楊佳穎 李光明 韋玉崇 陳紅艷 吳昌蘭

關(guān)鍵詞：智能代步；導(dǎo)購系統(tǒng)；防撞系統(tǒng)；經(jīng)濟；便捷

早在1898年美國就發(fā)明了超市購物車，經(jīng)不斷改良設(shè)計后，在1937 年投入市場，逐步成為超市的標(biāo)配[1]，我國大型超市中以支架型購物車為主。隨著科技的發(fā)展，人們的生活質(zhì)量不斷提高，在日常超市購物上也提出了新的需求，如減少挑選時間和排隊付款時間，商品位置清晰，商品信息全面可自動比選，購買推薦，必買品、促銷品、臨期品等提示，購物過程釋放雙手等。目前傳統(tǒng)的手提籃購物存在容量小、費力，或手推購物車購物存在搜尋目標(biāo)商品不便捷、體力消耗大、商品難選擇等諸多問題，為解決上述問題，智能購物車便應(yīng)時而生。2008年微軟開發(fā)了MediaCart智能購物車，實現(xiàn)向消費者提供超市商品信息和計算所選商品價格的購物車[2]。2011年韓國SK Telecom公司推出一款“Smart Shopper”智能推車，與MediaCart不同的是節(jié)約了消費者在超市選購商品的時間，SmartShopper支持導(dǎo)入購物清單，在智能購物車的引導(dǎo)下完成購物[3]。國內(nèi)以傳統(tǒng)購物車為基礎(chǔ)開發(fā)了諸多購物車，結(jié)構(gòu)上通過外觀改進、增加剎車裝置、各種傳感器、識別裝置、顯示裝置等[4-6]，硬件上以Arduino、STM32單片機為核心設(shè)計各功能電路[7-8]，軟件上開發(fā)了“商品識別、稱重和計價系統(tǒng)，商品導(dǎo)購系統(tǒng)，商品信息查詢系統(tǒng)”等[9-11]，智能購物車已基本具備較好的安全性，能夠?qū)崿F(xiàn)掃碼結(jié)算、商品查詢、票據(jù)打印、購物導(dǎo)航等功能，在部分超市中已有試用。

上述研究雖解決了智能購物的諸多問題，但仍存在設(shè)計的購物車結(jié)構(gòu)復(fù)雜、對傳統(tǒng)購物車改動較大、增加的部件和功能模塊較多、成本較高，市場推廣較難等問題。為降低智能購物車成本，提高購物便捷性和購物效率，本文將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與傳統(tǒng)購物車相結(jié)合，設(shè)計了一種大型超市智能代步購物車，實現(xiàn)解放雙腳、在導(dǎo)航的引導(dǎo)下自由購物。在一定程度上減少了購物者在購物時的體力消耗，能夠輕松、快捷、高效選購到滿意的商品，同時提高了商場的運行效率，能降低商場部分運營成本，實現(xiàn)商家和消費者的雙贏。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

智能代步購物車整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，購物車為“人”字式，設(shè)計容量100升，選用不銹鋼金屬組裝而成，整體由六部分構(gòu)成，即代步行走裝置（1）、儲物筐支架（2）、儲物筐（3）、移動終端設(shè)備支架（4）、防撞裝置（5）、轉(zhuǎn)向輪（6），整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

（1） 代步裝置。為實現(xiàn)解放雙腳輕松購物，對傳統(tǒng)的“人”字型購物車進行改裝，即將“人”字型購物車的后輪改裝為電動平衡代步裝置，如圖2所示。圖中101為代步裝置車輪防護蓋，通過螺栓與車身連接，起防護作用，防護鞋帶、褲腳等纏進車輪中，導(dǎo)致車輪不能正常轉(zhuǎn)動；102為踏板，供購物人站立用，由四顆螺栓與下方的傳感器相連接，踏板下側(cè)安裝有傳感器，用于檢測平衡車姿態(tài)；103為嵌入右邊車身的隱藏式電源開關(guān)；104為車身，整體為鋼結(jié)構(gòu)，外側(cè)采用塑料件防護，車身與驅(qū)動輪通過連接軸（106） 連接，上部安裝踏板，內(nèi)置電路控制模塊、平衡感應(yīng)模塊、電源模塊等幾部分；105為驅(qū)動輪，內(nèi)置驅(qū)動電機，左右兩側(cè)各1個；為不影響操控平衡車，在連接軸中部套裝一個軸承（107） ，購物車支架后腿穿過防護罩（101） 上開設(shè)的條形槽后與軸承外側(cè)焊接連接，當(dāng)購物者站立于踏板上后，即可控制平衡車按照導(dǎo)航自由行走。

（2） 支架與購物筐。支架設(shè)計為“人”型結(jié)構(gòu)，采用不銹鋼管材制作，用于支撐儲物筐，前端安裝一組可360度旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)向輪，后端連接在代步裝置的連接軸上。儲物筐采用不銹鋼鋼筋編織焊接而成，設(shè)計容積100升，為了能使消費者更加輕松快捷地購物，在購物車兩手柄間設(shè)計了一個移動終端支架，購物時消費者可將內(nèi)置智能導(dǎo)航系統(tǒng)的移動終端放置在支架上，通過移動終端搜索所需商品便可生成導(dǎo)航指引消費者到相應(yīng)區(qū)域購物。在移動終端支架的下方設(shè)計的大支架可作為幼兒座椅，兩個支架在相同的方位，帶小孩子的消費者也可以在照顧小孩的同時使用導(dǎo)航。

（3） 防撞裝置。為避免因購物車被填滿出現(xiàn)視覺死角而發(fā)生撞車事件，在購物車前端下方安裝紅外線報警裝置，利用紅外線傳播需要時間的特點計算出購物車與障礙物的距離，當(dāng)距離小于15cm時發(fā)出警報避免發(fā)生撞車帶來危險，提高購物車的安全系數(shù)。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 代步裝置系統(tǒng)設(shè)計

代步裝置系統(tǒng)框圖如圖3所示，裝置以STM32控制器為核心，控制器接收并處理姿態(tài)檢測傳感器和距離檢測傳感器采集的傾角、角速度、速度和距離等信息，輸出電機控制信號（PWM） ，對車輪電機進行控制，實現(xiàn)控制購物車前進、后退、轉(zhuǎn)向、加速、減速、停止等。圖中電源模塊負責(zé)給代步裝置各功能模塊和防撞系統(tǒng)提供電源；傳感器模塊負責(zé)采集和處理代步裝置姿態(tài)信息，并生成控制信息輸入控制器；通信模塊負責(zé)與上位機的通信并傳遞代步裝置檢測和行駛信息；電機驅(qū)動模塊負責(zé)對電機控制信息的實現(xiàn)，并將電機運行速度反饋至控制器進而實現(xiàn)代步裝置的平衡行駛。

2.1.1 控制器模塊

綜合考慮成本和性能需求，控制器采用STM32F407最小單元系統(tǒng)設(shè)計[12]，負責(zé)處理傳感器采集的數(shù)據(jù)信息并生成控制信號，并將控制信號傳遞給各功能模塊，實現(xiàn)對代步裝置的動態(tài)平穩(wěn)控制。該控制器具有數(shù)據(jù)傳輸速率快、效率高、配置靈活、功耗低、可擴展等特點，集成FPU和DSP指令，采用32位高性能ArmCortex-M4處理器，最高主頻可達168MHz，能夠?qū)崿F(xiàn)高速采樣計算處理，具有192KB的靜態(tài)隨機存取存儲器和1024KB的閃存。STM32F407有多個I/O端口，支持SWD和JTAG兩種調(diào)試接口，外設(shè)豐富，多達17個定時器和17個通信接口（3個I2C接口、6個串口、3個SPI接口、2個CAN2.0總線接口和2個USB接口），3個12位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC） 和2個12位數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器（DAC） ，支持雙采樣和保持功能，電源電壓1.8～3.6V。

2.1.2 供電模塊

系統(tǒng)采用36V鋰電池組供電，為滿足各模塊不同供電電壓的需求，設(shè)計采用SL1509HV和AMS1117降壓芯片對電池組進行二級降壓處理，分別穩(wěn)定輸出3.3V、5V二級電壓，其中3.3V供控制器模塊和傳感器模塊，5V供電機驅(qū)動模塊和防撞系統(tǒng)。SL1509HV芯片輸入電壓5.0～48V，輸出電壓可調(diào)或5V，輸出電流2A，工作頻率150kHz，靜態(tài)電流5mA。AMS1117芯片輸入電壓3～12V，輸出電壓3.3V。

2.1.3 傳感器模塊

采用ENC-03型角速度傳感器和MMA7260型加速度傳感器負責(zé)采集代步裝置姿態(tài)信息（傾斜角度、角速度、加速度），并將信息輸入控制器處理后輸出控制信息，實現(xiàn)準(zhǔn)確控制代步裝置的速度、方向和平衡。ENC-03角速度傳感器具有體積小、重量輕、響應(yīng)快、功耗低、成本低等優(yōu)勢，能輸出與角速度成正比的模擬電壓信號，供電電壓2.7～5.25V，最大角轉(zhuǎn)速為±300deg/s，比系數(shù)為0.67mV/ （deg·s），響應(yīng)頻率50Hz；MMA7260三軸加速度傳感器具有靈敏度高、功率消耗小、穩(wěn)定性好等特點，能精準(zhǔn)讀取平衡車行駛姿態(tài)，功耗500μA，工作電壓3.3V。

此外為獲得代步裝置行駛速度和方向，采用霍爾編碼器（旋轉(zhuǎn)式傳感器）檢測，STM32F104控制器接收編碼器輸入的A、B兩相脈沖信號并計算出代步裝置的速度矢量，速度測量如公式（1） [13]所示。

式中：v（t）、v（△t）分別為車輪線速度和初速度；n（△t）為v（△t）速度下，△t 時間內(nèi)控制器接收的信號個數(shù)，v（△t）/n（△t）為編碼器分辨率；r 為代步裝置車輪半徑。

2.1.4 驅(qū)動模塊

該模塊采用ST公司生產(chǎn)的L298N雙H橋直流電氣驅(qū)動芯片，具有工作電壓高、輸出電流大，最高工作電壓和持續(xù)工作電流分別可達46V 和2A 等特點。L298N可直接對代步裝置左右兩側(cè)直流電機進行控制，并利用主控制器的I/O輸入來調(diào)節(jié)電動機的控制電平，該方法具有操作簡單、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，實現(xiàn)控制電機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、制動和停止。電機驅(qū)動流程如圖4所示。

2.1.5 串口通信模塊

串口通行模塊采用MAX232芯片，包括2個驅(qū)動器、2個接收器和一個提供TIA/ElA-232-F電平的電壓產(chǎn)生電路，用于解決將單片機輸出的TTL電平至232電平，直流+5V供電。

2.2 導(dǎo)購系統(tǒng)設(shè)計

導(dǎo)購系統(tǒng)可開發(fā)為移動終端內(nèi)的微信小程序或獨立開發(fā)智購App。本階段利用微信開發(fā)者工具，借助小程序模板建立一個程序模板，即“智購商場”微信小程序，如圖5所示，購物者需打開微信的GPS權(quán)限，系統(tǒng)分商家端和消費者端兩部分。

2.2.1 商家端口

為商家提供地圖導(dǎo)入端口，各個商家可導(dǎo)入自己店鋪

平面圖，借助手機GPS定位系統(tǒng)進行后期現(xiàn)場商品定位調(diào)試，確定各類商品定位圖，以減少導(dǎo)航時的誤差。各類商品名稱和位置支持修改，由商家自行命名（例如：使用商品名稱，薯片、可樂、口香糖等）。若物品位置有所更改，各地點名字也可以隨時更換。

商家還可以根據(jù)自己的需求成立自己的跑腿部門或者聯(lián)系跑腿公司，在小程序上添加外賣服務(wù)，進行線上商品銷售。

2.2.2 消費者端口

消費者進入商場后打開微信開啟小程序，系統(tǒng)根據(jù)定位自動匹配相應(yīng)的商場。消費者可根據(jù)商家的命名方式進行位置查找（例如：輸入所需商品名稱，系統(tǒng)根據(jù)定位自動生成路線進行導(dǎo)航）。

2.3 防撞系統(tǒng)設(shè)計

為提高購物車在行駛過程中的安全性，設(shè)計了紅外線報警系統(tǒng)，通過報警燈和蜂鳴器提示購物車在行駛過程中將撞到商品、行人或其他設(shè)施的警告。防撞系統(tǒng)電路如圖5所示，LM324AJ四運算放大器中UC1、UC2 的輸出端分別連接紅外線發(fā)射管D1 和接收管D2，在無遮擋或障礙物超過監(jiān)測范圍時，接收管D2截止，發(fā)光二極管和蜂鳴器不工作，當(dāng)障礙物距購物車距離小于15cm時，接收管D2接收到紅外光，其負極電壓急速下降，二極管導(dǎo)通，發(fā)光二極管逐漸變亮和蜂鳴器響，距離越近，導(dǎo)通電流也大，聲光報警越強烈，提示購物車需要避障。

經(jīng)模擬仿真和實物測試，設(shè)計的報警系統(tǒng)能得到很好的避障提示，當(dāng)購物車距離障礙物距離小于15cm 時，發(fā)光二極管和蜂鳴器工作，提示前方有障礙物。

3 經(jīng)濟性分析

設(shè)計的智能代步購物車，主要技術(shù)參數(shù)：容量100 升、額定電壓36V、額定容量236Wh、電機700W（350W×2個）、最大續(xù)航15km、載重15～100kg、平均充放電500次。以傳統(tǒng)的“人”字型手推式購物車相比，減少了一對萬向輪，更換為電動智能代步裝置，增加了一個防撞報警裝置和移動端導(dǎo)購系統(tǒng)。以一個1萬平方米的大型超市為例，購物車和導(dǎo)購員分別按100m2/個、200m2/個、導(dǎo)購員工資3500元（/ 月·人）計，從投資成本和使用成本兩個方面對比分析智能代步購物車的經(jīng)濟性。

（1） 投資成本分析：參考京東平臺同容積手推車式和10寸兩輪平衡價格，單臺購物車投資成本如表1所示，傳統(tǒng)“人”字型購物車和智能代步購物車成本分別為300元/臺×100臺=3萬元、1 195元/臺×100臺+智購商場程序開發(fā)=11.95萬元+5萬元=16.95萬元。

（2） 使用成本分析：以一年周期測算，傳統(tǒng)“人”字型購物車使用時除需要配置導(dǎo)購員發(fā)生費用外，其他維護費用不計，則此部分費用為50人×3 500元（/ 月·人）×12月=210萬元；智能代步購物車可直接減少導(dǎo)購人員數(shù)量，保守估計減少導(dǎo)購人員50%，則此部分費用為25人×3 500元（/ 月·人）×12月=105萬元，此外智能代步購物車還會發(fā)生充電費用，每臺購物車按50%放電深度、每天充一次電計，則此部分費用為1.2元/kWh×0.236kWh/臺×50%×100 臺×365=5 168 元；智購商場App維護費，按1萬元/年計。

經(jīng)對比分析，智能代步購物車初期投入成本約是傳統(tǒng)購物車的5.5倍，但在使用成本上智能購物車遠低于傳統(tǒng)購物車，僅是傳統(tǒng)購物車的51.2%，自第2年起，智能代步購物車較傳統(tǒng)購物車每年可節(jié)省102.5萬元費用，具有很好的經(jīng)濟性。此外，代步裝置和使用導(dǎo)購系統(tǒng)，極大地降低了購物者體力消耗，實現(xiàn)輕松、快捷、高效購物。

4 結(jié)論

本購物車以電動平衡代步裝置代替?zhèn)鹘y(tǒng)“人”字型購物車后輪，實現(xiàn)了輕松、自由購物；開發(fā)“智購商場”微信程序，實現(xiàn)線上比選、導(dǎo)航指引購物；防撞系統(tǒng)提升購物車安全性；與傳統(tǒng)購物車相比，具有較好的經(jīng)濟性，使用成本約減少了50%，實現(xiàn)消費者與商家雙贏。