāi)讀寫(xiě)器范圍時(shí)，處于無(wú)源狀態(tài)。RFID閱讀器(Reader)也叫讀寫(xiě)器,主要由天線、射頻收發(fā)模塊、控制單元等組成，主要用來(lái)讀取標(biāo)簽信息的設(shè)備。天線（Antenna）用在標(biāo)簽和閱讀器之間傳遞射頻信號(hào), 利用射頻收發(fā)模塊完成射頻信號(hào)的接收與發(fā)射。

3 RFID 技術(shù)在無(wú)人售貨柜應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)

RFID 技術(shù)在零售行業(yè)中的應(yīng)用如圖2 所示：

圖2 基于RFID 無(wú)人零售售貨柜的系統(tǒng)模型圖

首先，客戶(hù)通過(guò)APP 掃描柜門(mén)上的二維碼，當(dāng)服務(wù)器接收到該二維碼重定向請(qǐng)求時(shí)，會(huì)通過(guò)工控機(jī)發(fā)送開(kāi)鎖指令，則柜門(mén)打開(kāi)；然后，用戶(hù)挑出相應(yīng)商品后，關(guān)閉柜門(mén)同時(shí)，工控機(jī)進(jìn)行上鎖操作，同時(shí)通知閱讀器進(jìn)行盤(pán)點(diǎn)操作。當(dāng)盤(pán)點(diǎn)結(jié)束后，后臺(tái)服務(wù)器接收到到盤(pán)點(diǎn)數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)比上一次盤(pán)點(diǎn)的結(jié)果，確認(rèn)客戶(hù)所購(gòu)商品；最后，服務(wù)器將結(jié)算商品數(shù)量和金額發(fā)送給客戶(hù)端APP，用戶(hù)進(jìn)行付款的操作。至此整個(gè)的業(yè)務(wù)流程結(jié)束。而從RFID 技術(shù)角度來(lái)說(shuō)，需在無(wú)人零售貨柜的每一層部署兩根天線，并且放入柜體內(nèi)的所有商品貼上相應(yīng)的RFID 標(biāo)簽，通過(guò)閱讀器對(duì)每一層的商品進(jìn)行盤(pán)點(diǎn)操作。這種方式的盤(pán)點(diǎn)技術(shù)投入成本較少，但是在使用過(guò)程中，由于商品擺放方式、拿取方式等因素均會(huì)影響到解算的準(zhǔn)確率。在實(shí)際的使用中，錯(cuò)單率時(shí)有發(fā)生，引來(lái)大量的投訴。

3.1 典型的RFID 盤(pán)點(diǎn)方案

設(shè)備首次上電后，啟動(dòng)閱讀器，閱讀器采用微帶天線在固定的功率28dBm，固定的頻點(diǎn)上采用動(dòng)態(tài)Q 算法循環(huán)讀取3 次商品的EPC 信息，然后將盤(pán)點(diǎn)到的結(jié)果數(shù)據(jù)如標(biāo)簽EPC、信道、RSSI 等信息保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，作為初始的數(shù)據(jù)；當(dāng)用戶(hù)關(guān)閉柜門(mén)時(shí)，重啟啟動(dòng)盤(pán)點(diǎn)，將盤(pán)點(diǎn)到的結(jié)果與上一次的盤(pán)點(diǎn)結(jié)果做對(duì)比，發(fā)現(xiàn)缺失的標(biāo)簽EPC 信息就被判斷為該商品缺失，默認(rèn)為客戶(hù)拿走的商品。依此類(lèi)推進(jìn)行RFID 的盤(pán)點(diǎn)，基于這種方式的盤(pán)點(diǎn)，在內(nèi)部測(cè)試過(guò)程中，我們采用單層擺放41 件商品如礦泉水進(jìn)行模擬盤(pán)點(diǎn)100 次，發(fā)現(xiàn)有6-8 次，會(huì)存在2-3 個(gè)標(biāo)簽難以被識(shí)別到，錯(cuò)單率高達(dá)8%左右。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)在柜內(nèi)環(huán)境下部分覆蓋方向存在某些極化方向上的弱覆蓋問(wèn)題。為了改善這類(lèi)問(wèn)題，我們提出了基于輪訓(xùn)頻點(diǎn)和功率的學(xué)習(xí)算法提高盤(pán)點(diǎn)的準(zhǔn)確率。

3.2 基于輪訓(xùn)頻點(diǎn)和功率技術(shù)的RFID 盤(pán)點(diǎn)方案

該技術(shù)的主要設(shè)計(jì)思路是通過(guò)增加頻率校準(zhǔn)過(guò)程，尋找到天線最佳的盤(pán)點(diǎn)頻率，改變了原盤(pán)點(diǎn)方案中所有天線采用固定頻率盤(pán)點(diǎn)，從根本上解決適應(yīng)了不同環(huán)境的變化；然后閱讀器根據(jù)缺少的標(biāo)簽重新下發(fā)盤(pán)點(diǎn)指令的過(guò)程進(jìn)行select 盤(pán)點(diǎn)，盤(pán)點(diǎn)時(shí)間為2s；select 盤(pán)點(diǎn)啟動(dòng)時(shí)，從緩存區(qū)中取的目標(biāo)標(biāo)簽的best 和last 信息，先執(zhí)行根據(jù)best 的盤(pán)點(diǎn)條件再執(zhí)行l(wèi)ast 的盤(pán)點(diǎn)條件[4]。通過(guò)這種方式，解決部分標(biāo)簽由于環(huán)境引起的弱覆蓋問(wèn)題，如圖3 所示：

圖3 基于輪訓(xùn)頻點(diǎn)和功率技術(shù)的RFID 盤(pán)點(diǎn)流程

具體的實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：

a.我們根據(jù)大量的測(cè)試實(shí)驗(yàn)后，得出閱讀器良好的盤(pán)點(diǎn)功率為23dbm，26dbm，28dmb 和33dmb；

b.當(dāng)設(shè)備上電后，在固定的時(shí)間點(diǎn)如每天凌晨0 點(diǎn)，開(kāi)始進(jìn)行天線的校準(zhǔn)，即每一根天線輪訓(xùn)50 個(gè)頻點(diǎn)，找出每根天線盤(pán)點(diǎn)到的數(shù)量最多的EPC 信息的前5 個(gè)頻點(diǎn)作為校準(zhǔn)頻點(diǎn)，如0號(hào)天線的A0,B0,C0,D0,E0 5 個(gè)頻點(diǎn)作為校準(zhǔn)頻點(diǎn)；然后在后續(xù)的盤(pán)點(diǎn)過(guò)程中，均采用校準(zhǔn)頻點(diǎn)進(jìn)行盤(pán)點(diǎn)；

c.當(dāng)找到校準(zhǔn)頻點(diǎn)后，每隔N 分鐘（該值可設(shè)置）進(jìn)行一次普通盤(pán)點(diǎn)，選擇0#天線A0 頻點(diǎn)分別在四個(gè)不同的盤(pán)點(diǎn)功率下進(jìn)行商品盤(pán)點(diǎn)，然后在0#天線A1 頻點(diǎn)分別四個(gè)不同盤(pán)點(diǎn)功率下進(jìn)行盤(pán)點(diǎn)，依此類(lèi)推，直到所有的天線均完成盤(pán)點(diǎn)過(guò)程，在每次的盤(pán)點(diǎn)過(guò)程中，閱讀器會(huì)將盤(pán)點(diǎn)的天線號(hào)，對(duì)應(yīng)的頻點(diǎn)、功率，盤(pán)點(diǎn)時(shí)上報(bào)的RSSI 信息記錄在緩存中；

d.當(dāng)客戶(hù)關(guān)上柜門(mén)時(shí)，下發(fā)盤(pán)點(diǎn)指令，閱讀器將收到的所有標(biāo)簽的EPC 與數(shù)據(jù)庫(kù)中的標(biāo)簽信息進(jìn)行比較。如果發(fā)現(xiàn)缺少的標(biāo)簽EPC 信息，重新對(duì)該標(biāo)簽下發(fā)盤(pán)點(diǎn)指令，這個(gè)盤(pán)點(diǎn)過(guò)程稱(chēng)之為select 盤(pán)點(diǎn)；

e. select 盤(pán)點(diǎn)啟動(dòng)時(shí)，閱讀器會(huì)保存每次盤(pán)點(diǎn)到的RSSI,功率等信息保存在緩存中，然后從緩存區(qū)中取的目標(biāo)標(biāo)簽的best和last 信息，先執(zhí)行根據(jù)best 的盤(pán)點(diǎn)條件再執(zhí)行l(wèi)ast 的盤(pán)點(diǎn)條件。直到所設(shè)定的盤(pán)點(diǎn)時(shí)間結(jié)束。

f.如果沒(méi)有盤(pán)點(diǎn)到對(duì)應(yīng)的標(biāo)簽EPC 信息，則認(rèn)為客戶(hù)購(gòu)買(mǎi)了此商品，并生成相應(yīng)的訂單信息發(fā)給客戶(hù)。

基于輪訓(xùn)和功率方式的RFID 盤(pán)點(diǎn)的應(yīng)用，通過(guò)頻率的校準(zhǔn)，提供了每個(gè)天線的最佳頻率，改變了原來(lái)所有天線固有的頻點(diǎn)，提高盤(pán)點(diǎn)的次數(shù)；同時(shí)對(duì)缺失的商品信息進(jìn)行select 盤(pán)點(diǎn)，從緩存區(qū)域中取出歷史盤(pán)點(diǎn)的最佳RSSI 的盤(pán)點(diǎn)條件和最近一次的盤(pán)點(diǎn)條件進(jìn)行再次盤(pán)點(diǎn)，進(jìn)一步彌補(bǔ)了因?yàn)楸P(pán)點(diǎn)不充分導(dǎo)致漏盤(pán)現(xiàn)象，進(jìn)而提高了盤(pán)點(diǎn)的準(zhǔn)確率。

結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)上述算法的研究實(shí)現(xiàn)，在實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景中，針對(duì)弱標(biāo)簽的覆蓋問(wèn)題引起的錯(cuò)單現(xiàn)象明顯降低。而且在實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，通過(guò)同樣的方式進(jìn)行模擬測(cè)試，41 件商品，盤(pán)點(diǎn)100 次，僅出現(xiàn)一次漏盤(pán)一件商品的現(xiàn)象，比原算法盤(pán)點(diǎn)的準(zhǔn)確度有顯著提升。