基于LabVIEW的辅助购物结算实验系统的设计

张慧妍，蔡文靖，金学波，王 瑜，薛子朦，戴 月

(北京工商大学 计算机与信息工程学院，北京 100048)

北京工商大学为推进首都商业运作及物流流通建设，充分利用本校工业与商业关联学科的优势资源，实现工业自动化与商业自动化并举发展，形成了具有自身优势和发展前景的办学特色。商业自动化是一门与应用领域紧密结合的自动化类专业课程，将工业自动化的基础理论与技术拓展到物流、商业企业中，优化实验与实践类课程的设计与设置，成为自动化专业建设的重要内容和方向[1-4]。

笔者在构建商业自动化实验室过程中，基于LabVIEW软件易于学习、便于模块化开发的特点[5-8]，设计、开发了顾客端智能购物系统实验平台。该实验平台包括摄像头条码识别、称重压力检测、数字滤波、购物信息发布、商品数据库等商业自动化的实验教学内容，既具有小型化、便于学生在一个学期内进行操控的特点，又具有一定的实用价值。实验系统采用开放式的模块化设计，可供后续开设综合性实验，设计便捷、新颖的功能模块，实现系统的完善、升级[9-10]。

1 系统功能模块规划

辅助购物结算实验系统的主要功能是实现商品摆放位置查询、价格自动累计、检验，提高购物过程的时间效率和信息的准确性。

自助式智能辅助购物结算实验系统检测部分的硬件安装在购物车底部，在购物车前端配备有电子显示屏和用于条码识别及监控的摄像头。顾客可浏览电子显示屏获取商品优惠促销信息、进行购物路线导航，方便、快速地选择商品。系统分析软件根据安装在购物车底部的拉压力传感器和前端摄像头对条码的识别[11-12]，对放入购物车内商品的重量与条码信息相互校验，确定商品类别是否正确，同时实时显示购物车中的商品单价、总价，便于核对。摄像头会随机监控每一次消费过程，提醒顾客规范自己的购物行为。

基于面向对象的设计思想，系统软件具有以下基本功能：

(1) 购物车使用介绍：在欢迎界面说明该智能购物辅助结算实验系统的特点及使用方法，便于顾客判断是否选用此款购物车；

(2) 购物导航：提供促销信息发布及商品位置搜索功能，便于顾客获得商品价格与时间两方面的资讯；

(3) 商品识别：当顾客将商品放入购物车内，可以获得与商品条码信息一致的该商品的重量信息，若不一致则给出错误提示；

(4) 实时数据显示及缓存：供顾客核对商品单价、总价，决策购物预算，并且可以通过将商品拿出购物车的方式，删除与此商品相关的购买信息；

(5) 监测与报警：采用随机监控购物画面，无线传输到监控室，辅助监控购物行为；

(6) 结算及数据库更新：当顾客按照购物车上辅助购物结算系统确定的累计购物金额付费后，卖场总数据库根据已售商品清单进行数据更新，便于商业企业的计算机系统进行后台的记录、统计、预测、盘点、补货，购物车的数据清零并等待下一位顾客使用。

为实现以上功能，本实验系统硬件平台由拉压力传感器、调理电路、NI-myDAQ数据采集设备、摄像头、便携式计算机这几部分构成(见图1)。

图1 系统硬件组成

NI-myDAQ是便携式数据采集卡，能很好地兼容LabVIEW编程软件，包括2个16位的模拟输入及输出，具有8条数字输入和输出线，能为简单的电路提供+5V、+15V和-15V的电源。

CFBLSM型拉压力传感器的量程为50kg，精度达到0.03%，可以对大于15g的重量进行测量。考虑目前超市对于5g以下的商品多采用5个以上捆绑销售，则采用此款传感器可以满足应用要求。压力传感器的调理电路连接一路模拟输入，显示屏连接一路数字输出。由于系统中模拟地和数字地会相互影响，因此在系统设计时将模拟电路和数字电路分别设计，最后单点接地以尽量减少数字电路对模拟电路的影响。

摄像头为30万像素的CMOS数字摄像头，具有低成本和携带方便的特点，能满足随机监控和所拍摄条码的清晰度要求。

2 关键模块的设计与实现

顾客端智能购物辅助结算实验系统采用模块化方法构建，便于后续功能的增加和系统升级，其中实现系统功能的关键模块主要有压力检测、条码提取与识别、数据处理等。这些功能模块的协同配合，才能实现顾客所购买商品的正确识别和统计功能。

2.1 实时监测与滤波

通过DAQ子VI对压力传感器的输入及采样方式进行设定，将检测到的拉压力传感器电信号传输到系统中，采用循环延时进行传感器信号的实时监测。由于受外界干扰，直接输入的电压信号噪声较大，所以要先将信号放大，再采用虚拟数字滤波器很好地实现信号降噪。压力信号实时监测与滤波程序框图如图2所示。

图2 压力信号实时检测与滤波程序框图

2.2 压力检测模块

压力检测模块是核心模块。系统根据称重压力传感器输出信号的变化，来判断商品放入购物车或从购物车取出商品的动作。当压力传感器检测到压力增加，即说明有商品被放入，当检测到压力减少，则说明有商品被取出，系统会设置标志位并存储压力传感器数值变化。系统会根据对条码信息的检索，判断放入或取出商品的重量与NI-myDAQ测出的重量是否一致，其流程图如图3、图4所示。

图3 商品放入流程图

图4 商品移出流程图

在压力变化判断软件中设有2个变量：“当前重量”与“原来重量”，每完成一次正确的放入或拿出操作，则设定“当前重量”等于“原来重量”。而后通过循环100ms延时不断比较“当前重量”与3s之前的“原来重量”，若两者之差的在误差范围15g之内，则认为压力保持不变，顾客没有进行商品的移入、移出操作。这样的设定是为了排除顾客整理车中商品时，对压力检测所造成的短时干扰。

2.3 条码提取与识别

商品的一维条码具有唯一性，即同种规格的同种商品对应同一个条码，同种商品不同规格对应不同的条码，这样软件中可以通过一维条码检索、修改数据库中商品的信息。本系统未配置专门的扫码仪，但在欢迎界面提示顾客利用监控摄像头采集商品条码并进行商品条码的提取与识别，并且指出只有条码索引的商品重量与压力传感器重量变化相匹配时，才能顺利实现选购商品的识别和最终结算。

本实验系统商品条码通过型号为HD720P Webcam USB的摄像头进行图像采集，利用NI视觉采集软件模块Vision Acquisition Software实时将采集到的图像数据存入缓存区，并显示在购物主界面的取景器上，以便顾客在购物中自主调整拍摄商品条码的角度，通过点取主界面设置的“拍照”按钮触发Vision助手开始条码识别。若识别出完整的13位条码，可将识别出的条码传给存储商品条码的中间变量，利用此变量可查询、调取数据库中对应此条码的商品名称、重量等信息。条码提取与识别程序框图如图5所示。

图5 条码提取与识别程序框图

2.4 实时监测算法模块

顾客端智能购物辅助结算实验系统的显示界面中设有一组按钮，要分别触发对应的功能，就要求对各按钮进行实时监测，以确定哪一项功能被触发。实时监测算法模块采用了并行循环模式，使得对按钮的监测独立于主程序之外，与其他环节同步进行。触发哪个按钮，可看作对应按钮的发生值改变，因此采用while循环嵌套事件结构，实现了可以同时对各按钮进行监测的目的。监测算法实现的程序框图如图6所示。

图6 各按钮实时监测程序框图

3 有待完善之处及后续课程规划

顾客端智能购物辅助结算系统使顾客的购物过程方便、快捷和人性化。本实验平台的整体框架采用了模块化设计方法，利用虚拟仪器的优势，不仅可以进行自动测量、自动记录、自动进行数据处理，还设置有人性化的导购信息。目前，该系统虽然有监控并提示顾客的不当购物行为，但监控画面的选择存在随机性。如何通过动态画面监控，自动提取、分析顾客购物行为特征，对不当购物行为进行自动分级并自动发送附加监控的请求信号，是后续有待努力研究的方向。

目前北京工商大学的商业自动化实验中心已购置了15套基于LabVIEW的实验平台，通过设定商业领域的创新性实验实践项目，使学生在此平台进行商业自动化设备的创新性设计，充分发挥学生的主动性，锻炼学生的动手能力、提高学生的综合素质。

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