基于攝像頭的智能購物車設計*

張子旋，張愛清

(安徽師范大學物理與電子信息學院, 安徽 蕪湖 241002)

0 引言

智能跟隨購物車是基于現(xiàn)代定位技術(shù)和通訊技術(shù)所創(chuàng)造出的符合用戶購物習慣的購物車。目前有兩種實現(xiàn)自動跟隨的方法：RSSI信號定位法和攝像頭識別跟隨法。RSSI指的是無線接收時的信號強度,一般與無線模塊發(fā)射端和接收端的距離成反比，若使用戶攜帶無線接收模塊的發(fā)射模塊和角度傳感器，只需由Shadowing模型

(1)

可得到收發(fā)端的距離d，其中d0為參考距離，Pr(d0)為參考距離的接收功率，Pr(d)表示距離為d時的接收功率[1]。再由角度傳感器所采集的購物車和用戶的角度信息得到二者角度差，購物車將控制安裝在四個車輪胎上的直流電機的轉(zhuǎn)速，控制購物車運動從而達到自動跟隨用戶的效果。

基于RSSI信號定位法自動跟隨購物車實現(xiàn)的根本在于其能夠獲得用戶、購物車位置信息，即無線信號大小(功率)與收、發(fā)端的距離滿足一定關(guān)系。而在本文的實驗中，室內(nèi)的RSSI信號與收、發(fā)端的距離并沒有明顯的關(guān)系且所測得RSSI值具有較大的噪聲，經(jīng)分析其原因為：其他無線設備對其信號造成干擾；熱噪聲。

基于攝像頭識別的自動跟隨購物車的跟隨功能實現(xiàn)的基本思想在于：網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的攝像頭布局覆蓋用戶和購物車的運動空間并采集其位置信息，因此此方法只適用于室內(nèi)。但相比于通過分析RSSI信號功率大小確定距離的方法，此方案計算出的用戶到購物車的距離更加準確。

1 智能購物車的結(jié)構(gòu)

實現(xiàn)此跟隨購物車所需的硬件有STM32F4智能芯片、OV2460攝像頭模塊、NRF24l01無線模塊、直流電機及其驅(qū)動模塊及TFT顯示屏模塊。

硬件系統(tǒng)設計主要基于STM32F407微控制器，內(nèi)置上電復位，按鍵中斷，時鐘輸出等控制電路，處理器包括32位內(nèi)存，浮點運算單元以及支持高效率，單周期指令的數(shù)字信號處理單元且主頻率高達168 MHz[2]。在本文的實驗中，使用OV2640模塊作為圖像采集模塊，該模塊通過SCCB總線控制，TFT顯示屏與OV2460攝像頭模塊組合使用顯示屏顯示OV2460攝像頭模塊所拍攝到的畫面，用戶可以完全控制圖像質(zhì)量，數(shù)據(jù)格式和轉(zhuǎn)儲方式，其圖像處理功能過程包括白平衡，對比度，色度且可通過編程控制[3]。由于顯示屏所顯示的顏色是用RGB表示，而以HLS作為不同顏色區(qū)別標準更加精準，因此，在程序中應添加將RGB格式轉(zhuǎn)化為HLS格式的程序[4]。無刷直流電機是具有梯形反電勢波的永磁電機,在實際控速中所用的方法是脈寬調(diào)制，也稱作PWM調(diào)制。由于無刷電機的轉(zhuǎn)速可通過PWM波控制，而所使用的STM32F4芯片很容易產(chǎn)生PWM波形，本文中所采用的控制直流電機轉(zhuǎn)速的方法皆為PWM波調(diào)制法[5]。

2 基于攝像頭的購物車實現(xiàn)方案

2.1 硬件實現(xiàn)

此方案硬件由兩個部分構(gòu)成：購物車組件和攝像頭組件，如圖1所示。其中購物車組件包括STM32F4智能微芯片、NRF24l01無線模塊、直流電機及其驅(qū)動模塊、亞力克小車底盤及所需電源。攝像頭組件包括STM32F4智能微芯片、OV2460攝像頭模塊、NRF24l01無線模塊、TFT顯示屏模塊及所需電源。其工作流程為：由多個攝像頭組件組成的攝像頭網(wǎng)絡覆蓋整個區(qū)域，對應的TFT顯示屏呈現(xiàn)其攝像頭所采集的圖像信息，由每個攝像頭組件內(nèi)的智能微芯片逐點掃描識別TFT有無用戶或者購物車(或用戶和購物車同被一個攝像頭組件識別到)，由TFT顯示屏所采集空間區(qū)域大小的實際面積與TFT顯示屏對該面積用像素表示的關(guān)系可得出每個像素點在實際空間中所代表的實際面積大小，將已識別的購物車和用戶在TFT顯示屏上的像素信息由此縮放關(guān)系換成位置坐標儲存在攝像頭組件的STM32F4智能微芯片中，并由公式(2)、(3)計算出此兩坐標點的距離d和相對角度a。

(2)

a=arctan(|y2-y1|/|x2-x1|).

(3)

得到用戶和購物車的實際位置關(guān)系后，攝像頭組件中的NRF24l01無線發(fā)送模塊將購物車與用戶的相對距離d和相對角度a傳遞給購物車組件的NRF24l01無線接收模塊，當購物車組件的STM32F4智能芯片對所接收的信息進行相應的邏輯處理后，將發(fā)送不同指令(不同的脈沖信號)給直流電機從而控制購物車的運動，即實現(xiàn)了購物車的自動跟隨。

圖1 硬件實現(xiàn)

2.2 軟件實現(xiàn)

對于攝像頭組件，STM32F4智能芯片中硬件初始化控制程序包括：初始化外部設備及其相應的所用的IO口，即初始化串口，設置串口波特率，初始化定時器，初始化OV2460模塊及ILI9342顯示屏模塊，初始化NRF24L01并設置其為發(fā)送模式。主函數(shù)所執(zhí)行的功能為：驅(qū)動攝像頭開始采集圖像信息并將其采集的信息顯示到顯示屏上，對TFT顯示屏每個像素點逐點掃描識別有無購物車或用戶，并由上文所描述的方法計算用戶與購物車的位置信息，通過無線模塊將相應的位置信息發(fā)送出去。對于控制攝像頭采集信息這一過程的程序(將每個像素點的RGB值存儲到STM32F4外接的SD卡中)放置在中斷函數(shù)里執(zhí)行，只有當攝像頭模塊采集完一幀畫面且將此幀畫面的數(shù)據(jù)信息保存好之后，才會結(jié)束中斷程序并轉(zhuǎn)到主程序執(zhí)行。由于攝像頭是靜止的，即一個攝像頭所拍攝的畫面是有限的，若希望攝像頭拍攝整個場地的畫面(購物車能在整個場地內(nèi)做跟隨用戶的運動)，則需要建立多組攝像頭組件對一個購物車組件的無線連接方式，如圖2所示，當攝像頭只采集到用戶的位置信息時將僅把用戶的位置信息傳遞給購物車組件，且在發(fā)送數(shù)據(jù)的末尾加上一位標志位數(shù)據(jù)以表明此數(shù)據(jù)是用戶。當攝像頭只采集到購物車位置信息時，僅把購物車的位置信息發(fā)送給購物車組件，且在發(fā)送數(shù)據(jù)的末尾處加一標志位，以表明此數(shù)據(jù)是購物車。同時，當購物車組件收到攝像頭組件傳來的數(shù)據(jù)僅為用戶或購物車的位置信息時，等待其他攝像頭組件傳遞與前一攝像頭組件互補的數(shù)據(jù)，因為在攝像頭網(wǎng)絡所覆蓋的區(qū)域內(nèi)一定可以識別到用戶和購物車，且每個攝像頭組件硬件條件幾乎相同，因此在對用戶或購物車識別所花費的時間也幾乎相等。僅當購物車組件收到用戶和購物車的位置信息后，才會進行數(shù)據(jù)處理，并計算出購物車應行駛的方向和速度。

1.天花板；2.用戶；購物車運動的水平面；3.一個攝像頭所能監(jiān)控的場地；4.一個攝像頭組件

對于購物車組件，STM32F4智能芯片中硬件初始化控制程序包括：初始化串口即設定其傳輸?shù)牟ㄌ芈?，并初始化定時器，配置產(chǎn)生PWM波所需要的IO口，初始化NRF24L01無線模塊?？刂朴蒒RF24L01接收和分析所接收數(shù)據(jù)部分程序在外部中斷函數(shù)執(zhí)行，定時器中斷函數(shù)主要用于產(chǎn)生所需要的PWM脈沖信號并將此脈沖信號傳遞給直流電機的信號輸入端，主函數(shù)執(zhí)行的功能為：依據(jù)外部中斷函數(shù)反饋的信息計算產(chǎn)生對應PWM脈沖信號的參數(shù)大小并將此參數(shù)傳遞到定時器中斷中，其表現(xiàn)功能是控制購物車的行駛，使購物車按照用戶的軌跡運動，達到自動跟隨用戶的效果。這樣安排程序執(zhí)行結(jié)構(gòu)是為了提高購物車自動跟隨的準確率，減少硬件損壞以及節(jié)約時間，由于主函數(shù)的作用是控制購物車的四個電機的轉(zhuǎn)速也即控制購物車的速度和行駛方向，然而若將接收和分析無線模塊傳遞的數(shù)據(jù)部分的程序?qū)懺谥骱瘮?shù)中，可能會導致購物車組件響應無線接收失敗或響應延遲，從而使購物車無法及時按照用戶的位置信息作出調(diào)整。此外電機響應PWM信號和達到新的平穩(wěn)運動狀態(tài)需要時間，若將PWM脈沖產(chǎn)生部分程序?qū)懺谥鞒绦蛑袝闺姍C轉(zhuǎn)速突變而有損電機硬件。

3 結(jié)論

從介紹RSSI信號定位法的原理出發(fā)，指出RSSI信號定位法在實際執(zhí)行時產(chǎn)生的方案性問題，并分析該問題可能產(chǎn)生的原因，提出攝像頭定位法，且對此方案的可行性做了詳細的介紹，給出了智能購物車的硬件材料和使用這些材料所對應的程序，最后簡述了攝像頭定位法實際應用時的程序?qū)崿F(xiàn)執(zhí)行流程。