基于物联网技术的智能购物车系统

尚志豪，单超颖，王佳琦，唐成，何沁耘

沈阳城市建设学院信息与控制工程学院，辽宁沈阳，110167

0 引言

伴随着目前技术的不断发展，人们生活的智能化需求愈加强烈，购物逛商城已经是人们不可或缺的生活方式之一。但是通过调查研究发现，现在很多人在购物时都会遇到排队付款、人员拥堵、在超市里找不到自己要买的商品等诸多繁琐问题，从而使得用户购物体验下滑。因此为了优化用户的购物体验，零售行业应该选择一套智能购物系统来帮助用户更加有效地购物[1]。

现有的智能购物车系统存在造价过高、市场认可度不高、难以形成市场产业化等问题，针对这些问题，本文设计了基于物联网技术的新型购物车系统。本系统控制购物车实现跟进运动，购物车在用户进行购物时可以自动语音导航帮助用户找到需要的商品。除此之外，用户需要购买大宗商品时，购物车可以进行自动称重并计价到用户的小程序，用户在小程序上可以同时查看所有加入购物车的货物名称、价格、总价等详细信息，以此来帮助用户进行购物预算。此外，本系统还配备了“智能送货”以实现“线上+线下”的模式，可在短距离下和短时间内将商品送达用户所需位置，解决购物者在家或者工作时想要购物的需求[2]。

1 硬件设计

本文设计的基于物联网技术的智能购物车系统，以STM32与树莓派共同作为控制智能终端，其硬件部分应用了张力传感器、树莓摄像头模组、三臂六桥电机驱动模块、三相直流减速电机、树莓派扬声器、无线充电磁力模块、红外热敏打印设备等。这些硬件上的传感器将采集到的相关数据发送至系统主控MCU和MPU上，通过相关的程序与算法进行数据处理，然后硬件部分通过WIFI模块将处理好的数据发送到后台服务器中，由服务器进行数据储存并将数据传输到Web服务器，Web服务器可通过与数据库之间的交互以及使用智能算法将数据反馈到后台服务器，最终发送到手机小程序客户端实现数据的可视化（图1）。本设备的工作电压较小，属于低功耗类型，用一块低功耗电池供电即可，符合我国目前绿色环保的发展理念。

图1 系统功能总设计图

1.1 主控芯片

本系统中环境监测模块是由传感器、UWB模块、MCU模块和MPU模块组成。硬件设计前，根据工程无线通信网络需求，基于拟定的WIFI通信技术，本项设计根据各种芯片的不同特性和各自的优缺点、技术参数进行权衡来选择主控芯片，以便于后续的设计及应用。因此，本系统选用了STM32F103RET6芯片作为支持无线通信网络运行的主控芯片，同时搭配树莓派进行运算处理。

1.2 UWB模块

UWB模块生成用于定位的相关数据：UWB模块一端由用户作为发送端对系统进行控制，另一端被固定在购物车上作为接受端，将两块UWB产生的数据发送给STM32主控芯片，最终在主控芯片上通过设计好的算法将UWB产生的数据进行融合计算，得到的数据被输出后用控制电机转速，通过改变电机转速实现购物车在方向上的控制。在中途遇到障碍物时购物车会使用红外传感器模块将采集的距离数据警报传递给树莓派，系统会根据设计的算法对障碍物自动地进行避让，使系统的安全性能大大提高[3]。

1.3 摄像头

采用USB免驱动800万自动对焦摄像头模组作为摄像头模块，景物通过镜头（LENS）生成的光学图像投射到图像传感器表面上，然后转为电信号，经过A/D转换后变为数字图像信号，再送到数字信号处理芯片中加工处理，再通过USB接口传输到电脑中处理，人们通过显示器就可以看到图像了。在运行条形码识别的程序之后，将购买商品的条形码对准摄像头模块，实现对商品条形码信息的获取，从而上传到云平台，然后通过微信小程序调用，从而实现商品的识别和购买商品总价的计算。

1.4 票据打印模块

DP-48F单片机控制58MM热敏票据打印模块在联机状态下，通过接口电路接收计算机主机发送的打印控制命令、字符打印命令或图形打印命令，经过打印机主控电路板CPU处理或从字库中寻找到与该字符或图形相对应的图形编码首列地址（正向打印时）或末列地址（反向打印时），然后按顺序一列一列地找出字符或图形的编码，送至打印头控制与驱动电路，激励打印头出针打印。打印头是由纵向排列成单排（对9针打印头而言）或交叉排（24针打印头）的打印针及相应的电磁线圈构成的。当电磁线圈通电激励后，相应的打印针就出针，通过击打色带，在打印纸上印出所需的字符（汉字）/图形。系统可以使用此类组件打印相关商品票据[4]。

1.5 张力传感器模块

系统采用的是hx711ad张力传感器。张力传感器是弹性体(弹性元件，敏感梁)在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在其表面的电阻应变片(转换元件)也随同产生变形，而电阻应变片变形后，它的阻值将发生变化(增大或减小)，再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号(电压或电流)，从而完成了将外力变换为电信号的过程。系统采用的张力传感器通过树莓派将数据传输到云平台，再通过云平台把数据传输到小程序，最后在小程序上显示商品的重量信息[5]。

1.6 无线充电模块

系统采用的是K1B10无线充电模块，无线充电利用电磁波感应原理进行充电，类似于变压器。该模块在发送和接收端各有一个线圈，发送端线圈连接有线电源产生电磁信号，接收端线圈感应发送端的电磁信号从而产生电流，并且电能传输效率高达75%。本系统电源可以在特定范围内为电池进行无线充电，只需要安装一个电源，即可为整个智能购物车系统里的用电器供电。发射线圈的工作频率在兆赫兹范围，接收线圈在非辐射磁场内部发生谐振，以相同的频率振荡，然后有效地通过磁感应进行电能传输。

1.7 动力系统

系统采取的电动机为12V驱动电机，采用A4950驱动。A4950是一款具有高电压、大电流的全桥驱动芯片，对应频率高，一台A4950可以分别控制2个直流电机，而且还带有控制使能端。用该芯片作为电机驱动，操作方便、稳定性好、性能优良，且由A4950结合单片机可实现对小车速度的精确控制。这种调速方式有调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大等特点，能承受频繁的负载冲击，还可以实现频繁的无级快速启动、制动和反转等功能。A4950可驱动2个电机，AOUT1、A0UT2和BOUT1、BOUT2之间分别接1个电动机，AIN1、BIN1脚接输入控制电平，控制电机的正反转，AIN1、AIN2脚连接控制使能端来控制电机的停止与转动[6]。

1.8 树莓派麦克风模块

DSL-3079-HE模块采用USB接口，内嵌驱动可直接与树莓派连接。USB麦克风的原理是把USB声卡做到麦克风里，使声卡和麦克风合二为一。录音的时候，麦克风收到声音数据后，直接由其声卡处理，由模拟信号转为数字喜好，然后通过USB以数据的形式传送给电脑；当然，高档的USB麦克风还可以监听，在电脑上播放声音，通过USB声卡，由数字信号转为模拟信号，传送到麦克风机身上的耳机孔，就可以听声音。通过此类麦克风模块，可实现对购物车语音导购助手的唤醒，只要说出你想要购买商品的名称，就能实现人机交互。

1.9 树莓派扬声器模块

扬声器同时运用了电磁铁和永久磁铁，每一次电流改变方向时，电磁铁上的线圈所产生的磁场方向也会跟随改变。磁力是同极相斥、异极相吸的，线圈的磁极不停地改变，与永久磁铁一时相吸、一时相斥，产生了振动。线圈与一个薄膜相连，当薄膜与线圈一起振动时，便会推动周围的空气，从而产生人耳朵听到的声音。通过扬声器模块，购物车系统会反馈回多种语音信息，从而实现人机交互。

2 软件系统设计

（1）系统通过I²C总线通信协议，将过程中采集到的位置数据和商品数据等重要数据传送到树莓派，然后由系统进行进一步的分析和计算处理。

（2）通过NB-IOT传输协议将已经处理好的数据上传到OneNET云服务平台，云平台服务器完成数据的储存后通过MQTT协议将数据传输与发送至微信小程序服务器，最后由微信小程序客户端进行数据的可视化显示。

（3）系统选用了双云平台系统，有效保证了此项设计的实时性、准确性和数据安全性。客户端采用微信小程序进行开发，云端则采用了OneNET进行云开发，不会担心因意外导致数据丢失。使用微信小程序，不但减少了开发期间的人力财力的资源消耗，还减少了使用者手机内存资源的消耗，最终还能达到传统APP的效果（图2）。

图2 小程序界面

3 功能简介

3.1 语音交互导购

对于智能购物车系统的语音导购功能来说，可以很好地解决人机交互的问题，在导购过程中，用户能够与系统对话直观地了解该商店的商品信息，并且让购物车对购物商品进行目标锁定，通过算法在导购地图上规划出相关的前进路线，同时让购物车开始进入导购模式，为用户提供路线。此外，在导购过程中用户可以随时修改购物目标，重新规划相关路线。本购物车系统在超市、商场等室内狭小空间进行语音导购的功能，用户只需要通过对实体购物车说出需要购买的商品，购物车就会自动为其进行语音导航；此外，通过小程序搜索商品也能让购物车进行导购。

3.2 小程序实现购物车导购

本系统能实现在小程序里选定商品，购物车为其进行导购的功能。本系统搭载的智能购物车系统只需要用户打开小程序并且在小程序里找到其所需商品，然后通过算法将商品坐标位置信息与购物地图相结合来规划购物车行进路线，并把规划完成的路线数据使用小程序发送给购物车。随后购物车的AI训练模型让其实现导航，为用户找到所需要购买的商品。

3.3 智能结算

本系统可以同时使用两种支付功能进行结算。购物车扫描的数据通过扫描购物车的条带代码传输到小程序，小程序屏幕上就会显示商品名称、价格和产地信息。将所有需要购买的商品添加到购物车中，并进行结算，第一种结算方式是在小程序进行商品支付，把商品支付的钱转到管理员的流水账号上；第二种结算方式是使用微信或支付宝进行支付，直接将金额结算到管理员的电子账户上。本系统可以实现多种支付模式共同实现的效果，使得本系统的实用性有所提高。

3.4 自动跟随

当用户在购物时，不需要购物者去管理自己的购物车，只需要用户配带好购物车唤醒时给的手环，小车将自动跟随用户行走，不需要花费多余的力量去推购物车，这样既达到了客户需要的高效购物，也让购物者有更好的体验。使用两个UWB搭载STM32主控实现本功能，一个作为发送端，一个作为接收端，使用数据整合算法将发送端和接收端数据进行融合，并通过主控内部的算法将计算得到的数据传输给电机驱动模块，实现对电机的控制，从而实现购物车的跟随。

3.5 多种数据融合

本文中的智能购物系统集成了购物过程中的各种数据。购物时为了提高其自动跟随的效果，当用户在行走（或静止）时可将得到的2组UWB数据与红外传感器数据进行融合，并且对数据进行计算，通过有效的算法，实现自动跟随并能够有效地避开障碍物，从而提高购物车的安全性能。同时，还可将将运算得到的实时数据传输给系统的主控进行输出，从而控制购物车行进方向。此外，本系统还融合了压力、图像等数据，对系统的称重功能数据进行融合，能更好地提升物品称量的信息准确度。

3.6 智能称重

本系统采用传感器对购物中的散货商品进行称量，同时将称量的结果与系统中的小程序进行结合，并且将数据传输到小程序进行名称、重量、价格等信息显示，使购物车在购买商品时也能够具有购买散装商品的能力，支付时能使用本购物车系统进行支付。购物车通过拉力传感器得到数据并将其传输到云平台，然后对数据进行处理，最后将数据在小程序上进行显示。

3.7 小程序的特色功能

本套系统搭载的智能购物车系统在移动端的小程序里，同时与实体超市的智能购物车进行融合，让用户能够通过小程序找到自己想购买的物品。购物车实现了语音导购功能，极大地解决了购物过程中找不到自己想购买的商品的问题，提高了用户的体验感。除此之外小程序还具有在云端购物、线下进行配送货物的功能，且配送时间由原来的几天缩短为短短的2～3小时，不仅很好地保证了商品的新鲜度，对商品的价格也很好把控，同时也提升了送货时效性，使用户在实体店有更好的体验。

3.8 购物车算法应用

本系统的功能全面，应用了多种传感器来完成各种复杂的功能。这些传感器将采集到的庞大数据在本系统的后台中进行处理与挖掘，为用户提供有效的信息。本系统中用到五种算法：数据融合算法、PID算法、Trilateration定位算法、运动规划算法、Canny图像处理算法。

4 总结

为了使购物者的购物体验能更上一层楼，应该选择一套智能购物系统来帮助其更加有效地购物。

本文主要研究内容包括以下几点。

（1）系统的主控为NB-IOT，它具有连接设备多、低功耗、高覆盖等特点，对本设计有着非常重要的作用，是本系统的技术中心；系统的树莓派主控具有高效的运算速度，对图像处理有着举足轻重的作用，同时对AI语音模型训练也有重要贡献，是本系统的AI算法的运算核心。

（2）对OneNet云平台进行了一定的研究，该平台作为数据的传输中转站，稳定性高，且具有很高的安全性，保障了设备的信息储存。

（3）对云开发进行了深度的研究，开发了一款让购物简单的小程序——天运。同时搭载了Java Web后台超市管理系统对商品进行管理，同时对智能配送有着重要作用。

（4）研究了UWB系统，实时精准地定位跟随对购物者的帮助很大。UWB将所测量的数据相互融合为购物车提供移动数据。

（5）研究无线自动充电，为本系统在能源使用上有很大作用，同时为本系统提供了稳定的电源，并且让本系统能够长时间进行无人化工作，为我国无人超市提供了一个解决方案。

（6）智能送货功能可以让人们的购物不受时间和空间的限制，让购物者的购物生活体验更加美好。