基于樹莓派學(xué)生就餐計費系統(tǒng)設(shè)計

苗奎 張杰超 張明瀚

摘 要：高校食堂學(xué)生就餐人數(shù)多，就餐等待時間長。本文針對這一問題，設(shè)計了基于樹莓派的學(xué)生就餐計費系統(tǒng)，以重力傳感器數(shù)據(jù)判斷學(xué)生選擇菜品，以Python開發(fā)計費系統(tǒng)界面程序，以完成價格結(jié)算，節(jié)省人工計費時間，縮短學(xué)生就餐等待時間。

關(guān)鍵詞：樹莓派;自動計費;學(xué)生;就餐

1 緒論

高校學(xué)生人數(shù)眾多，學(xué)生就餐時間較為集中[1]，中午第四節(jié)課下的就餐問題尤為突出，容易造成學(xué)生就餐擁堵問題，甚至部分學(xué)生為避開就餐高峰期而改變就餐規(guī)律，引發(fā)相關(guān)疾病。此外，在春秋季節(jié)，學(xué)生中午休息時間短，就餐時間過長容易造成學(xué)生休息時間不夠，影響學(xué)生聽課效率。為此，有學(xué)者研究了學(xué)校食堂窗口數(shù)和學(xué)生排隊關(guān)聯(lián)性問題[2]，通過優(yōu)化食堂窗口數(shù)量，節(jié)省學(xué)生的排隊時間，降低學(xué)生就餐擁堵。但學(xué)校的窗口數(shù)量并不會一直保持在最優(yōu)窗口數(shù)。窗口數(shù)量會隨著各自窗口的營收額度發(fā)生變化，虧本的窗口勢必不會再續(xù)租甚至提前退租。若退租窗口數(shù)量較多，短時間內(nèi)必然又會引發(fā)學(xué)生就餐擁堵問題。而文獻(xiàn)[3]則通過仿真技術(shù)手段模擬食堂窗口工作人員的服務(wù)時間和學(xué)生排隊之間的關(guān)系，指出提高工作人員服務(wù)時間也可縮短學(xué)生就餐時間，但食堂工作人員素質(zhì)大多數(shù)較低，服務(wù)意識較差，并不能一直保持高水準(zhǔn)的服務(wù)。

為此，有學(xué)者通過節(jié)約學(xué)生就餐結(jié)算時間達(dá)到縮短學(xué)生就餐時間的目的。文獻(xiàn)[4]采用射頻識別技術(shù)讀取每個餐盤預(yù)先設(shè)置的菜品及價格信息，從而進(jìn)行價格結(jié)算和自動扣費，但該方法使用的餐盤需要單獨定制，數(shù)量多，總價高。針對此問題，文獻(xiàn)[57]提出采用不同顏色的菜盤，以菜盤顏色區(qū)分菜價，應(yīng)用圖像識別技術(shù)，識別菜盤顏色的，進(jìn)而實現(xiàn)自動結(jié)算功能，但系統(tǒng)為穩(wěn)定性不高，識別誤差率較大。文獻(xiàn)[8]應(yīng)用成熟的OpenCV技術(shù)提高了圖像識別成功率，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但采用圖像識別技術(shù)需要高精度攝像頭、托盤傳感器等高費用硬件裝置，且圖像識別技術(shù)存在識別準(zhǔn)確率無法達(dá)到100%的問題，會出現(xiàn)誤判的情況，反而會引發(fā)意外糾紛，延長學(xué)生就餐時間。

本文針對上述就餐自動計費系統(tǒng)存在的問題，本文設(shè)計了基于樹莓派的學(xué)生就餐自動計費系統(tǒng)。以重力傳感器數(shù)據(jù)判斷學(xué)生選擇菜品，以Python開發(fā)計費系統(tǒng)界面程序，以完成價格結(jié)算，節(jié)省人工計費時間，縮短學(xué)生就餐等待時間。

2 系統(tǒng)設(shè)計

為滿足就餐計費自動結(jié)算目的，同時考慮設(shè)備造價和運(yùn)營成，本文采用重力傳感器判斷學(xué)生選擇的菜品，通過樹莓派處理相關(guān)信息，實現(xiàn)就餐計費自動結(jié)算，重力傳感器和樹莓派布置如圖1所示。樹莓派是一種高性能、價格低廉的微型電腦，采用ARM架構(gòu)，可運(yùn)行Linux系統(tǒng)，第四代樹莓派處理器運(yùn)行速度達(dá)到1.5GHz，其性能遠(yuǎn)高于單片機(jī)。由于樹莓派運(yùn)行Linux系統(tǒng)，樹莓派可采用Python語言作為系統(tǒng)開發(fā)程序語言，該語言具有簡單、易懂的特點，且?guī)煳募^多，適用于中小型項目。為了存儲和更改學(xué)生信息，本文采用MySQL數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫具有成本低、速度快的優(yōu)勢。

2.1 硬件組成

本文設(shè)計的樹莓派學(xué)生食堂自動計費系統(tǒng)硬件部分由以下幾個器件組成：

（1）重力傳感器：用于判斷學(xué)生選擇的菜品。食堂各菜品下安裝重力傳感器，學(xué)生選擇該菜品時，該菜品重力下降。

（2）樹莓派：數(shù)據(jù)處理。根據(jù)學(xué)生選擇的菜品，自動計算價格，并進(jìn)行結(jié)算。

（3）顯示器：計費結(jié)果展示。用于展示學(xué)生一卡通信息和費用結(jié)果。

（4）讀卡器：讀取學(xué)生一卡通信息。

2.2 軟件設(shè)計

本文設(shè)計的學(xué)生食堂自動計費系統(tǒng)軟件程序處理過程如圖2所示。

樹莓派讀取重力傳感器信息，判斷學(xué)生選擇的菜品。根據(jù)系統(tǒng)中預(yù)先設(shè)置的菜品單價，計算本次就餐費用。讀取學(xué)生一卡通余額信息，將更改后的余額信息寫入學(xué)生一卡通信息數(shù)據(jù)庫和一卡通芯片，并展示學(xué)生的本次就餐費用。本次測試采用華為Nova5z手機(jī)，重量為178克，430克平板，樹莓派讀取重力傳感器信息，如圖3所示。

根據(jù)樹莓派稱重結(jié)果，判斷學(xué)生選擇的菜品，進(jìn)而計算學(xué)生消費金額。本文根據(jù)食堂快餐的實際售價情況，將所有菜品分為特價菜、素菜、葷素、葷菜四種類型，特價菜指價格較為低廉的菜品，通常定價為0.5元，素菜定價為1.5元，葷素菜定價為3.5元，葷菜定價為5元。當(dāng)工作人員打取某一區(qū)域菜品，該菜品重量必然下降，樹莓派檢測傳感器信號，若重量下降，則可認(rèn)定為學(xué)生購買了該菜品，其過程如圖4所示。

同時，樹莓派讀取學(xué)生一卡通信息和相應(yīng)數(shù)據(jù)庫信息，將計算后的消費數(shù)據(jù)寫入一卡通和數(shù)據(jù)庫，更改數(shù)據(jù)庫和一卡通信息。本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫采用MySQL數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫具有成本低、速度快的優(yōu)勢，十分適合用于小型管理系統(tǒng)。為方便創(chuàng)建和管理數(shù)據(jù)庫信息，本文利用數(shù)據(jù)庫管理工具Navicat創(chuàng)建和管理數(shù)據(jù)庫，創(chuàng)建的數(shù)據(jù)庫主要由菜品、訂單細(xì)節(jié)、學(xué)生信息等部分組成，如圖5所示。

2.3 軟件界面設(shè)計

本系統(tǒng)軟件界面開發(fā)采用Python語言自帶的界面開發(fā)庫Tkinter完成，運(yùn)行結(jié)果如圖6所示。

3 結(jié)論

高校學(xué)生就餐時間較為集中，為縮短學(xué)生就餐時間，更好地實現(xiàn)錯峰就餐，設(shè)計了基于樹莓派的學(xué)生就餐自動計費系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有可靠性高、經(jīng)濟(jì)性高的特點。

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基金資助：大學(xué)生創(chuàng)新項目學(xué)生就餐自動計價扣費裝置（項目編號：yxkc201941）