基于無源RFID的智能外賣取餐系統

伍德鵬，潘祺煒，高錢豪，周 彪

（江南大學 江蘇 無錫 214122）

0 引言

近年來，隨著網絡科技和數字經濟的不斷進步，平臺經濟發展的速度不斷加快。其中，外賣行業的發展愈發迅猛，市場規模不斷擴大，已經逐漸成為人類社會中不可或缺的一部分。據統計，2019年，外賣行業的總規模已經超過6 000億元，比上一年增長將近40%；2020年則已達到6 646億元，同比增長15%，經預測，2022年中國外賣餐飲行業市場規模將達到9 417.4億元之多[1]。

據統計，大學生是外賣消費中的主力軍，占消費總人數的74.6%。但是，傳統的外賣配送行業僅僅追求外賣的送達效率，而忽視了大學校園環境的復雜性及外賣存取的問題，導致外賣存取不規范，甚至出現學生外賣丟失的情況[2]。因此，如何提高外賣配送服務質量，規范外賣存取管理已經成為校園外賣亟待探討和解決的問題，這對提升用戶外賣體驗和促進社會經濟的發展具有重大意義。

在全球疫情大背景下，無接觸式配送已經逐漸成為高校校園外賣配送的常態。目前，許多人都提出了校園外賣柜的設計思想[3]，并在外賣柜中加入保溫、照明系統、備用電源、自動門鎖等裝置，使外賣柜能更好地服務于學生取餐。但是，考慮到外賣存取柜存取空間小，空間利用率低，在用餐高峰期并不能保證每個外賣都能放入存取柜。據調查，學生在收到取餐短信，會在短時間內取餐，并且學生宿舍園區均配備有微波爐，這就表明了外賣柜相關配置的不必要性。此外，外賣柜成本較高，不利于該裝置在校園的普及。

無源射頻識別技術（RFID）是一種非接觸式的自動識別技術。近年來，RFID憑借著無需可視，能批量讀取標簽；高容納力，能存儲大量信息；讀取距離遠，可精確定位；保存周期長，防水防磁等優勢，在物流、零售、醫療等領域實現了不同程度的商業化[4]。為了規范校園外賣管理、改善外賣存取環境、提高用餐高峰期的外賣容納能力，本文基于無源RFID技術，設計了開放式外賣取餐房，搭建了智能的外賣取餐系統，實現了有監督的外賣取餐。該系統主要由置物架、固定式RFID閱讀器、無源RFID標簽、外賣定位顯示模塊等組成。經驗證，該系統能在優化外賣取餐環境和規范管理外賣取餐流程的同時，還可以取得比外賣柜更好的社會與經濟效益。

1 系統設計需求

本文設計的智能取餐系統采用模塊化設計的思想，根據基本功能要求和相關技術標準，按照從高到低的設計思路，可以將整個應用系統細分為多個功能模塊，模塊化的設計使得各個部分相互獨立而又密切聯系。取餐系統按照功能主要可以劃分為信息入庫模塊、定位查找模塊以及監督取餐模塊。

其中，信息入庫模塊是根據顧客的外賣訂單信息，將消費者信息記錄在具有唯一標識號的無源標簽上，并記入數據庫。然后將編輯好的無源標簽粘貼在外賣包裝盒上，等待外賣員配送。外賣員接受外賣配送任務，將外賣放至取餐房時，取餐房中的RFID閱讀器通過讀取外賣上的標簽，從而識別外賣訂單信息，更改外賣的配送狀態為配送已完成。與傳統的紙質訂單信息相比，電子標簽具有良好的防水性和可用性，成本低同時具有龐大的信息容量，具有較大實用價值[5]。

外賣定位查找模塊是智能取餐系統的核心模塊，該模塊旨可簡化外賣取餐方式，提升用戶取餐效率?？紤]到RFID良好的定位性能，我們設計了一種基于收包率的定位算法來確定外賣位置，該算法通過劃分RFID閱讀器的覆蓋范圍，估計出標簽所在位置。相比于傳統的室內定位算法，基于收包率的定位算法在滿足一定的定位精度要求下，具有更強的穩定性。在得到外賣具體定位后，通過Java編程語言，將其顯示在前端網頁，方便消費者查找取餐。

學生取餐時，閱讀器通過讀取無源標簽學生校園卡，獲得取餐者相關信息，例如學號、姓名等，并將其記錄到數據庫，進而實現有監督的取外賣服務。在外賣丟失或被誤取時，消費者可以根據數據庫信息與取餐者取得聯系，保障了消費者權益。通過更改數據庫中相應字段，我們可以確定外賣狀態——外賣已配送完成和外賣取餐完成。具體的工作流程見圖1。

針對上述多址通信碰撞問題，本文基于曼徹斯特編碼策略，采用一種改良的二進制搜索算法[7]來改善讀取多個標簽時的通信質量與效率。當閱讀器發出查詢命令時，所有標簽都會響應閱讀器的命令，而當有碰撞發生的時候，閱讀器將準確知道碰撞的具體位置。根據碰撞發生的位置在原查詢前綴的基礎上，增加1位或多位比特，構成新的查詢前綴。進行多番操作后可依次完成所有標簽的識別。圖2為該搜索算法的一個實例，可以識別6個標簽0010、0100、0101、1001、1110、1111。與傳統的二進制搜索算法相比，本文采用的改進的二進制搜索算法可以在保證搜索正確率的前提下，有效地減少搜索查詢次數，從而達到提高查詢效率的目的。

智能取餐系統采用無源RFID技術，無需與識別標簽直接接觸，在一定程度上保證了食品的安全與衛生，在疫情科學防控的當下顯得尤為重要。該系統采用的無源電子標簽具有讀取方便快捷、安全性高、耐久性強、體積小等特點，在應用中能夠快速、實時、準確地采集和處理信息。另外，無源RFID標簽成本低，僅需要幾毛錢，并且能夠重復使用，具有較大應用價值及市場?？紤]到RFID能夠一次性讀取大量標簽，并且通過改進通信碰撞問題能夠提高讀取標簽的效率，本文設計的智能取餐房相比于傳統的取餐柜，具有極高的外賣容納能力和外賣存放密度，能滿足用餐高峰期的外賣存取需求。

2 系統設計

2.1 信息入庫模塊

信息入庫的前提是，必須要改善標簽到閱讀器之間的通信質量，提升通信的有效性和可靠性，從而減少多個標簽到閱讀器之間產生的通信碰撞問題。在解決了通信碰撞問題，確保閱讀器能夠高效可靠地讀取到標簽之后，通過查詢該標簽獨特的序列碼，將顧客信息寫入對應標簽內。接著再利用串口將讀取的標簽信息錄入到搭建好的數據庫之內，為動態管理外賣配送奠定基礎。

2.1.1 標簽到閱讀器之間的通信

本部分主要研究如何改善標簽通信的碰撞問題。通信碰撞指的是，基于接收信號強度指示（received signal strength indicator）的LANDMARC算法的精度和穩定性不高，當多個標簽緊貼在一起，會引起通信上的沖突，閱讀器難以識別，造成讀取紊亂的情況[6]。

經過實驗驗證，基于曼徹斯特的二進制搜索算法的確能改善標簽通信碰撞，能夠同時識別多個標簽。實驗結果表明，在改進之前，通信碰撞率為20.1%，閱讀成功概率為92.7%；而在改進之后，通信碰撞率為1.5%，閱讀成功率提升到97.3%。

2.1.2 信息錄入數據庫

在解決了通信碰撞問題后，需要搭建消費者信息數據庫?？紤]到本項目一般在局域網內使用，因此選擇關系型數據庫管理系統（SQL Server）為開發軟件，采用C/S結構模式建立數據庫。在閱讀器讀取標簽相關數據后，利用一種計算機程序設計語言（Python）編程，將讀取到的信息經串口傳至搭建的數據庫內。后期通過后臺更改標簽相關的信息字段，以代表不同的外賣狀態，從而智能跟蹤外賣配送及取餐過程。

2.2 定位查找模塊

外賣員將貼有電子標簽的外賣送至外賣取餐房后，為了方便學生取餐，我們需設計定位算法，精準顯示外賣定位。室內常用的定位算法有：信號到達時間（TOA）、信號到達時間差（TDOA）、信號到達角度（AOA）、信號強度（RSSI），但是這些定位算法不僅精度有限[8]，并且易受外界環境影響，本模塊擬采用基于不同區域收包率并結合位置指紋算法的室內定位方法[9]，以改善定位精度問題，減少室內約束條件。在得到標簽具體定位后，本模塊利用Java編程語言，設計了具體的定位顯示網頁，方便用戶操作尋取外賣。

2.2.1 定位算法設計

本文設計使用的收包率算法為：某一時間段內，閱讀器連續掃描標簽M次，成功讀取到標簽的次數為N，則依此定義收包率（P）如下：

P是一段時間內對標簽發送信息量的統計值，所以相對穩定。在無線信道中，根據收包概率大小可依次將單個閱讀器的讀取區域劃分為穩定區、過渡區以及非穩定區。穩定區噪聲干擾小，收包率較高；非穩定區噪聲干擾嚴重，多徑效應影響顯著，收包率大幅降低。

2.2.2 定位模塊設計

在智能取餐房的房頂和外賣貨架均放置多個讀寫器，每一個讀寫器均能得到一個二維平面的收包率，并且具有自己讀取區域的穩定區、過渡區以及非穩定區。在保證經濟情況的前提下，多安置幾個RFID標簽閱讀器，使得取餐房內每個區域均能被至少兩個讀取面的閱讀器過渡區掃描到。由此，整個取餐房內的三維空間都會被閱讀器掃描到，也就意味著每一個被送入到取餐房的外賣都會被閱讀器感知，從而更新數據庫中相應字段以顯示外賣的不同狀態。

為了確定外賣具體定位坐標，我們在取餐房4個角落分別安置一個固定式標簽閱讀器，分別記為A、B、C、D；其中每個閱讀器均具有3種不同的識別區域，即穩定區、過渡區和非穩定區，分別記為1、2、3。在房間中每一點，這些閱讀器的識別區域將相互重疊。

然后，進行數據訓練，建立離散指紋數據庫。在取餐房中每間隔1 m設置1個參考點，每個參考點處于4個閱讀器的不同區域，因此每個位置指紋（a,b,c,d）唯一映射一塊區域，例如某標簽位置指紋為（1,2,1,3），即代表它正處于閱讀器A的穩定區，閱讀器B的過渡區，閱讀器C的穩定區和閱讀器D的非穩定區的相交區域。當外賣標簽進入到取餐房時，4個閱讀器分別進行標簽的搜集讀取。同樣的，外賣在取餐房中不同的放置對應著不同的目標指紋，得到目標指紋，將其與已經建立的離散指紋數據庫對比匹配，從而得到外賣在取餐房中的粗定位信息數據。

2.2.3 Java網頁編程

我們搭建了智能尋餐管理系統，通過Java開發工具，搭建了一個連接數據庫的可操作管理系統，采用面向對象的思想，統一錄入數據庫的外賣數據的屬性及屬性元素，實現將數據庫中的信息有選擇地批量顯示在網頁上。

為了智能顯示外賣定位，我們在取餐房中設置了一個固定標簽作為參考原點，通過上述定位算法得到了所有標簽（包括固定標簽）的定位后，以固定標簽為坐標系的基準點建立對應的坐標系，以便定位可視化。利用Java語言編程，根據上述功能需求，我們搭建了友好的用戶界面，該用戶界面支持根據手機尾號查詢外賣訂單，查詢到相應外賣后，顯示其具體定位。經過多次的實驗和數據分析，該系統能夠精準顯示RFID閱讀器范圍內所讀外賣標簽的位置信息和其相應的屬性。

2.3 監督取餐模塊

外賣送至取餐房后，閱讀器閱讀到外賣標簽，更新數據庫中相關字段為“配送已完成”。學生取餐時，在通過取餐機查找外賣標簽定位后，刷卡進入取餐房取餐，閱讀器讀取到學生個人信息，當學生取走外賣，閱讀器讀取到被取走的外賣標簽，更新數據庫中相關字段為“取餐已完成”，并將取餐的相關信息錄入數據庫，在外賣丟失或誤取時，方便查詢。

3 結語

本文介紹了無源RFID的基本原理，分析了基于收包率和位置指紋識別的定位算法實現過程。再基于Python、MySQL和Java編程，搭建了智能外賣取餐房，提升了外賣取餐環境、配送質量和效率，并確保了外賣取餐的有序性。經實驗驗證，該系統穩定可靠，錯誤率低，在現實應用中具有一定的借鑒意義。

本文使用的定位算法屬于粗定位，在區域面積較大時，只能確定標簽的大概定位，讀取精度不高。因此，后期可以改進定位算法，提高定位算法的定位精度，使其精確定位標簽位置，從而提升用戶服務質量。