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的超市智能購物車

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

超市購物付款排隊時間久、效率低下、購物體驗差等問題長久存在，本設(shè)計基于上述問題推出一種更高效、性價比更高的智能購物車。智能購物車以STM32控制器為核心，通過條形碼識別、液晶觸摸屏實現(xiàn)商品查詢結(jié)算功能；WiFi技術(shù)實現(xiàn)多購物車與超市數(shù)據(jù)庫實時同步；聲磁防盜系統(tǒng)可以減少超市的財物損失，保障超市利益。智能超市購物車，緩解了手工結(jié)算緩慢，導(dǎo)致排隊付款時間過長的問題。降低超市成本，為超市創(chuàng)造更多的收益，達到超市和消費者雙贏的目的。

購物車；條形識別；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)時代發(fā)展，超市規(guī)模也在不斷擴大。針對于傳統(tǒng)的購物方式，人們對此提出了更高的要求，希望能有一種更加智能的、便捷的購物方式。由此具有自主結(jié)算的智能購物車的概念由此而生。目前國內(nèi)市的購物車都是用RFID作為防盜標(biāo)簽，價格昂貴，不易于安裝，不能廣泛用于市場。國外微軟公司與MediaCard推出了一種智能超市推車,推車能夠自動識別顧客的會員卡,還能展示超市內(nèi)商品的具體位置，但是價格高昂，防盜功能薄弱，市場認可度不高，在很長的一段時間內(nèi)不能實現(xiàn)市場產(chǎn)業(yè)化。

圖1 實物構(gòu)造圖

本智能購物車是對普通的購物車結(jié)構(gòu)加以改造，其構(gòu)造圖如圖1所示，購物車上配備一套電子設(shè)備，使其能夠完成自主購物功能。當(dāng)顧客選中一件商品時，在進行條形碼識別后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭壕э@示屏并快速消磁或加磁；在顧客確認結(jié)賬后系統(tǒng)便會通過無線模塊將顧客購物車內(nèi)的信息發(fā)回終端，終端會第一時間做出反應(yīng)，前臺收銀員便能隨時調(diào)出該購物車的商品信息進行快速結(jié)賬。本設(shè)計改變了超市的結(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)賬排隊擁擠的問題和降低超市成本。

1 軟件設(shè)計

本設(shè)計的軟件設(shè)計流程圖如圖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，便通過無線模塊將數(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)庫進行匹配，查找出與該條形碼值對應(yīng)的商品。然后再通過無線模塊將該商品的相關(guān)信息（商品名稱、價格等）反饋給STM32控制器，進而使液晶屏上呈現(xiàn)商品信息以便消費者查看。在購物過程中，聲磁防盜系統(tǒng)可以有效的保障超市的利益。當(dāng)用戶需要進行結(jié)賬時，可以將數(shù)據(jù)通過無線傳輸系統(tǒng)發(fā)送至收銀臺，實現(xiàn)簡單快捷的一鍵式付款。消費者對整個消費過程一目了然，購物掃碼環(huán)節(jié)全由消費者完成，從而達到自助購物的目的。

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，同時向外發(fā)送命令，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的快速處理和各外圍模塊的精確控制；E1005條形掃碼模塊用來查詢商品信息；無線充電模塊保證智能購物車的正常運行；無線通信模塊將商品總額傳輸至超市服務(wù)器，保證購物車與超市服務(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)用戶按下開機鍵時，購物車將自動連接到超市局域網(wǎng)保證數(shù)據(jù)實時同步。用戶利用購物車掃碼購物時，中央信息處理系統(tǒng)將接收用戶發(fā)送過來的指令，然后進行大量邏輯分析運算發(fā)出相應(yīng)命令，將相關(guān)信息發(fā)送到相關(guān)子系統(tǒng)進行相應(yīng)操作，并及時向用戶反饋信息。本設(shè)計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168MHz，價格低，性價比高，可多次開發(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，完全滿足超市購物車的性能需求。

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)計選用E1005條形掃碼模塊，該條形掃碼器結(jié)合了智能圖像識別技術(shù)，解決了超市商品條形碼掃描時圖像畸變和不平整的問題，從而保證了條形掃碼器讀取商品條碼的正確性與快速性，保證購物車掃描條碼的流暢性。E1005條形掃碼器支持自動連續(xù)掃描，用戶可以不用任何多余操作，只需要將條碼對準(zhǔn)掃描口就能完成掃碼過程。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、薄膜類、手機、平板等一維條碼；掃碼速度高達130次/秒；支持工業(yè)嵌入式開發(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，條形掃碼器通過以某個角度將光束發(fā)射到標(biāo)簽上并接收其反射回來的光線，反射的光線是一種模擬信號，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

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下才產(chǎn)生共振，在實際應(yīng)用中是目前性能最好的防盜系統(tǒng)。本設(shè)計在條形識別區(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，門口的磁性檢查器便會鳴叫報警。利用嵌入式系統(tǒng)的精確控制和快速處理在條形碼識別后在極短的時間內(nèi)進行消磁或加磁，從而解決顧客不掃碼便消磁和顧客途中取消某商品購買的問題。

3 測試

建立一個小型數(shù)據(jù)庫，里面包含商品的名稱、價格、條碼，用編譯成功的程序加STM32控制板測試實際情況中的條形掃碼的掃描可靠性、準(zhǔn)確性;無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是購物車的顯示界面，它可以顯示商品的名稱、條碼號、價格、數(shù)量、總價等基本信息，足以實現(xiàn)正常購物結(jié)算的功能。

圖7 顯示界面圖

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

圖8 條碼測試環(huán)境示意圖

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

表1 條碼識別測試數(shù)據(jù)

圖9 測試環(huán)境示意圖

測試結(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，才能完整的獲取條碼信息；在大于170mm時，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)心距離過近或太遠的問題。

無線數(shù)據(jù)傳輸測試，其測試環(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試通信距離、數(shù)據(jù)正確率。

空曠條件下，無線測試數(shù)據(jù)如表2所示：

表2 空曠條件下無線測試數(shù)據(jù)表

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

表3 障礙物條件下無線測試數(shù)據(jù)表

由表3可知，無線模塊在空曠條件下，有限傳輸距離可以達到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的有限傳輸距離無法滿足超市需求，但采用高速遠距離無線模塊，則價格昂貴，且不一定能滿足需求。無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，性價比高，廣泛用于校園、辦公樓的無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋。AP一般安裝在天花板，速度可以達到300Mbps/s，每隔100米安裝一個可以實現(xiàn)超市的網(wǎng)絡(luò)覆蓋，保證每個購物車與超市主機的連續(xù)通信。

圖10 AP組網(wǎng)工作原理圖

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

圖11 消磁加磁測試設(shè)備

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

聲磁防盜測試（防盜測試）：未消磁的物品在出超市時能否被防盜系統(tǒng)識別，防盜測試環(huán)境如圖12所示。

圖12 防盜測試

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

經(jīng)過實際測試，該購物車條碼掃描正確率百分之百，可靠運行時間大于一天，無線模塊傳輸速度、范圍、正確率均符合工業(yè)要求，聲磁防盜系統(tǒng)運行正常，足以應(yīng)付超市日常購物。

4 結(jié)論

國內(nèi)現(xiàn)有超市手推購物車只實現(xiàn)容器功能，并不具備自動結(jié)算功能，造成了大量的人力、物力、資源及時間的浪費。智能購物車具有條碼掃描、聲磁防盜、生成付款碼、整合購物信息等功能。核心創(chuàng)新點在于聲磁防盜，目前市面上的購物車都不能有效的做到防盜功能。本設(shè)計的聲磁防盜系統(tǒng)，可以有效的保障超市的利益。智能購物車可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的手工結(jié)算方式，消費者可以自己挑選商品然后掃描條形碼，智能購物車的使用，能夠極大的提高消費者的購物效率，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)新性實驗計劃項目；省級立項（項目編號：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：信號與信息處理。