具有自動識別功能的超市蔬果稱重裝置*

楊 京，焦 亭，楊雅婷，樊冰芬，平家樂，廉宇凱

（山西大學(xué)自動化系，山西 太原 030006）

隨著人民日益增長的美好生活需要的提高，社區(qū)服務(wù)業(yè)正處于蓬勃發(fā)展階段。為老百姓衣食住行提供服務(wù)的零售行業(yè)，現(xiàn)在正面臨著巨大的挑戰(zhàn)，一方面要為社區(qū)顧客提供滿意的服務(wù)，另一方面又要面對龐大的客流。無人超市作為一種新型的購物模式逐漸走進人們的生活，其目的正是為了解決零售行業(yè)目前所面臨的問題，而要真正實現(xiàn)無人化，就需要結(jié)算裝置能自動識別目標商品。

電子秤因其便捷、精準的特點，已經(jīng)成功取代了傳統(tǒng)的機械秤，并且在零售行業(yè)得到了廣泛的使用。在原有電子秤的基礎(chǔ)上加上微控制器以及顯示器，就構(gòu)成了目前常見的具有結(jié)算功能的電子秤，而這種電子秤的缺點就在于其需要人工輸入代碼，才能調(diào)用數(shù)據(jù)，并且花費顧客大量的時間去等待；同時因為裝置的專業(yè)性，員工需要事先培訓(xùn)，才能正確使用。電子秤僅實現(xiàn)了結(jié)算的半自動化，并沒有解決無人超市的根本問題。

因此，亟待開發(fā)具有自動識別功能的超市蔬果稱重裝置。本科研項目在傳統(tǒng)電子秤的基礎(chǔ)上，加入自動識別模塊，利用攝像頭采集蔬果信息，通過算法，得出結(jié)果，實現(xiàn)蔬果自動識別的功能，并在此基礎(chǔ)上提高電子秤的可操作性。簡單的操作模塊，顧客只需按照提示進行操作，即可完成結(jié)算。這樣既節(jié)省了顧客的寶貴時間，也為商家減少了人力的投入，真正實現(xiàn)了超市無人化。

1 自動識別稱重裝置系統(tǒng)組成及方案設(shè)計

該系統(tǒng)由軟件和硬件兩部分組成。

硬件包括核心控制器STM32F103ZET6 單片機、OV5640 攝像頭、液晶顯示屏、壓力傳感器及其HX711AD 轉(zhuǎn)換模塊等。第76 頁圖1 為電路原理圖。攝像頭圖像采集模塊實時采集當前待稱重的蔬果圖像信息，并將該信息傳給STM32 單片機；運行于STM32 單片機上的AI 圖像識別程序通過分析蔬果圖像信息以識別當前待稱重蔬果的種類（該步驟為本項目實施的重點內(nèi)容）；然后稱重模塊將重量數(shù)據(jù)傳給STM32 單片機，STM32 單片機再根據(jù)蔬果的種類與重量，計算出當前待稱重蔬果的價格，在顯示模塊進行顯示，并通過打印模塊打印出相應(yīng)的價格標簽。軟件部分依據(jù)上述自動識別系統(tǒng)編寫。

2 自動識別稱重裝置硬件設(shè)計

2.1 STM32F103ZET6 單片機

單片機作為本科研項目的核心部件，選用STM32F 系列產(chǎn)品，屬于中低端的32 位ARM 微控制器，為高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計，十分適合智能系統(tǒng)的研發(fā)。其內(nèi)核為ARM32 位Cortex-M3 CPU，最高72 MHz 工作頻率，具有高可靠計算速度，為實現(xiàn)自動識別算法提供了可靠的硬件基礎(chǔ)。STM32F103ZET6 單片機采用144引腳的設(shè)計，其中GPIO 口多達112 個，提供多輸入多輸出端口，方便數(shù)個模塊同時接入。除了模擬輸入，所有端口都可以被映射到16 個外部中斷向量, 并且允許5 V 以內(nèi)的端口輸入電壓。STM32F103ZET6 單片機具有豐富的通信接口：USART 接口（攝像頭圖像采集模塊使用）、IIC 接口（稱重模塊使用）、SPI 接口（顯示模塊與網(wǎng)絡(luò)連接模塊使用） 以及其他接口等[1]。

圖1 電路原理圖

2.2 攝像頭圖像采集模塊

攝像頭圖像采集模塊是單片機的眼睛，必須保證其采集圖像的清晰度，同時也要滿足低功耗、體積小、便于連接等特點。OV5640 是一款CMOS 類型數(shù)字圖像傳感器，它具有體積小，工作電壓低等特點，最大像素也可達到30萬（640×480 分辨率），適合作為本項目的圖像采集模塊。輸出圖像數(shù)據(jù)采用VGA 時序，支持YUV（422/420）、YCbCr422 以及RGB565 數(shù)據(jù)格式，可以進行伽馬曲線、白平衡、飽和度、色度等基礎(chǔ)處理，補償所采集的圖像，為自動識別算法提供了辨識度高的圖像，提高了結(jié)果的準確度[2]。

圖2 為OV5640 圖像傳感器與單片機引腳連接示意圖，其中共有8 條并行數(shù)據(jù)線，分別接單片機的PB8～PB15；VDD 接3V3；GND 接地；其余為控制信號線，其中SIO_C 為SCCB 接口的控制時鐘線；SIO_D 為SCCB 接口的串行數(shù)據(jù)輸入端；VSYN為幀同步信號（輸出信號） 端；HREF 為行同步信號（輸出信號） 端；PCLK 為像素時鐘（輸出信號）端；XCLCK 為時鐘信號（輸入信號） 端；RRST 為讀指針復(fù)位信號端；WRST 為寫指針復(fù)位信號端；OE 為輸出數(shù)據(jù)使能端；WEN 與HREF 共同控制FIFO 的WE 引腳，當WEN 與HREF 同時為高電平時，WE 為低電平，OV5640 可向FIFO 寫入數(shù)據(jù)。

圖2 攝像頭圖像采集模塊接口圖

2.3 稱重模塊

稱重模塊采用HX711 AD，該模塊將壓力傳感器檢測到的重量轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳輸給單片機，保留了傳統(tǒng)電子秤的精確度。HX711 AD 模塊為24 位高精度模塊，帶有放大器功能，IO 口時序簡單，類似于I2C 接口，方便使用，故采用此模塊來替代放大器，并進行數(shù)模轉(zhuǎn)換[3]。

壓力傳感器與HX711AD 共有4 根信號線連接，用來采集傳感器應(yīng)壓片的差壓信號，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)化，傳遞至單片機。單片機與HX711AD 連接，其中VCC 用來供5 V 電壓，GND 接地，DT 為串口數(shù)據(jù)輸出線，SCK 為串口時鐘輸入。其連接見圖3。

2.4 顯示模塊

圖3 稱重模塊接口圖

顯示模塊作為信息輸出的終端，將自動識別算法和最終要顯示的信息通過可觀的形式，顯示在屏幕上，方便用戶獲取結(jié)果。ILI9341 是一種薄膜晶體管（Thin Film Transistor，TFT） 液晶顯示器，具有26萬色的240RGB×320 像素顯示解決方案。ILI9341 支持并行8/9/16/18 位數(shù)據(jù)總線MCU 接口，6/16/18 位數(shù)據(jù)總線RGB 接口和3/4 線串行外圍接口（SPI）。窗口地址功能內(nèi)部GRAM 可以制定移動圖像區(qū)域。選擇性更新指定的窗口區(qū)域，這樣可將所選的靜止區(qū)域和移動區(qū)域同時顯示。在設(shè)計重量顯示程序時，只需要將商品的重量信息設(shè)為移動區(qū)域，其余為靜止區(qū)域，減少屏幕的刷新頻率，大大降低系統(tǒng)消耗功率[4-6]。

ILI9341 與單片機連接見第77 頁圖4。其中DB0～DB15 為并行數(shù)據(jù)輸入/輸出端；有5 條GND地線；VCI 接3V3 電源；IOVCC 為數(shù)字電路電源（1.65 ～3.3 V）；CS_MAIN 接LCD_CS，為 片 選 端（低有效）；RS 接LCD_RS，為命令/數(shù)據(jù)輸入端（0：命令，1：數(shù)據(jù)）；WR 接LCD_WR，可以向LCD 寫入數(shù)據(jù)控制端；RD 接LCD_RD，可以從LCD 讀出數(shù)據(jù)控制端；LCD_RESET 接LCDRESET為復(fù)位管腳（低有效）；其中3 個NC 口懸空，不接線。同時該屏幕有觸摸控屏功能，因為本項目沒有用到，所以不在此贅述。

2.5 網(wǎng)絡(luò)連接模塊

圖4 顯示模塊連接圖

網(wǎng)絡(luò)模塊是自動識別算法實現(xiàn)的核心，將采集的圖像信息上傳至百度云智能識別平臺，通過AI算法，得到一系列結(jié)果并下傳至單片機，單片機便可做后續(xù)處理。W5500 是一種簡單易用的硬件化以太網(wǎng)接入方案，可以使單片機實現(xiàn)與互聯(lián)網(wǎng)的連接。硬件協(xié)議棧的方式可以建立快速高效的連接，簡化產(chǎn)品開發(fā)方案，降低編程的工作量。它代替了以往的單片機來處理這些中斷請求，單片機只負責向用戶的應(yīng)用層數(shù)據(jù)，其他層全部由外圍WIZnet芯片完成。這種工作方式做了幾乎所有的TCP/IP協(xié)議工作，大大減少了單片機的中斷次數(shù)，使單片機可專注于其他工作。而且硬件化的電路處理協(xié)議會更加快速、穩(wěn)定。對于有限的內(nèi)存來說，這套方案的代碼量僅有10 KB 左右，主要是完成對Socket的編程以及寄存器的調(diào)用，遠小于軟件協(xié)議方案。同時硬件化的邏輯門電路彌補了網(wǎng)絡(luò)協(xié)議安全性不足的短板，網(wǎng)絡(luò)攻擊和病毒對它無效，免受安全問題的困擾。

3 自動識別稱重裝置軟件設(shè)計

用戶將商品放置在壓力傳感器上，同時傳感器將商品重量通過HX711 數(shù)模轉(zhuǎn)換并發(fā)送至單片機；攝像頭采集模塊自主采集商品圖像并將商品圖片信息發(fā)送至單片機。單片機通過W5500 連接互聯(lián)網(wǎng)，并與百度AI 智能識別平臺實現(xiàn)互聯(lián)。用戶在按下“結(jié)算”按鍵后，單片機將圖像信息上傳到百度AI智能識別平臺，經(jīng)過云計算，得到商品信息，由于得到結(jié)果是該圖像的一系列識別結(jié)果及其置信度，單片機自動選取置信度最高的結(jié)果作為所得商品信息，調(diào)用事先錄入的商品單價，通過函數(shù)計算得到最終的結(jié)果，即商品品名、單價和總價（見第78 頁圖5）。

如果用戶發(fā)現(xiàn)所識別商品信息與實際不符，可以選擇重新識別。用戶需要按下“重新識別”按鍵，液晶屏顯示“請調(diào)整商品角度并進行重新識別”，待重新調(diào)整結(jié)束，用戶繼續(xù)結(jié)算，系統(tǒng)便可重新識別產(chǎn)品。

若攝像頭、傳感器、網(wǎng)線未插好，液晶屏?xí)@示“設(shè)備未準備好，請先檢查設(shè)備”。待用戶重新接線后，系統(tǒng)自動重啟并初始化，重新檢測接線狀態(tài)，若接線信號無誤，便可正常運行。

4 自動識別稱重裝置實驗結(jié)果及分析

圖5 程序流程圖

本項目最核心的技術(shù)是運用物聯(lián)網(wǎng)，將單片機與互聯(lián)網(wǎng)連接，實現(xiàn)自主識別功能。這是未來自動化技術(shù)發(fā)展的大趨勢，同時百度云智能識別平臺已具備成熟的技術(shù)，可以供開發(fā)者調(diào)用，又能大大降低編程的難度，是極好的實施方案。

在調(diào)試中，發(fā)現(xiàn)在沒有連接攝像頭和壓力傳感器時，LCD 液晶屏?xí)霈F(xiàn)白屏的情況，這是因為程序在沒有傳感器信號傳回時，程序不能自主跳到下一步。所以在原有程序的基礎(chǔ)上添加了檢測程序，當單片機檢測到?jīng)]有信號后，會提示用戶“設(shè)備未準備就緒”，提醒用戶檢查接線是否正確，待用戶重新接線后，便可繼續(xù)使用。

考慮到在特殊情況時沒有網(wǎng)絡(luò)，自動識別系統(tǒng)將無法使用，為了使電子秤繼續(xù)使用，可以選擇將其調(diào)至傳統(tǒng)工作模式，即需要人工輸入商品信息該稱重裝置才能正常使用。所以添加傳統(tǒng)超市電子秤子程序，顯示并打印商品的信息，保證了商戶的正常運作。

5 結(jié)束語

該稱重裝置結(jié)構(gòu)合理，既實現(xiàn)了自動識別功能，同時也兼容了傳統(tǒng)電子秤的性能，方便用戶使用，以實現(xiàn)無人超市為目標，體現(xiàn)了較強的過渡性，充分考慮目前市場需求，具有良好的應(yīng)用前景和市場推廣價值。

在接下來的研究中，考慮構(gòu)建自己的圖像識別系統(tǒng)，以便在離線的情況下也可以具有自動識別功能，進一步改善系統(tǒng)性能。