大型超市智能代步購(gòu)物車設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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(gòu)系統(tǒng)；防撞系統(tǒng)；經(jīng)濟(jì)；便捷

早在1898年美國(guó)就發(fā)明了超市購(gòu)物車，經(jīng)不斷改良設(shè)計(jì)后，在1937 年投入市場(chǎng)，逐步成為超市的標(biāo)配[1]，我國(guó)大型超市中以支架型購(gòu)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(gòu)物上也提出了新的需求，如減少挑選時(shí)間和排隊(duì)付款時(shí)間，商品位置清晰，商品信息全面可自動(dòng)比選，購(gòu)買推薦，必買品、促銷品、臨期品等提示，購(gòu)物過(guò)程釋放雙手等。目前傳統(tǒng)的手提籃購(gòu)物存在容量小、費(fèi)力，或手推購(gòu)物車購(gòu)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(wèn)題，為解決上述問(wèn)題，智能購(gòu)物車便應(yīng)時(shí)而生。2008年微軟開(kāi)發(fā)了MediaCart智能購(gòu)物車，實(shí)現(xiàn)向消費(fèi)者提供超市商品信息和計(jì)算所選商品價(jià)格的購(gòu)物車[2]。2011年韓國(guó)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(fèi)者在超市選購(gòu)商品的時(shí)間，SmartShopper支持導(dǎo)入購(gòu)物清單，在智能購(gòu)物車的引導(dǎo)下完成購(gòu)物[3]。國(guó)內(nèi)以傳統(tǒng)購(gòu)物車為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)了諸多購(gòu)物車，結(jié)構(gòu)上通過(guò)外觀改進(jìn)、增加剎車裝置、各種傳感器、識(shí)別裝置、顯示裝置等[4-6]，硬件上以Arduino、STM32單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)各功能電路[7-8]，軟件上開(kāi)發(fā)了“商品識(shí)別、稱重和計(jì)價(jià)系統(tǒng)，商品導(dǎo)購(gòu)系統(tǒng)，商品信息查詢系統(tǒng)”等[9-11]，智能購(gòu)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(gòu)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(gòu)物的諸多問(wèn)題，但仍存在設(shè)計(jì)的購(gòu)物車結(jié)構(gòu)復(fù)雜、對(duì)傳統(tǒng)購(gòu)物車改動(dòng)較大、增加的部件和功能模塊較多、成本較高，市場(chǎng)推廣較難等問(wèn)題。為降低智能購(gòu)物車成本，提高購(gòu)物便捷性和購(gòu)物效率，本文將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與傳統(tǒng)購(gòu)物車相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種大型超市智能代步購(gòu)物車，實(shí)現(xiàn)解放雙腳、在導(dǎo)航的引導(dǎo)下自由購(gòu)物。在一定程度上減少了購(gòu)物者在購(gòu)物時(shí)的體力消耗，能夠輕松、快捷、高效選購(gòu)到滿意的商品，同時(shí)提高了商場(chǎng)的運(yùn)行效率，能降低商場(chǎng)部分運(yùn)營(yíng)成本，實(shí)現(xiàn)商家和消費(fèi)者的雙贏。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能代步購(gòu)物車整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，購(gòu)物車為“人”字式，設(shè)計(jì)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(chǔ)物筐支架（2）、儲(chǔ)物筐（3）、移動(dòng)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(shí)現(xiàn)解放雙腳輕松購(gòu)物，對(duì)傳統(tǒng)的“人”字型購(gòu)物車進(jìn)行改裝，即將“人”字型購(gòu)物車的后輪改裝為電動(dòng)平衡代步裝置，如圖2所示。圖中101為代步裝置車輪防護(hù)蓋，通過(guò)螺栓與車身連接，起防護(hù)作用，防護(hù)鞋帶、褲腳等纏進(jìn)車輪中，導(dǎo)致車輪不能正常轉(zhuǎn)動(dòng)；102為踏板，供購(gòu)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(cè)平衡車姿態(tài)；103為嵌入右邊車身的隱藏式電源開(kāi)關(guān)；104為車身，整體為鋼結(jié)構(gòu)，外側(cè)采用塑料件防護(hù)，車身與驅(qū)動(dòng)輪通過(guò)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(dòng)輪，內(nèi)置驅(qū)動(dòng)電機(jī)，左右兩側(cè)各1個(gè)；為不影響操控平衡車，在連接軸中部套裝一個(gè)軸承（107） ，購(gòu)物車支架后腿穿過(guò)防護(hù)罩（101） 上開(kāi)設(shè)的條形槽后與軸承外側(cè)焊接連接，當(dāng)購(gòu)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(gòu)物筐。支架設(shè)計(jì)為“人”型結(jié)構(gòu)，采用不銹鋼管材制作，用于支撐儲(chǔ)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(chǔ)物筐采用不銹鋼鋼筋編織焊接而成，設(shè)計(jì)容積100升，為了能使消費(fèi)者更加輕松快捷地購(gòu)物，在購(gòu)物車兩手柄間設(shè)計(jì)了一個(gè)移動(dòng)終端支架，購(gòu)物時(shí)消費(fèi)者可將內(nèi)置智能導(dǎo)航系統(tǒng)的移動(dòng)終端放置在支架上，通過(guò)移動(dòng)終端搜索所需商品便可生成導(dǎo)航指引消費(fèi)者到相應(yīng)區(qū)域購(gòu)物。在移動(dòng)終端支架的下方設(shè)計(jì)的大支架可作為幼兒座椅，兩個(gè)支架在相同的方位，帶小孩子的消費(fèi)者也可以在照顧小孩的同時(shí)使用導(dǎo)航。

（3） 防撞裝置。為避免因購(gòu)物車被填滿出現(xiàn)視覺(jué)死角而發(fā)生撞車事件，在購(gòu)物車前端下方安裝紅外線報(bào)警裝置，利用紅外線傳播需要時(shí)間的特點(diǎn)計(jì)算出購(gòu)物車與障礙物的距離，當(dāng)距離小于15cm時(shí)發(fā)出警報(bào)避免發(fā)生撞車帶來(lái)危險(xiǎn)，提高購(gòu)物車的安全系數(shù)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 代步裝置系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(cè)傳感器和距離檢測(cè)傳感器采集的傾角、角速度、速度和距離等信息，輸出電機(jī)控制信號(hào)（PWM） ，對(duì)車輪電機(jī)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)控制購(gòu)物車前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向、加速、減速、停止等。圖中電源模塊負(fù)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(fù)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(fù)責(zé)與上位機(jī)的通信并傳遞代步裝置檢測(cè)和行駛信息；電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊負(fù)責(zé)對(duì)電機(jī)控制信息的實(shí)現(xiàn)，并將電機(jī)運(yùn)行速度反饋至控制器進(jìn)而實(shí)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(jì)[12]，負(fù)責(zé)處理傳感器采集的數(shù)據(jù)信息并生成控制信號(hào)，并將控制信號(hào)傳遞給各功能模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)代步裝置的動(dòng)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(kuò)展等特點(diǎn)，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(dá)168MHz，能夠?qū)崿F(xiàn)高速采樣計(jì)算處理，具有192KB的靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器和1024KB的閃存。STM32F407有多個(gè)I/O端口，支持SWD和JTAG兩種調(diào)試接口，外設(shè)豐富，多達(dá)17個(gè)定時(shí)器和17個(gè)通信接口（3個(gè)I2C接口、6個(gè)串口、3個(gè)SPI接口、2個(gè)CAN2.0總線接口和2個(gè)USB接口），3個(gè)12位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC） 和2個(gè)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(jì)采用SL1509HV和AMS1117降壓芯片對(duì)電池組進(jìn)行二級(jí)降壓處理，分別穩(wěn)定輸出3.3V、5V二級(jí)電壓，其中3.3V供控制器模塊和傳感器模塊，5V供電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(fù)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(shí)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(shì)，能輸出與角速度成正比的模擬電壓信號(hào)，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(diǎn)，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(cè)，STM32F104控制器接收編碼器輸入的A、B兩相脈沖信號(hào)并計(jì)算出代步裝置的速度矢量，速度測(cè)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(shí)間內(nèi)控制器接收的信號(hào)個(gè)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(dòng)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(dòng)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(dá)46V 和2A 等特點(diǎn)。L298N可直接對(duì)代步裝置左右兩側(cè)直流電機(jī)進(jìn)行控制，并利用主控制器的I/O輸入來(lái)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的控制電平，該方法具有操作簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)控制電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、制動(dòng)和停止。電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(gè)驅(qū)動(dòng)器、2個(gè)接收器和一個(gè)提供TIA/ElA-232-F電平的電壓產(chǎn)生電路，用于解決將單片機(jī)輸出的TTL電平至232電平，直流+5V供電。

2.2 導(dǎo)購(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

導(dǎo)購(gòu)系統(tǒng)可開(kāi)發(fā)為移動(dòng)終端內(nèi)的微信小程序或獨(dú)立開(kāi)發(fā)智購(gòu)App。本階段利用微信開(kāi)發(fā)者工具，借助小程序模板建立一個(gè)程序模板，即“智購(gòu)商場(chǎng)”微信小程序，如圖5所示，購(gòu)物者需打開(kāi)微信的GPS權(quán)限，系統(tǒng)分商家端和消費(fèi)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(gè)商家可導(dǎo)入自己店鋪

平面圖，借助手機(jī)GPS定位系統(tǒng)進(jìn)行后期現(xiàn)場(chǎng)商品定位調(diào)試，確定各類商品定位圖，以減少導(dǎo)航時(shí)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(lè)、口香糖等）。若物品位置有所更改，各地點(diǎn)名字也可以隨時(shí)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(jìn)行線上商品銷售。

2.2.2 消費(fèi)者端口

消費(fèi)者進(jìn)入商場(chǎng)后打開(kāi)微信開(kāi)啟小程序，系統(tǒng)根據(jù)定位自動(dòng)匹配相應(yīng)的商場(chǎng)。消費(fèi)者可根據(jù)商家的命名方式進(jìn)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(dòng)生成路線進(jìn)行導(dǎo)航）。

2.3 防撞系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為提高購(gòu)物車在行駛過(guò)程中的安全性，設(shè)計(jì)了紅外線報(bào)警系統(tǒng)，通過(guò)報(bào)警燈和蜂鳴器提示購(gòu)物車在行駛過(guò)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(yùn)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(wú)遮擋或障礙物超過(guò)監(jiān)測(cè)范圍時(shí)，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(gòu)物車距離小于15cm時(shí)，接收管D2接收到紅外光，其負(fù)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(bào)警越強(qiáng)烈，提示購(gòu)物車需要避障。

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

3 經(jīng)濟(jì)性分析

設(shè)計(jì)的智能代步購(gòu)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(jī)700W（350W×2個(gè)）、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(gòu)物車相比，減少了一對(duì)萬(wàn)向輪，更換為電動(dòng)智能代步裝置，增加了一個(gè)防撞報(bào)警裝置和移動(dòng)端導(dǎo)購(gòu)系統(tǒng)。以一個(gè)1萬(wàn)平方米的大型超市為例，購(gòu)物車和導(dǎo)購(gòu)員分別按100m2/個(gè)、200m2/個(gè)、導(dǎo)購(gòu)員工資3500元（/ 月·人）計(jì)，從投資成本和使用成本兩個(gè)方面對(duì)比分析智能代步購(gòu)物車的經(jīng)濟(jì)性。

（1） 投資成本分析：參考京東平臺(tái)同容積手推車式和10寸兩輪平衡價(jià)格，單臺(tái)購(gòu)物車投資成本如表1所示，傳統(tǒng)“人”字型購(gòu)物車和智能代步購(gòu)物車成本分別為300元/臺(tái)×100臺(tái)=3萬(wàn)元、1 195元/臺(tái)×100臺(tái)+智購(gòu)商場(chǎng)程序開(kāi)發(fā)=11.95萬(wàn)元+5萬(wàn)元=16.95萬(wàn)元。

（2） 使用成本分析：以一年周期測(cè)算，傳統(tǒng)“人”字型購(gòu)物車使用時(shí)除需要配置導(dǎo)購(gòu)員發(fā)生費(fèi)用外，其他維護(hù)費(fèi)用不計(jì)，則此部分費(fèi)用為50人×3 500元（/ 月·人）×12月=210萬(wàn)元；智能代步購(gòu)物車可直接減少導(dǎo)購(gòu)人員數(shù)量，保守估計(jì)減少導(dǎo)購(gòu)人員50%，則此部分費(fèi)用為25人×3 500元（/ 月·人）×12月=105萬(wàn)元，此外智能代步購(gòu)物車還會(huì)發(fā)生充電費(fèi)用，每臺(tái)購(gòu)物車按50%放電深度、每天充一次電計(jì)，則此部分費(fèi)用為1.2元/kWh×0.236kWh/臺(tái)×50%×100 臺(tái)×365=5 168 元；智購(gòu)商場(chǎng)App維護(hù)費(fèi)，按1萬(wàn)元/年計(jì)。

經(jīng)對(duì)比分析，智能代步購(gòu)物車初期投入成本約是傳統(tǒng)購(gòu)物車的5.5倍，但在使用成本上智能購(gòu)物車遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)購(gòu)物車，僅是傳統(tǒng)購(gòu)物車的51.2%，自第2年起，智能代步購(gòu)物車較傳統(tǒng)購(gòu)物車每年可節(jié)省102.5萬(wàn)元費(fèi)用，具有很好的經(jīng)濟(jì)性。此外，代步裝置和使用導(dǎo)購(gòu)系統(tǒng)，極大地降低了購(gòu)物者體力消耗，實(shí)現(xiàn)輕松、快捷、高效購(gòu)物。

4 結(jié)論

本購(gòu)物車以電動(dòng)平衡代步裝置代替?zhèn)鹘y(tǒng)“人”字型購(gòu)物車后輪，實(shí)現(xiàn)了輕松、自由購(gòu)物；開(kāi)發(fā)“智購(gòu)商場(chǎng)”微信程序，實(shí)現(xiàn)線上比選、導(dǎo)航指引購(gòu)物；防撞系統(tǒng)提升購(gòu)物車安全性；與傳統(tǒng)購(gòu)物車相比，具有較好的經(jīng)濟(jì)性，使用成本約減少了50%，實(shí)現(xiàn)消費(fèi)者與商家雙贏。