基于STM32的超市智能購(gòu)物車(chē)

南華大學(xué)電氣工程學(xué)院 成 雷 鄭云天 李月華 劉 旺 金海濤 胡世鵬

基于STM32的超市智能購(gòu)物車(chē)

南華大學(xué)電氣工程學(xué)院 成 雷 鄭云天 李月華 劉 旺 金海濤 胡世鵬

超市購(gòu)物付款排隊(duì)時(shí)間久、效率低下、購(gòu)物體驗(yàn)差等問(wèn)題長(zhǎng)久存在，本設(shè)計(jì)基于上述問(wèn)題推出一種更高效、性價(jià)比更高的智能購(gòu)物車(chē)。智能購(gòu)物車(chē)以STM32控制器為核心，通過(guò)條形碼識(shí)別、液晶觸摸屏實(shí)現(xiàn)商品查詢結(jié)算功能；WiFi技術(shù)實(shí)現(xiàn)多購(gòu)物車(chē)與超市數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)時(shí)同步；聲磁防盜系統(tǒng)可以減少超市的財(cái)物損失，保障超市利益。智能超市購(gòu)物車(chē)，緩解了手工結(jié)算緩慢，導(dǎo)致排隊(duì)付款時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題。降低超市成本，為超市創(chuàng)造更多的收益，達(dá)到超市和消費(fèi)者雙贏的目的。

購(gòu)物車(chē)；條形識(shí)別；聲磁防盜

0 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展和人民生活水平的提高，為了適應(yīng)時(shí)代發(fā)展，超市規(guī)模也在不斷擴(kuò)大。針對(duì)于傳統(tǒng)的購(gòu)物方式，人們對(duì)此提出了更高的要求，希望能有一種更加智能的、便捷的購(gòu)物方式。由此具有自主結(jié)算的智能購(gòu)物車(chē)的概念由此而生。目前國(guó)內(nèi)市的購(gòu)物車(chē)都是用RFID作為防盜標(biāo)簽，價(jià)格昂貴，不易于安裝，不能廣泛用于市場(chǎng)。國(guó)外微軟公司與MediaCard推出了一種智能超市推車(chē),推車(chē)能夠自動(dòng)識(shí)別顧客的會(huì)員卡,還能展示超市內(nèi)商品的具體位置，但是價(jià)格高昂，防盜功能薄弱，市場(chǎng)認(rèn)可度不高，在很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)不能實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)產(chǎn)業(yè)化。

圖1 實(shí)物構(gòu)造圖

本智能購(gòu)物車(chē)是對(duì)普通的購(gòu)物車(chē)結(jié)構(gòu)加以改造，其構(gòu)造圖如圖1所示，購(gòu)物車(chē)上配備一套電子設(shè)備，使其能夠完成自主購(gòu)物功能。當(dāng)顧客選中一件商品時(shí)，在進(jìn)行條形碼識(shí)別后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭壕э@示屏并快速消磁或加磁；在顧客確認(rèn)結(jié)賬后系統(tǒng)便會(huì)通過(guò)無(wú)線模塊將顧客購(gòu)物車(chē)內(nèi)的信息發(fā)回終端，終端會(huì)第一時(shí)間做出反應(yīng)，前臺(tái)收銀員便能隨時(shí)調(diào)出該購(gòu)物車(chē)的商品信息進(jìn)行快速結(jié)賬。本設(shè)計(jì)改變了超市的結(jié)算方式，與傳統(tǒng)的手工結(jié)算相比，有效的提高了商品結(jié)賬的速度，解決了超市結(jié)賬排隊(duì)擁擠的問(wèn)題和降低超市成本。

1 軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖2所示，當(dāng)用戶掃描商品條形碼后，條形碼掃描器輸出的數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳送至STM32控制器。STM32控制器讀取到商品的條形碼參數(shù)后，便通過(guò)無(wú)線模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到超市服務(wù)器，并將條形碼值與超市數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行匹配，查找出與該條形碼值對(duì)應(yīng)的商品。然后再通過(guò)無(wú)線模塊將該商品的相關(guān)信息（商品名稱、價(jià)格等）反饋給STM32控制器，進(jìn)而使液晶屏上呈現(xiàn)商品信息以便消費(fèi)者查看。在購(gòu)物過(guò)程中，聲磁防盜系統(tǒng)可以有效的保障超市的利益。當(dāng)用戶需要進(jìn)行結(jié)賬時(shí)，可以將數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線傳輸系統(tǒng)發(fā)送至收銀臺(tái)，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單快捷的一鍵式付款。消費(fèi)者對(duì)整個(gè)消費(fèi)過(guò)程一目了然，購(gòu)物掃碼環(huán)節(jié)全由消費(fèi)者完成，從而達(dá)到自助購(gòu)物的目的。

2 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)的構(gòu)成如圖3所示，由中央信息處理系統(tǒng)STM32F407ZGT6、E1005條形掃碼模塊、無(wú)線通信模塊、聲磁防盜系統(tǒng)等組成。中央信息處理系統(tǒng)（STM32控制板）控制條形掃碼模塊，接收外圍設(shè)備的信息，同時(shí)向外發(fā)送命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的快速處理和各外圍模塊的精確控制；E1005條形掃碼模塊用來(lái)查詢商品信息；無(wú)線充電模塊保證智能購(gòu)物車(chē)的正常運(yùn)行；無(wú)線通信模塊將商品總額傳輸至超市服務(wù)器，保證購(gòu)物車(chē)與超市服務(wù)器信息同步。

圖3 硬件系統(tǒng)構(gòu)成圖

2.1 中央處理器

中央信息處理系統(tǒng)與所有的外圍模塊相連接，其硬件電路原理圖如圖4所示。當(dāng)用戶按下開(kāi)機(jī)鍵時(shí)，購(gòu)物車(chē)將自動(dòng)連接到超市局域網(wǎng)保證數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)同步。用戶利用購(gòu)物車(chē)掃碼購(gòu)物時(shí)，中央信息處理系統(tǒng)將接收用戶發(fā)送過(guò)來(lái)的指令，然后進(jìn)行大量邏輯分析運(yùn)算發(fā)出相應(yīng)命令，將相關(guān)信息發(fā)送到相關(guān)子系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)操作，并及時(shí)向用戶反饋信息。本設(shè)計(jì)的中央信息處理系統(tǒng)選用ST公司的M4內(nèi)核的STM32F407芯片，此控制器帶有FPU，具有DSP指令集，芯片主頻高達(dá)168MHz，價(jià)格低，性價(jià)比高，可多次開(kāi)發(fā)，具有豐富的外設(shè)，支持串口通信，具有高性能和低功耗特點(diǎn)，完全滿足超市購(gòu)物車(chē)的性能需求。

圖4 中央處理器與外圍模塊電路圖

圖5 條形掃碼工作原理圖

圖6 聲磁防盜工作示意圖

2.2 條形碼掃描

本設(shè)計(jì)選用E1005條形掃碼模塊，該條形掃碼器結(jié)合了智能圖像識(shí)別技術(shù)，解決了超市商品條形碼掃描時(shí)圖像畸變和不平整的問(wèn)題，從而保證了條形掃碼器讀取商品條碼的正確性與快速性，保證購(gòu)物車(chē)掃描條碼的流暢性。E1005條形掃碼器支持自動(dòng)連續(xù)掃描，用戶可以不用任何多余操作，只需要將條碼對(duì)準(zhǔn)掃描口就能完成掃碼過(guò)程。E1005上提供的TTL-232串行通訊接口，可以支持1200bps至115200bps速率。其掃碼介質(zhì)支持紙類(lèi)、薄膜類(lèi)、手機(jī)、平板等一維條碼；掃碼速度高達(dá)130次/秒；支持工業(yè)嵌入式開(kāi)發(fā)，完全可以滿足超市條形掃碼的要求。其工作原理如圖5所示，條形掃碼器通過(guò)以某個(gè)角度將光束發(fā)射到標(biāo)簽上并接收其反射回來(lái)的光線，反射的光線是一種模擬信號(hào)，條形掃碼器內(nèi)部將模擬波形轉(zhuǎn)換成數(shù)字波形從而獲取條碼值。

2.3 聲磁防盜系統(tǒng)設(shè)計(jì)

聲磁技術(shù)是現(xiàn)代防盜科技發(fā)展的最新成果，工作原理是利用音叉效應(yīng)使得商品標(biāo)簽只有在頻率相同的掃描磁場(chǎng)下才產(chǎn)生共振，在實(shí)際應(yīng)用中是目前性能最好的防盜系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)在條形識(shí)別區(qū)添加消磁、加磁設(shè)備和磁性感應(yīng)器，商品條形碼旁邊粘貼高粘合力的微小磁貼。其工作示意圖如圖6所示，顧客不經(jīng)條形掃碼消磁而私自將商品帶出超市，門(mén)口的磁性檢查器便會(huì)鳴叫報(bào)警。利用嵌入式系統(tǒng)的精確控制和快速處理在條形碼識(shí)別后在極短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行消磁或加磁，從而解決顧客不掃碼便消磁和顧客途中取消某商品購(gòu)買(mǎi)的問(wèn)題。

3 測(cè)試

建立一個(gè)小型數(shù)據(jù)庫(kù)，里面包含商品的名稱、價(jià)格、條碼，用編譯成功的程序加STM32控制板測(cè)試實(shí)際情況中的條形掃碼的掃描可靠性、準(zhǔn)確性;無(wú)線傳輸模塊的通信距離、正確率;聲磁防盜系統(tǒng)的可靠性。圖7是購(gòu)物車(chē)的顯示界面，它可以顯示商品的名稱、條碼號(hào)、價(jià)格、數(shù)量、總價(jià)等基本信息，足以實(shí)現(xiàn)正常購(gòu)物結(jié)算的功能。

圖7 顯示界面圖

條形碼識(shí)別測(cè)試，測(cè)試環(huán)境如圖8所示，d為掃碼器與商品條形碼的距離。

圖8 條碼測(cè)試環(huán)境示意圖

本次測(cè)試為在不同的距離時(shí)掃描的速度與準(zhǔn)確性，測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 條碼識(shí)別測(cè)試數(shù)據(jù)

圖9 測(cè)試環(huán)境示意圖

測(cè)試結(jié)果表明，掃碼器的掃描100件商品最快只需要60s左右，正確率100%。掃碼器離商品的標(biāo)簽大于32mm時(shí)，才能完整的獲取條碼信息；在大于170mm時(shí)，掃碼速度變慢。為了使用戶能夠在快速掃碼區(qū)域內(nèi)掃描條形碼，本設(shè)計(jì)在掃碼模塊前60mm處，放置一塊擋板，將條碼照射的紅光區(qū)域挖空，用戶只要將條碼貼近該擋板就能快速掃碼，不用擔(dān)心距離過(guò)近或太遠(yuǎn)的問(wèn)題。

無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試，其測(cè)試環(huán)境示意圖如圖9所示，分別在空曠與有障礙物的條件下測(cè)試通信距離、數(shù)據(jù)正確率。

空曠條件下，無(wú)線測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示：

表2 空曠條件下無(wú)線測(cè)試數(shù)據(jù)表

有障礙物條件下，無(wú)線測(cè)試數(shù)據(jù)如表3所示，其中24cm為一般墻體厚度。

表3 障礙物條件下無(wú)線測(cè)試數(shù)據(jù)表

由表3可知，無(wú)線模塊在空曠條件下，有限傳輸距離可以達(dá)到300m，但是在有障礙物條件下傳輸距離只有100m。大型超市中貨柜林立，占地面積大，100m的有限傳輸距離無(wú)法滿足超市需求，但采用高速遠(yuǎn)距離無(wú)線模塊，則價(jià)格昂貴，且不一定能滿足需求。無(wú)線模塊不變的條件下，采用AP組網(wǎng)覆蓋。其原理圖如圖10所示，AP組網(wǎng)技術(shù)成熟，性價(jià)比高，廣泛用于校園、辦公樓的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋。AP一般安裝在天花板，速度可以達(dá)到300Mbps/s，每隔100米安裝一個(gè)可以實(shí)現(xiàn)超市的網(wǎng)絡(luò)覆蓋，保證每個(gè)購(gòu)物車(chē)與超市主機(jī)的連續(xù)通信。

圖10 AP組網(wǎng)工作原理圖

聲磁防盜測(cè)試（消磁加磁測(cè)試）：測(cè)試聲磁防盜系統(tǒng)能否有效地完成消磁或者加磁功能，消磁加磁測(cè)試設(shè)備如圖11所示。

圖11 消磁加磁測(cè)試設(shè)備

在測(cè)試中，與條碼測(cè)試一樣，用100件帶有防盜標(biāo)簽的商品進(jìn)行消磁加磁測(cè)試，測(cè)試表明100件商品均能有效的進(jìn)行消磁加磁。采用的是永久性防盜標(biāo)簽，在100次重復(fù)消磁加磁測(cè)試過(guò)程中，均沒(méi)有發(fā)生錯(cuò)誤。

聲磁防盜測(cè)試（防盜測(cè)試）：未消磁的物品在出超市時(shí)能否被防盜系統(tǒng)識(shí)別，防盜測(cè)試環(huán)境如圖12所示。

圖12 防盜測(cè)試

防盜系統(tǒng)采用音叉共振的原理，測(cè)試兩防盜門(mén)的有效距離，以正常步行速度（1m/s）走過(guò)防盜門(mén)，看是否能檢測(cè)出未消磁的商品。測(cè)試結(jié)果表明兩防盜門(mén)的距離不能大于1.2m，否則防盜門(mén)無(wú)法百分百保障超市利益。為了解決防盜門(mén)距離有限，不足以應(yīng)付超市高峰期的人流量的問(wèn)題，可以采用多防盜門(mén)的組合，解決防盜距離有限的問(wèn)題。

經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，該購(gòu)物車(chē)條碼掃描正確率百分之百，可靠運(yùn)行時(shí)間大于一天，無(wú)線模塊傳輸速度、范圍、正確率均符合工業(yè)要求，聲磁防盜系統(tǒng)運(yùn)行正常，足以應(yīng)付超市日常購(gòu)物。

4 結(jié)論

國(guó)內(nèi)現(xiàn)有超市手推購(gòu)物車(chē)只實(shí)現(xiàn)容器功能，并不具備自動(dòng)結(jié)算功能，造成了大量的人力、物力、資源及時(shí)間的浪費(fèi)。智能購(gòu)物車(chē)具有條碼掃描、聲磁防盜、生成付款碼、整合購(gòu)物信息等功能。核心創(chuàng)新點(diǎn)在于聲磁防盜，目前市面上的購(gòu)物車(chē)都不能有效的做到防盜功能。本設(shè)計(jì)的聲磁防盜系統(tǒng)，可以有效的保障超市的利益。智能購(gòu)物車(chē)可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的手工結(jié)算方式，消費(fèi)者可以自己挑選商品然后掃描條形碼，智能購(gòu)物車(chē)的使用，能夠極大的提高消費(fèi)者的購(gòu)物效率，降低超市的人力成本。

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湖南省大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目；省級(jí)立項(xiàng)（項(xiàng)目編號(hào)：323）。

成雷（1996—），男，湖南永州人，大學(xué)本科，現(xiàn)就讀于南華大學(xué)電氣工程學(xué)院。

李月華（1974—），女，湖南慈利人，碩士，講師，主要研究方向：信號(hào)與信息處理。