具有自动识别功能的超市蔬果称重装置*

杨 京，焦 亭，杨雅婷，樊冰芬，平家乐，廉宇凯

（山西大学自动化系，山西 太原 030006）

随着人民日益增长的美好生活需要的提高，社区服务业正处于蓬勃发展阶段。为老百姓衣食住行提供服务的零售行业，现在正面临着巨大的挑战，一方面要为社区顾客提供满意的服务，另一方面又要面对庞大的客流。无人超市作为一种新型的购物模式逐渐走进人们的生活，其目的正是为了解决零售行业目前所面临的问题，而要真正实现无人化，就需要结算装置能自动识别目标商品。

电子秤因其便捷、精准的特点，已经成功取代了传统的机械秤，并且在零售行业得到了广泛的使用。在原有电子秤的基础上加上微控制器以及显示器，就构成了目前常见的具有结算功能的电子秤，而这种电子秤的缺点就在于其需要人工输入代码，才能调用数据，并且花费顾客大量的时间去等待；同时因为装置的专业性，员工需要事先培训，才能正确使用。电子秤仅实现了结算的半自动化，并没有解决无人超市的根本问题。

因此，亟待开发具有自动识别功能的超市蔬果称重装置。本科研项目在传统电子秤的基础上，加入自动识别模块，利用摄像头采集蔬果信息，通过算法，得出结果，实现蔬果自动识别的功能，并在此基础上提高电子秤的可操作性。简单的操作模块，顾客只需按照提示进行操作，即可完成结算。这样既节省了顾客的宝贵时间，也为商家减少了人力的投入，真正实现了超市无人化。

1 自动识别称重装置系统组成及方案设计

该系统由软件和硬件两部分组成。

硬件包括核心控制器STM32F103ZET6 单片机、OV5640 摄像头、液晶显示屏、压力传感器及其HX711AD 转换模块等。第76 页图1 为电路原理图。摄像头图像采集模块实时采集当前待称重的蔬果图像信息，并将该信息传给STM32 单片机；运行于STM32 单片机上的AI 图像识别程序通过分析蔬果图像信息以识别当前待称重蔬果的种类（该步骤为本项目实施的重点内容）；然后称重模块将重量数据传给STM32 单片机，STM32 单片机再根据蔬果的种类与重量，计算出当前待称重蔬果的价格，在显示模块进行显示，并通过打印模块打印出相应的价格标签。软件部分依据上述自动识别系统编写。

2 自动识别称重装置硬件设计

2.1 STM32F103ZET6 单片机

单片机作为本科研项目的核心部件，选用STM32F 系列产品，属于中低端的32 位ARM 微控制器，为高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计，十分适合智能系统的研发。其内核为ARM32 位Cortex-M3 CPU，最高72 MHz 工作频率，具有高可靠计算速度，为实现自动识别算法提供了可靠的硬件基础。STM32F103ZET6 单片机采用144引脚的设计，其中GPIO 口多达112 个，提供多输入多输出端口，方便数个模块同时接入。除了模拟输入，所有端口都可以被映射到16 个外部中断向量, 并且允许5 V 以内的端口输入电压。STM32F103ZET6 单片机具有丰富的通信接口：USART 接口（摄像头图像采集模块使用）、IIC 接口（称重模块使用）、SPI 接口（显示模块与网络连接模块使用） 以及其他接口等[1]。

图1 电路原理图

2.2 摄像头图像采集模块

摄像头图像采集模块是单片机的眼睛，必须保证其采集图像的清晰度，同时也要满足低功耗、体积小、便于连接等特点。OV5640 是一款CMOS 类型数字图像传感器，它具有体积小，工作电压低等特点，最大像素也可达到30万（640×480 分辨率），适合作为本项目的图像采集模块。输出图像数据采用VGA 时序，支持YUV（422/420）、YCbCr422 以及RGB565 数据格式，可以进行伽马曲线、白平衡、饱和度、色度等基础处理，补偿所采集的图像，为自动识别算法提供了辨识度高的图像，提高了结果的准确度[2]。

图2 为OV5640 图像传感器与单片机引脚连接示意图，其中共有8 条并行数据线，分别接单片机的PB8～PB15；VDD 接3V3；GND 接地；其余为控制信号线，其中SIO_C 为SCCB 接口的控制时钟线；SIO_D 为SCCB 接口的串行数据输入端；VSYN为帧同步信号（输出信号） 端；HREF 为行同步信号（输出信号） 端；PCLK 为像素时钟（输出信号）端；XCLCK 为时钟信号（输入信号） 端；RRST 为读指针复位信号端；WRST 为写指针复位信号端；OE 为输出数据使能端；WEN 与HREF 共同控制FIFO 的WE 引脚，当WEN 与HREF 同时为高电平时，WE 为低电平，OV5640 可向FIFO 写入数据。

图2 摄像头图像采集模块接口图

2.3 称重模块

称重模块采用HX711 AD，该模块将压力传感器检测到的重量转换成数字信号传输给单片机，保留了传统电子秤的精确度。HX711 AD 模块为24 位高精度模块，带有放大器功能，IO 口时序简单，类似于I2C 接口，方便使用，故采用此模块来替代放大器，并进行数模转换[3]。

压力传感器与HX711AD 共有4 根信号线连接，用来采集传感器应压片的差压信号，经模数转化，传递至单片机。单片机与HX711AD 连接，其中VCC 用来供5 V 电压，GND 接地，DT 为串口数据输出线，SCK 为串口时钟输入。其连接见图3。

2.4 显示模块

图3 称重模块接口图

显示模块作为信息输出的终端，将自动识别算法和最终要显示的信息通过可观的形式，显示在屏幕上，方便用户获取结果。ILI9341 是一种薄膜晶体管（Thin Film Transistor，TFT） 液晶显示器，具有26万色的240RGB×320 像素显示解决方案。ILI9341 支持并行8/9/16/18 位数据总线MCU 接口，6/16/18 位数据总线RGB 接口和3/4 线串行外围接口（SPI）。窗口地址功能内部GRAM 可以制定移动图像区域。选择性更新指定的窗口区域，这样可将所选的静止区域和移动区域同时显示。在设计重量显示程序时，只需要将商品的重量信息设为移动区域，其余为静止区域，减少屏幕的刷新频率，大大降低系统消耗功率[4-6]。

ILI9341 与单片机连接见第77 页图4。其中DB0～DB15 为并行数据输入/输出端；有5 条GND地线；VCI 接3V3 电源；IOVCC 为数字电路电源（1.65 ～3.3 V）；CS_MAIN 接LCD_CS，为 片 选 端（低有效）；RS 接LCD_RS，为命令/数据输入端（0：命令，1：数据）；WR 接LCD_WR，可以向LCD 写入数据控制端；RD 接LCD_RD，可以从LCD 读出数据控制端；LCD_RESET 接LCDRESET为复位管脚（低有效）；其中3 个NC 口悬空，不接线。同时该屏幕有触摸控屏功能，因为本项目没有用到，所以不在此赘述。

2.5 网络连接模块

图4 显示模块连接图

网络模块是自动识别算法实现的核心，将采集的图像信息上传至百度云智能识别平台，通过AI算法，得到一系列结果并下传至单片机，单片机便可做后续处理。W5500 是一种简单易用的硬件化以太网接入方案，可以使单片机实现与互联网的连接。硬件协议栈的方式可以建立快速高效的连接，简化产品开发方案，降低编程的工作量。它代替了以往的单片机来处理这些中断请求，单片机只负责向用户的应用层数据，其他层全部由外围WIZnet芯片完成。这种工作方式做了几乎所有的TCP/IP协议工作，大大减少了单片机的中断次数，使单片机可专注于其他工作。而且硬件化的电路处理协议会更加快速、稳定。对于有限的内存来说，这套方案的代码量仅有10 KB 左右，主要是完成对Socket的编程以及寄存器的调用，远小于软件协议方案。同时硬件化的逻辑门电路弥补了网络协议安全性不足的短板，网络攻击和病毒对它无效，免受安全问题的困扰。

3 自动识别称重装置软件设计

用户将商品放置在压力传感器上，同时传感器将商品重量通过HX711 数模转换并发送至单片机；摄像头采集模块自主采集商品图像并将商品图片信息发送至单片机。单片机通过W5500 连接互联网，并与百度AI 智能识别平台实现互联。用户在按下“结算”按键后，单片机将图像信息上传到百度AI智能识别平台，经过云计算，得到商品信息，由于得到结果是该图像的一系列识别结果及其置信度，单片机自动选取置信度最高的结果作为所得商品信息，调用事先录入的商品单价，通过函数计算得到最终的结果，即商品品名、单价和总价（见第78 页图5）。

如果用户发现所识别商品信息与实际不符，可以选择重新识别。用户需要按下“重新识别”按键，液晶屏显示“请调整商品角度并进行重新识别”，待重新调整结束，用户继续结算，系统便可重新识别产品。

若摄像头、传感器、网线未插好，液晶屏会显示“设备未准备好，请先检查设备”。待用户重新接线后，系统自动重启并初始化，重新检测接线状态，若接线信号无误，便可正常运行。

4 自动识别称重装置实验结果及分析

图5 程序流程图

本项目最核心的技术是运用物联网，将单片机与互联网连接，实现自主识别功能。这是未来自动化技术发展的大趋势，同时百度云智能识别平台已具备成熟的技术，可以供开发者调用，又能大大降低编程的难度，是极好的实施方案。

在调试中，发现在没有连接摄像头和压力传感器时，LCD 液晶屏会出现白屏的情况，这是因为程序在没有传感器信号传回时，程序不能自主跳到下一步。所以在原有程序的基础上添加了检测程序，当单片机检测到没有信号后，会提示用户“设备未准备就绪”，提醒用户检查接线是否正确，待用户重新接线后，便可继续使用。

考虑到在特殊情况时没有网络，自动识别系统将无法使用，为了使电子秤继续使用，可以选择将其调至传统工作模式，即需要人工输入商品信息该称重装置才能正常使用。所以添加传统超市电子秤子程序，显示并打印商品的信息，保证了商户的正常运作。

5 结束语

该称重装置结构合理，既实现了自动识别功能，同时也兼容了传统电子秤的性能，方便用户使用，以实现无人超市为目标，体现了较强的过渡性，充分考虑目前市场需求，具有良好的应用前景和市场推广价值。

在接下来的研究中，考虑构建自己的图像识别系统，以便在离线的情况下也可以具有自动识别功能，进一步改善系统性能。