RFID 盘点技术的应用与实现

陈莹星 廖程鹏

（锐捷网络股份有限公司，福建 福州350002）

1 概述

当前市场上针对无人智能零售柜的方案，主要应用的技术有RFID、机器视觉识别、重力感应三种方式。机器视觉识别是通过视觉传感器技术，结合深度视觉图片学习算法，识别出顾客拿走的商品。该技术对商品的大小、摆放、高度以及光照等环境条件均有较严格的限制，支持商品的品类也有限；而且这种视觉识别技术投入成本高、前期回报率低等缺点。重力传感技术是利用传感器感应货架上的重量变化，来检测用户行为，一旦出现重量相近的商品时候，无法准确的判断具体的商品，准确率较低。而RFID 技术是通过每一件商品上所附着的RFID 标签作为唯一码来识别商品，通过标签信息的变化来判断顾客行为。基于RFID 技术的自动盘点技术具有识别速度快、成本少、保密性高、数据量等优点，但也会存在弱信号标签导致标签识别遗漏，进而发生错单问题。本文主要通过研究轮训频点及功率的学习算法提高盘点的准确率，降低市场的投诉率。

2 RFID 技术

RFID，无线射频识别技术，又称为电子标签（E-Tag）技术，是一种非接触式的自动识别技术；具有非接触式的信息采集、可实现自动识别和自动化管理的应用特点，并且可存储数据、读取距离远、可同时对多个标签[1]。它通过视频信号自动识别目标对象，可快速地进行物品追踪和数据交换[2]。

目前在RFID 盘点的协议中主要使用《射频识别协议-第1类第2 代UHF 860 兆赫-960M 兆赫通信协议》，所使用的频段是860M-960M 共计50 个频点。RFID 的工作原理是标签进入磁场后，接收读写器发出的射频信号，凭借感应电流所获得能量发出存储在芯片上的信息;或者主动发出某一频率信号,读写器读取信息并解码后，送到数据管理系统进行数据处理[3]。具体的原理如图1 所示：

图1

RFID 技术主要由标签、阅读器和天线组成。其中标签(Tag)也叫射频卡，它是由耦合元件和芯片组成。RFID 标签又分为有源标签和无源标签，最为本质的区别是前者由内部电池供电，主要用于转换电子标签与读写器通信所需射频能量；后者没有内装电池，在读写器覆盖范围内，依靠读写器发出的射频能量提取工作所需的电源；当它离开读写器范围时，处于无源状态。RFID阅读器(Reader)也叫读写器,主要由天线、射频收发模块、控制单元等组成，主要用来读取标签信息的设备。天线（Antenna）用在标签和阅读器之间传递射频信号, 利用射频收发模块完成射频信号的接收与发射。

3 RFID 技术在无人售货柜应用与实现

RFID 技术在零售行业中的应用如图2 所示：

图2 基于RFID 无人零售售货柜的系统模型图

首先，客户通过APP 扫描柜门上的二维码，当服务器接收到该二维码重定向请求时，会通过工控机发送开锁指令，则柜门打开；然后，用户挑出相应商品后，关闭柜门同时，工控机进行上锁操作，同时通知阅读器进行盘点操作。当盘点结束后，后台服务器接收到到盘点数据，通过对比上一次盘点的结果，确认客户所购商品；最后，服务器将结算商品数量和金额发送给客户端APP，用户进行付款的操作。至此整个的业务流程结束。而从RFID 技术角度来说，需在无人零售货柜的每一层部署两根天线，并且放入柜体内的所有商品贴上相应的RFID 标签，通过阅读器对每一层的商品进行盘点操作。这种方式的盘点技术投入成本较少，但是在使用过程中，由于商品摆放方式、拿取方式等因素均会影响到解算的准确率。在实际的使用中，错单率时有发生，引来大量的投诉。

3.1 典型的RFID 盘点方案

设备首次上电后，启动阅读器，阅读器采用微带天线在固定的功率28dBm，固定的频点上采用动态Q 算法循环读取3 次商品的EPC 信息，然后将盘点到的结果数据如标签EPC、信道、RSSI 等信息保存在数据库中，作为初始的数据；当用户关闭柜门时，重启启动盘点，将盘点到的结果与上一次的盘点结果做对比，发现缺失的标签EPC 信息就被判断为该商品缺失，默认为客户拿走的商品。依此类推进行RFID 的盘点，基于这种方式的盘点，在内部测试过程中，我们采用单层摆放41 件商品如矿泉水进行模拟盘点100 次，发现有6-8 次，会存在2-3 个标签难以被识别到，错单率高达8%左右。通过分析发现在柜内环境下部分覆盖方向存在某些极化方向上的弱覆盖问题。为了改善这类问题，我们提出了基于轮训频点和功率的学习算法提高盘点的准确率。

3.2 基于轮训频点和功率技术的RFID 盘点方案

该技术的主要设计思路是通过增加频率校准过程，寻找到天线最佳的盘点频率，改变了原盘点方案中所有天线采用固定频率盘点，从根本上解决适应了不同环境的变化；然后阅读器根据缺少的标签重新下发盘点指令的过程进行select 盘点，盘点时间为2s；select 盘点启动时，从缓存区中取的目标标签的best 和last 信息，先执行根据best 的盘点条件再执行last 的盘点条件[4]。通过这种方式，解决部分标签由于环境引起的弱覆盖问题，如图3 所示：

图3 基于轮训频点和功率技术的RFID 盘点流程

具体的实现过程如下：

a.我们根据大量的测试实验后，得出阅读器良好的盘点功率为23dbm，26dbm，28dmb 和33dmb；

b.当设备上电后，在固定的时间点如每天凌晨0 点，开始进行天线的校准，即每一根天线轮训50 个频点，找出每根天线盘点到的数量最多的EPC 信息的前5 个频点作为校准频点，如0号天线的A0,B0,C0,D0,E0 5 个频点作为校准频点；然后在后续的盘点过程中，均采用校准频点进行盘点；

c.当找到校准频点后，每隔N 分钟（该值可设置）进行一次普通盘点，选择0#天线A0 频点分别在四个不同的盘点功率下进行商品盘点，然后在0#天线A1 频点分别四个不同盘点功率下进行盘点，依此类推，直到所有的天线均完成盘点过程，在每次的盘点过程中，阅读器会将盘点的天线号，对应的频点、功率，盘点时上报的RSSI 信息记录在缓存中；

d.当客户关上柜门时，下发盘点指令，阅读器将收到的所有标签的EPC 与数据库中的标签信息进行比较。如果发现缺少的标签EPC 信息，重新对该标签下发盘点指令，这个盘点过程称之为select 盘点；

e. select 盘点启动时，阅读器会保存每次盘点到的RSSI,功率等信息保存在缓存中，然后从缓存区中取的目标标签的best和last 信息，先执行根据best 的盘点条件再执行last 的盘点条件。直到所设定的盘点时间结束。

f.如果没有盘点到对应的标签EPC 信息，则认为客户购买了此商品，并生成相应的订单信息发给客户。

基于轮训和功率方式的RFID 盘点的应用，通过频率的校准，提供了每个天线的最佳频率，改变了原来所有天线固有的频点，提高盘点的次数；同时对缺失的商品信息进行select 盘点，从缓存区域中取出历史盘点的最佳RSSI 的盘点条件和最近一次的盘点条件进行再次盘点，进一步弥补了因为盘点不充分导致漏盘现象，进而提高了盘点的准确率。

结束语

通过上述算法的研究实现，在实际的应用场景中，针对弱标签的覆盖问题引起的错单现象明显降低。而且在实验环境下，通过同样的方式进行模拟测试，41 件商品，盘点100 次，仅出现一次漏盘一件商品的现象，比原算法盘点的准确度有显著提升。