RapidCart智能购物车

罗 乾，黎永强，陈俊豪，李 佳

（广州新华学院，广东 广州 523040）

1 引言

随着物联网发展下智能化产品不断创新和涌现，人们的消费模式不断改变，智能化产品越来越吸引人们的眼球。2004年至今超市行业规模不断扩大，而智能购物车也是顺应时代发展的产物。

本文设计的智能购物车拥有超声波测距模块、红外探测模块、压力传感器模块、RFID射频识别模块、GPS全球定位系统模块等硬件，其功能可以在用户找不到商品时通过GPS来定位商品位置，让智能购物车自动导航引路。当用户想要了解一个商品的详细信息时，可以通过使用购物车上的RFID读取器对商品信息进行读取，并且显示在购物车上的LCD液晶屏上。当用户将商品放入购物车中，压力传感器会自动为商品称重。用户结账时只需要将购物车推到指定位置，LCD液晶屏上便会显示结账信息和付款二维码，大幅提高购物效率。

2 基于STM32单片机的智能购物车系统设计

本系统由智能购物车硬件系统、人机交互系统以及小程序组成。系统总体框图如图1所示。

图1 系统总体框图

首先客户在小程序中请求一辆智能购物车，系统分配购物车后，购物车开始运行，在人机交互系统上输入想要的商品，购物车通过GPS获取商品所在货架的路线，开始控制电机向路线行驶，通过超声波测距模块进行检测是否前方有障碍物和通过红外探测来实现避障功能，图像识别模块获取商品信息，压力传感器对比是否遗漏商品未被获取，用户使用RFID标签阅读器进行扫描货架标签获得商品所有信息（生产日期、生产厂家、生产材料等），最后用户将购物车推放至指定位置，系统将所有获取到的商品数据进行上传，形成二维码进行支付，购物车进行导航去消毒室进行消毒，实现购物车全程智能方便用户的目的。

3 系统硬件设计

硬件部分以STM32F383VC芯片为核心连接直流电机，由红外探测、超声波测距模块、GPS定位模块、压力传感器、图像识别模块、LCD显示屏构成。STM32芯片由MDK Keil进行编程，以C语言为主要编程语言进行系统硬件设计。

3.1 主控制器件

主控制器件采用STM32F383VC芯片，STM32F3是意法半导体最新推出的产品。此芯片整合了带有DSP与FPU指令、工作频率为72 MHz的32位ARM Cortex-M4内核和高级模拟外设，具有高性能、实时功能、数字信号处理、低功耗与低电压操作特性，同时还保持了集成度高和易于开发的特点。

使用的软件：

1）STM32CUBEMX（用于配置stm32初始化工程）；

2）MDK Keil（用于编程、调试软件）；

3）串口调试助手（用于调试软件）；

4）驱动软件：Jlink 、STlink 驱动（调试器）；CH340驱动（用于串口通信）。

3.2 电机驱动模块

电机驱动采用的是TB6612FNG，TB6612FNG是东芝半导体公司生产的一款直流电机驱动器件，它具有大电流MOSFET-H桥结构，双通道电路输出，可同时驱动2个电机。它是基于MOSFET的H桥集成电路，效率比晶体管H桥驱动器高的多，相比于其他芯片，无需外加散热模块，外围电路也十分简单，只需要外接电源滤波电容即可驱动电机，可以缩小整个系统的尺寸，而对于PWM信号来说，高达100kHz的频率比其他常用的芯片有着很大的优势，满足智能购物车运行的需求。

3.3 全球定位系统模块

GPS模块采用的是AN1303 ATK-NEO-6M，ATKNEO-6M-V23模块是ALIENTEK 生产的一款高性能 GPS模块，UBLOX公司的 NEO-6M 模组作为其模块核心，它有50个通道，追踪灵敏度高达161dBm，输出顿率最高可达5Hz。选用这个模块的原因：①体积小，性能高；②搜索卫星能力强；③可通过串口进行各种参数设置，比较方便；④自带IPX接口，可以连接很多有源天线；⑤兼用3.3V、5V，可以连接STM32。

3.4 图像识别模块

扫码模块采用的型号是GM65嵌入式二维码读取模块，GM65扫描设备模块具有功耗低、工作电流小于150mA、一体化设计、体积小等特点，并且支持所有通用的一维码以及常用的二维码，可支持TTL232和USB接口，并且GM65扫描模块获取的数值可以直接在文档中直接显示，更加便捷于商场控制人流量、加速购物等需求。

若无扫码直接放进购物车后，内部摄像机拍到的商品，进行图像处理获取商品信息，获取条形码流程如图2所示。

图2 获取条形码流程图

3.5 避障模块

本设计分为两个超声波避障和红外线避障模块。在设计上采用两种方案同时检测，并依据测得数据为刹车提供数据，实现购物车避障功能。

（1）超声波避障模块

本模块采用HC-SR04，根据超声波测距原理以及公式可得购物车测距为2~400cm。当超声波检测到有障碍物时，将会传输信号返回使得购物车停止。

（2）红外线避障模块

本模块采用HJ-IR2，用红外光反射原理进行计算距离，此模块检测距离为2~30cm。

3.6 LCD屏幕

LCD液晶显示屏采用串行接口，其工作电压保持在2.6V到6V范围之内，采用800×480像素，显示亮度为300~1 000 nit，工作温度-20℃～70℃。液晶显示屏引脚编号1~5的控制端口，能与STM32单片机相应的GPIO口进行连接，LCD相应的背光电源端口在第8引脚，单片机的I/O口对三级管导通进行控制来对通断背光电源调节，实现对节省功耗。

3.7 压力传感器

本模块使用HX711芯片，与其他芯片相比，该芯片不仅集成了包括稳压电源、片内时钟振荡器等其他同类型芯片所需要的外围电路，具有集成度高、响应速度快、抗干扰性强等优点，而且还降低了电子秤的整机成本，提高了整机的性能和可靠性。本芯片工作电压范围为2.6~5.5V。

3.8 RFID射频识别模块

本模块采用M3650A-HA，与STM32连接，采用UART TTL接口，模块的TXD引脚接单片机RXD引脚，模块的RXD引脚接单片机TXD引脚，GND与STM32的GND相连形成共地，需3.3~5V 电源给模块供电。

4 系统软件设计

4.1 购物车主程序设计

在用户通过小程序选择了自己需要的购物车后，开启购物车系统，进行主程序初始化，初始化之后，启动硬件系统，开启人机交互，随后，获取购物车数据，实现预购商品、预测人流量及预约购物车功能。同时，通过GPS定位系统，定位出购物车所在位置以及预购商品位置信息，并且通过红外感应器对前方进行检测，如果在自动导航过程中检测到障碍物，通过PWM信号控制电机进行转向避让，实现避障功能，随后通过硬件系统串口获取称重和扫描模块的信息，将选择的商品通过WIFI模块的AP模式发送到结算台。

4.2 结算台程序设计

结算台的主要功能是打印小票以及提供购物车结算场所，方便顾客进行统一结账，可以起到收银台的作用，是整个购物环节最重要的一环。结算台系统初始化，将WIFI模块配置为AP模式之后，检测用户是否需要与结算台建立连接，如果不需要则返回主程序系统，可继续购物，如果需要连接，则通过RFID提交商品数据以及显示付款码和商品信息，方便客户进行比对，付款成功则自动导航至消毒室进行消毒，关闭主程序系统，等待下一位用户唤醒。

4.3 智能避障程序设计

智能避障功能主要是通过超声波以及红外感应器感应实现购物车智能避障，通过最优路线算法判断在导航至所需商品的途中遇到障碍物时，应继续前进、后退、左转还是右转。避障程序设计图如图3所示。如果红外感应器识别到障碍物就产生中断，在中断没有处理完之前不处理超声波产生的PWM值，同时向障碍物反方向运动，避免撞上，如果没有识别到障碍物，则首先设置一个PID参数，计算出超声波左右之间的差值，并提前设定差值，如果差值是正数就右转，如果差值是负数就左转，如果是相等的情况购物车就继续执行。在计算PWM的时候，必须要确保相距不能太大或者太小，如果符合，则将数据差值与转向控制参数相乘，即可得到控制的PWM，最后将PWM值传给购物车，实现提前转向，自动转向功能。

图3 避障程序设计图

4.4 称重程序设计

称重系统是购物车必不可缺的一部分，是购物车的基础功能，首先是检测选择的商品是否需要启动称重系统，比如零散装的零食等，如果需要称重则启动称重系统，然后获得商品重量信息，并且将商品的重量信息显示数据显示在屏幕上，可提供给用户核对商品信息以及商品重量是否正确。

4.5 微信小程序设计

小程序设计主要功能是为了提供购物车的使用情况，便于人们推测人流量以及预购商品和预约购物车，次要功能是根据登录用户的历史浏览记录，通过云计算和大数据分析，得出用户经常浏览商品的种类，以此为基础，推荐类似商品供用户选择。

5 结束语

本文设计了一个具有多种功能的智能购物车。可以通过小程序对智能购物车进行预约以及扫码控制使用。智能购物车可以进行导路、称重、扫码结账、自动消毒、显示商品信息。结合了超声波测距、红外探测、压力传感、RFID射频识别、GPS等技术。购物车实现在平整的路面上自动驾驶，并且较为准确地进行导航与避障。购物车内程序实现稳定运行。扩展了传统购物车的应用功能，融入了许多现代智能元素，对于线下超市的发展是一种可行的新方案。