RapidCart智能購物車

羅 乾，黎永強，陳俊豪，李 佳

（廣州新華學院，廣東 廣州 523040）

1 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展下智能化產(chǎn)品不斷創(chuàng)新和涌現(xiàn)，人們的消費模式不斷改變，智能化產(chǎn)品越來越吸引人們的眼球。2004年至今超市行業(yè)規(guī)模不斷擴大，而智能購物車也是順應時代發(fā)展的產(chǎn)物。

本文設(shè)計的智能購物車擁有超聲波測距模塊、紅外探測模塊、壓力傳感器模塊、RFID射頻識別模塊、GPS全球定位系統(tǒng)模塊等硬件，其功能可以在用戶找不到商品時通過GPS來定位商品位置，讓智能購物車自動導航引路。當用戶想要了解一個商品的詳細信息時，可以通過使用購物車上的RFID讀取器對商品信息進行讀取，并且顯示在購物車上的LCD液晶屏上。當用戶將商品放入購物車中，壓力傳感器會自動為商品稱重。用戶結(jié)賬時只需要將購物車推到指定位置，LCD液晶屏上便會顯示結(jié)賬信息和付款二維碼，大幅提高購物效率。

2 基于STM32單片機的智能購物車系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)由智能購物車硬件系統(tǒng)、人機交互系統(tǒng)以及小程序組成。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

首先客戶在小程序中請求一輛智能購物車，系統(tǒng)分配購物車后，購物車開始運行，在人機交互系統(tǒng)上輸入想要的商品，購物車通過GPS獲取商品所在貨架的路線，開始控制電機向路線行駛，通過超聲波測距模塊進行檢測是否前方有障礙物和通過紅外探測來實現(xiàn)避障功能，圖像識別模塊獲取商品信息，壓力傳感器對比是否遺漏商品未被獲取，用戶使用RFID標簽閱讀器進行掃描貨架標簽獲得商品所有信息（生產(chǎn)日期、生產(chǎn)廠家、生產(chǎn)材料等），最后用戶將購物車推放至指定位置，系統(tǒng)將所有獲取到的商品數(shù)據(jù)進行上傳，形成二維碼進行支付，購物車進行導航去消毒室進行消毒，實現(xiàn)購物車全程智能方便用戶的目的。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

硬件部分以STM32F383VC芯片為核心連接直流電機，由紅外探測、超聲波測距模塊、GPS定位模塊、壓力傳感器、圖像識別模塊、LCD顯示屏構(gòu)成。STM32芯片由MDK Keil進行編程，以C語言為主要編程語言進行系統(tǒng)硬件設(shè)計。

3.1 主控制器件

主控制器件采用STM32F383VC芯片，STM32F3是意法半導體最新推出的產(chǎn)品。此芯片整合了帶有DSP與FPU指令、工作頻率為72 MHz的32位ARM Cortex-M4內(nèi)核和高級模擬外設(shè)，具有高性能、實時功能、數(shù)字信號處理、低功耗與低電壓操作特性，同時還保持了集成度高和易于開發(fā)的特點。

使用的軟件：

1）STM32CUBEMX（用于配置stm32初始化工程）；

2）MDK Keil（用于編程、調(diào)試軟件）；

3）串口調(diào)試助手（用于調(diào)試軟件）；

4）驅(qū)動軟件：Jlink 、STlink 驅(qū)動（調(diào)試器）；CH340驅(qū)動（用于串口通信）。

3.2 電機驅(qū)動模塊

電機驅(qū)動采用的是TB6612FNG，TB6612FNG是東芝半導體公司生產(chǎn)的一款直流電機驅(qū)動器件，它具有大電流MOSFET-H橋結(jié)構(gòu)，雙通道電路輸出，可同時驅(qū)動2個電機。它是基于MOSFET的H橋集成電路，效率比晶體管H橋驅(qū)動器高的多，相比于其他芯片，無需外加散熱模塊，外圍電路也十分簡單，只需要外接電源濾波電容即可驅(qū)動電機，可以縮小整個系統(tǒng)的尺寸，而對于PWM信號來說，高達100kHz的頻率比其他常用的芯片有著很大的優(yōu)勢，滿足智能購物車運行的需求。

3.3 全球定位系統(tǒng)模塊

GPS模塊采用的是AN1303 ATK-NEO-6M，ATKNEO-6M-V23模塊是ALIENTEK 生產(chǎn)的一款高性能 GPS模塊，UBLOX公司的 NEO-6M 模組作為其模塊核心，它有50個通道，追蹤靈敏度高達161dBm，輸出頓率最高可達5Hz。選用這個模塊的原因：①體積小，性能高；②搜索衛(wèi)星能力強；③可通過串口進行各種參數(shù)設(shè)置，比較方便；④自帶IPX接口，可以連接很多有源天線；⑤兼用3.3V、5V，可以連接STM32。

3.4 圖像識別模塊

掃碼模塊采用的型號是GM65嵌入式二維碼讀取模塊，GM65掃描設(shè)備模塊具有功耗低、工作電流小于150mA、一體化設(shè)計、體積小等特點，并且支持所有通用的一維碼以及常用的二維碼，可支持TTL232和USB接口，并且GM65掃描模塊獲取的數(shù)值可以直接在文檔中直接顯示，更加便捷于商場控制人流量、加速購物等需求。

若無掃碼直接放進購物車后，內(nèi)部攝像機拍到的商品，進行圖像處理獲取商品信息，獲取條形碼流程如圖2所示。

圖2 獲取條形碼流程圖

3.5 避障模塊

本設(shè)計分為兩個超聲波避障和紅外線避障模塊。在設(shè)計上采用兩種方案同時檢測，并依據(jù)測得數(shù)據(jù)為剎車提供數(shù)據(jù)，實現(xiàn)購物車避障功能。

（1）超聲波避障模塊

本模塊采用HC-SR04，根據(jù)超聲波測距原理以及公式可得購物車測距為2~400cm。當超聲波檢測到有障礙物時，將會傳輸信號返回使得購物車停止。

（2）紅外線避障模塊

本模塊采用HJ-IR2，用紅外光反射原理進行計算距離，此模塊檢測距離為2~30cm。

3.6 LCD屏幕

LCD液晶顯示屏采用串行接口，其工作電壓保持在2.6V到6V范圍之內(nèi)，采用800×480像素，顯示亮度為300~1 000 nit，工作溫度-20℃～70℃。液晶顯示屏引腳編號1~5的控制端口，能與STM32單片機相應的GPIO口進行連接，LCD相應的背光電源端口在第8引腳，單片機的I/O口對三級管導通進行控制來對通斷背光電源調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對節(jié)省功耗。

3.7 壓力傳感器

本模塊使用HX711芯片，與其他芯片相比，該芯片不僅集成了包括穩(wěn)壓電源、片內(nèi)時鐘振蕩器等其他同類型芯片所需要的外圍電路，具有集成度高、響應速度快、抗干擾性強等優(yōu)點，而且還降低了電子秤的整機成本，提高了整機的性能和可靠性。本芯片工作電壓范圍為2.6~5.5V。

3.8 RFID射頻識別模塊

本模塊采用M3650A-HA，與STM32連接，采用UART TTL接口，模塊的TXD引腳接單片機RXD引腳，模塊的RXD引腳接單片機TXD引腳，GND與STM32的GND相連形成共地，需3.3~5V 電源給模塊供電。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 購物車主程序設(shè)計

在用戶通過小程序選擇了自己需要的購物車后，開啟購物車系統(tǒng)，進行主程序初始化，初始化之后，啟動硬件系統(tǒng)，開啟人機交互，隨后，獲取購物車數(shù)據(jù)，實現(xiàn)預購商品、預測人流量及預約購物車功能。同時，通過GPS定位系統(tǒng)，定位出購物車所在位置以及預購商品位置信息，并且通過紅外感應器對前方進行檢測，如果在自動導航過程中檢測到障礙物，通過PWM信號控制電機進行轉(zhuǎn)向避讓，實現(xiàn)避障功能，隨后通過硬件系統(tǒng)串口獲取稱重和掃描模塊的信息，將選擇的商品通過WIFI模塊的AP模式發(fā)送到結(jié)算臺。

4.2 結(jié)算臺程序設(shè)計

結(jié)算臺的主要功能是打印小票以及提供購物車結(jié)算場所，方便顧客進行統(tǒng)一結(jié)賬，可以起到收銀臺的作用，是整個購物環(huán)節(jié)最重要的一環(huán)。結(jié)算臺系統(tǒng)初始化，將WIFI模塊配置為AP模式之后，檢測用戶是否需要與結(jié)算臺建立連接，如果不需要則返回主程序系統(tǒng)，可繼續(xù)購物，如果需要連接，則通過RFID提交商品數(shù)據(jù)以及顯示付款碼和商品信息，方便客戶進行比對，付款成功則自動導航至消毒室進行消毒，關(guān)閉主程序系統(tǒng)，等待下一位用戶喚醒。

4.3 智能避障程序設(shè)計

智能避障功能主要是通過超聲波以及紅外感應器感應實現(xiàn)購物車智能避障，通過最優(yōu)路線算法判斷在導航至所需商品的途中遇到障礙物時，應繼續(xù)前進、后退、左轉(zhuǎn)還是右轉(zhuǎn)。避障程序設(shè)計圖如圖3所示。如果紅外感應器識別到障礙物就產(chǎn)生中斷，在中斷沒有處理完之前不處理超聲波產(chǎn)生的PWM值，同時向障礙物反方向運動，避免撞上，如果沒有識別到障礙物，則首先設(shè)置一個PID參數(shù)，計算出超聲波左右之間的差值，并提前設(shè)定差值，如果差值是正數(shù)就右轉(zhuǎn)，如果差值是負數(shù)就左轉(zhuǎn)，如果是相等的情況購物車就繼續(xù)執(zhí)行。在計算PWM的時候，必須要確保相距不能太大或者太小，如果符合，則將數(shù)據(jù)差值與轉(zhuǎn)向控制參數(shù)相乘，即可得到控制的PWM，最后將PWM值傳給購物車，實現(xiàn)提前轉(zhuǎn)向，自動轉(zhuǎn)向功能。

圖3 避障程序設(shè)計圖

4.4 稱重程序設(shè)計

稱重系統(tǒng)是購物車必不可缺的一部分，是購物車的基礎(chǔ)功能，首先是檢測選擇的商品是否需要啟動稱重系統(tǒng)，比如零散裝的零食等，如果需要稱重則啟動稱重系統(tǒng)，然后獲得商品重量信息，并且將商品的重量信息顯示數(shù)據(jù)顯示在屏幕上，可提供給用戶核對商品信息以及商品重量是否正確。

4.5 微信小程序設(shè)計

小程序設(shè)計主要功能是為了提供購物車的使用情況，便于人們推測人流量以及預購商品和預約購物車，次要功能是根據(jù)登錄用戶的歷史瀏覽記錄，通過云計算和大數(shù)據(jù)分析，得出用戶經(jīng)常瀏覽商品的種類，以此為基礎(chǔ)，推薦類似商品供用戶選擇。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計了一個具有多種功能的智能購物車?？梢酝ㄟ^小程序?qū)χ悄苜徫镘囘M行預約以及掃碼控制使用。智能購物車可以進行導路、稱重、掃碼結(jié)賬、自動消毒、顯示商品信息。結(jié)合了超聲波測距、紅外探測、壓力傳感、RFID射頻識別、GPS等技術(shù)。購物車實現(xiàn)在平整的路面上自動駕駛，并且較為準確地進行導航與避障。購物車內(nèi)程序?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定運行。擴展了傳統(tǒng)購物車的應用功能，融入了許多現(xiàn)代智能元素，對于線下超市的發(fā)展是一種可行的新方案。