大型超市智能代步购物车设计与实现

杨佳颖 李光明 韦玉崇 陈红艳 吴昌兰

关键词：智能代步；导购系统；防撞系统；经济；便捷

早在1898年美国就发明了超市购物车，经不断改良设计后，在1937 年投入市场，逐步成为超市的标配[1]，我国大型超市中以支架型购物车为主。随着科技的发展，人们的生活质量不断提高，在日常超市购物上也提出了新的需求，如减少挑选时间和排队付款时间，商品位置清晰，商品信息全面可自动比选，购买推荐，必买品、促销品、临期品等提示，购物过程释放双手等。目前传统的手提篮购物存在容量小、费力，或手推购物车购物存在搜寻目标商品不便捷、体力消耗大、商品难选择等诸多问题，为解决上述问题，智能购物车便应时而生。2008年微软开发了MediaCart智能购物车，实现向消费者提供超市商品信息和计算所选商品价格的购物车[2]。2011年韩国SK Telecom公司推出一款“Smart Shopper”智能推车，与MediaCart不同的是节约了消费者在超市选购商品的时间，SmartShopper支持导入购物清单，在智能购物车的引导下完成购物[3]。国内以传统购物车为基础开发了诸多购物车，结构上通过外观改进、增加刹车装置、各种传感器、识别装置、显示装置等[4-6]，硬件上以Arduino、STM32单片机为核心设计各功能电路[7-8]，软件上开发了“商品识别、称重和计价系统，商品导购系统，商品信息查询系统”等[9-11]，智能购物车已基本具备较好的安全性，能够实现扫码结算、商品查询、票据打印、购物导航等功能，在部分超市中已有试用。

上述研究虽解决了智能购物的诸多问题，但仍存在设计的购物车结构复杂、对传统购物车改动较大、增加的部件和功能模块较多、成本较高，市场推广较难等问题。为降低智能购物车成本，提高购物便捷性和购物效率，本文将物联网技术与传统购物车相结合，设计了一种大型超市智能代步购物车，实现解放双脚、在导航的引导下自由购物。在一定程度上减少了购物者在购物时的体力消耗，能够轻松、快捷、高效选购到满意的商品，同时提高了商场的运行效率，能降低商场部分运营成本，实现商家和消费者的双赢。

1 结构设计

智能代步购物车整体结构如图1所示，购物车为“人”字式，设计容量100升，选用不锈钢金属组装而成，整体由六部分构成，即代步行走装置（1）、储物筐支架（2）、储物筐（3）、移动终端设备支架（4）、防撞装置（5）、转向轮（6），整体结构图如图1所示。

（1） 代步裝置。为实现解放双脚轻松购物，对传统的“人”字型购物车进行改装，即将“人”字型购物车的后轮改装为电动平衡代步装置，如图2所示。图中101为代步装置车轮防护盖，通过螺栓与车身连接，起防护作用，防护鞋带、裤脚等缠进车轮中，导致车轮不能正常转动；102为踏板，供购物人站立用，由四颗螺栓与下方的传感器相连接，踏板下侧安装有传感器，用于检测平衡车姿态；103为嵌入右边车身的隐藏式电源开关；104为车身，整体为钢结构，外侧采用塑料件防护，车身与驱动轮通过连接轴（106） 连接，上部安装踏板，内置电路控制模块、平衡感应模块、电源模块等几部分；105为驱动轮，内置驱动电机，左右两侧各1个；为不影响操控平衡车，在连接轴中部套装一个轴承（107） ，购物车支架后腿穿过防护罩（101） 上开设的条形槽后与轴承外侧焊接连接，当购物者站立于踏板上后，即可控制平衡车按照导航自由行走。

（2） 支架与购物筐。支架设计为“人”型结构，采用不锈钢管材制作，用于支撑储物筐，前端安装一组可360度旋转的转向轮，后端连接在代步装置的连接轴上。储物筐采用不锈钢钢筋编织焊接而成，设计容积100升，为了能使消费者更加轻松快捷地购物，在购物车两手柄间设计了一个移动终端支架，购物时消费者可将内置智能导航系统的移动终端放置在支架上，通过移动终端搜索所需商品便可生成导航指引消费者到相应区域购物。在移动终端支架的下方设计的大支架可作为幼儿座椅，两个支架在相同的方位，带小孩子的消费者也可以在照顾小孩的同时使用导航。

（3） 防撞装置。为避免因购物车被填满出现视觉死角而发生撞车事件，在购物车前端下方安装红外线报警装置，利用红外线传播需要时间的特点计算出购物车与障碍物的距离，当距离小于15cm时发出警报避免发生撞车带来危险，提高购物车的安全系数。

2 系统设计

2.1 代步装置系统设计

代步装置系统框图如图3所示，装置以STM32控制器为核心，控制器接收并处理姿态检测传感器和距离检测传感器采集的倾角、角速度、速度和距离等信息，输出电机控制信号（PWM） ，对车轮电机进行控制，实现控制购物车前进、后退、转向、加速、减速、停止等。图中电源模块负责给代步装置各功能模块和防撞系统提供电源；传感器模块负责采集和处理代步装置姿态信息，并生成控制信息输入控制器；通信模块负责与上位机的通信并传递代步装置检测和行驶信息；电机驱动模块负责对电机控制信息的实现，并将电机运行速度反馈至控制器进而实现代步装置的平衡行驶。

2.1.1 控制器模块

综合考虑成本和性能需求，控制器采用STM32F407最小单元系统设计[12]，负责处理传感器采集的数据信息并生成控制信号，并将控制信号传递给各功能模块，实现对代步装置的动态平稳控制。该控制器具有数据传输速率快、效率高、配置灵活、功耗低、可扩展等特点，集成FPU和DSP指令，采用32位高性能ArmCortex-M4处理器，最高主频可达168MHz，能够实现高速采样计算处理，具有192KB的静态随机存取存储器和1024KB的闪存。STM32F407有多个I/O端口，支持SWD和JTAG两种调试接口，外设丰富，多达17个定时器和17个通信接口（3个I2C接口、6个串口、3个SPI接口、2个CAN2.0总线接口和2个USB接口），3个12位模拟数字转换器（ADC） 和2个12位数字模拟转换器（DAC） ，支持双采样和保持功能，电源电压1.8～3.6V。

2.1.2 供电模块

系统采用36V锂电池组供电，为满足各模块不同供电电压的需求，设计采用SL1509HV和AMS1117降压芯片对电池组进行二级降压处理，分别稳定输出3.3V、5V二级电压，其中3.3V供控制器模块和传感器模块，5V供电机驱动模块和防撞系统。SL1509HV芯片输入电压5.0～48V，输出电压可调或5V，输出电流2A，工作频率150kHz，静态电流5mA。AMS1117芯片输入电压3～12V，输出电压3.3V。

2.1.3 传感器模块

采用ENC-03型角速度传感器和MMA7260型加速度传感器负责采集代步装置姿态信息（倾斜角度、角速度、加速度），并将信息输入控制器处理后输出控制信息，实现准确控制代步装置的速度、方向和平衡。ENC-03角速度传感器具有体积小、重量轻、响应快、功耗低、成本低等优势，能输出与角速度成正比的模拟电压信号，供电电压2.7～5.25V，最大角转速为±300deg/s，比系数为0.67mV/ （deg·s），响应频率50Hz；MMA7260三轴加速度传感器具有灵敏度高、功率消耗小、稳定性好等特点，能精准读取平衡车行驶姿态，功耗500μA，工作电压3.3V。

此外为获得代步装置行驶速度和方向，采用霍尔编码器（旋转式传感器）检测，STM32F104控制器接收编码器输入的A、B两相脉冲信号并计算出代步装置的速度矢量，速度测量如公式（1） [13]所示。

式中：v（t）、v（△t）分别为车轮线速度和初速度；n（△t）为v（△t）速度下，△t 时间内控制器接收的信号个数，v（△t）/n（△t）为编码器分辨率；r 为代步装置车轮半径。

2.1.4 驱动模块

该模块采用ST公司生产的L298N双H桥直流电气驱动芯片，具有工作电压高、输出电流大，最高工作电压和持续工作电流分别可达46V 和2A 等特点。L298N可直接对代步装置左右两侧直流电机进行控制，并利用主控制器的I/O输入来调节电动机的控制电平，该方法具有操作简单、稳定性好等优点，实现控制电机正转、反转、制动和停止。电机驱动流程如图4所示。

2.1.5 串口通信模块

串口通行模块采用MAX232芯片，包括2个驱动器、2个接收器和一个提供TIA/ElA-232-F电平的电压产生电路，用于解决将单片机输出的TTL电平至232电平，直流+5V供电。

2.2 导购系统设计

导购系统可开发为移动终端内的微信小程序或独立开发智购App。本阶段利用微信开发者工具，借助小程序模板建立一个程序模板，即“智购商场”微信小程序，如图5所示，购物者需打开微信的GPS权限，系统分商家端和消费者端两部分。

2.2.1 商家端口

為商家提供地图导入端口，各个商家可导入自己店铺

平面图，借助手机GPS定位系统进行后期现场商品定位调试，确定各类商品定位图，以减少导航时的误差。各类商品名称和位置支持修改，由商家自行命名（例如：使用商品名称，薯片、可乐、口香糖等）。若物品位置有所更改，各地点名字也可以随时更换。

商家还可以根据自己的需求成立自己的跑腿部门或者联系跑腿公司，在小程序上添加外卖服务，进行线上商品销售。

2.2.2 消费者端口

消费者进入商场后打开微信开启小程序，系统根据定位自动匹配相应的商场。消费者可根据商家的命名方式进行位置查找（例如：输入所需商品名称，系统根据定位自动生成路线进行导航）。

2.3 防撞系统设计

为提高购物车在行驶过程中的安全性，设计了红外线报警系统，通过报警灯和蜂鸣器提示购物车在行驶过程中将撞到商品、行人或其他设施的警告。防撞系统电路如图5所示，LM324AJ四运算放大器中UC1、UC2 的输出端分别连接红外线发射管D1 和接收管D2，在无遮挡或障碍物超过监测范围时，接收管D2截止，发光二极管和蜂鸣器不工作，当障碍物距购物车距离小于15cm时，接收管D2接收到红外光，其负极电压急速下降，二极管导通，发光二极管逐渐变亮和蜂鸣器响，距离越近，导通电流也大，声光报警越强烈，提示购物车需要避障。

经模拟仿真和实物测试，设计的报警系统能得到很好的避障提示，当购物车距离障碍物距离小于15cm 时，发光二极管和蜂鸣器工作，提示前方有障碍物。

3 经济性分析

设计的智能代步购物车，主要技术参数：容量100 升、额定电压36V、额定容量236Wh、电机700W（350W×2个）、最大续航15km、载重15～100kg、平均充放电500次。以传统的“人”字型手推式购物车相比，减少了一对万向轮，更换为电动智能代步装置，增加了一个防撞报警装置和移动端导购系统。以一个1万平方米的大型超市为例，购物车和导购员分别按100m2/个、200m2/个、导购员工资3500元（/ 月·人）计，从投资成本和使用成本两个方面对比分析智能代步购物车的经济性。

（1） 投资成本分析：参考京东平台同容积手推车式和10寸两轮平衡价格，单台购物车投资成本如表1所示，传统“人”字型购物车和智能代步购物车成本分别为300元/台×100台=3万元、1 195元/台×100台+智购商场程序开发=11.95万元+5万元=16.95万元。

（2） 使用成本分析：以一年周期测算，传统“人”字型购物车使用时除需要配置导购员发生费用外，其他维护费用不计，则此部分费用为50人×3 500元（/ 月·人）×12月=210万元；智能代步购物车可直接减少导购人员数量，保守估计减少导购人员50%，则此部分费用为25人×3 500元（/ 月·人）×12月=105万元，此外智能代步购物车还会发生充电费用，每台购物车按50%放电深度、每天充一次电计，则此部分费用为1.2元/kWh×0.236kWh/台×50%×100 台×365=5 168 元；智购商场App维护费，按1万元/年计。

经对比分析，智能代步购物车初期投入成本约是传统购物车的5.5倍，但在使用成本上智能购物车远低于传统购物车，仅是传统购物车的51.2%，自第2年起，智能代步购物车较传统购物车每年可节省102.5万元费用，具有很好的经济性。此外，代步装置和使用导购系统，极大地降低了购物者体力消耗，实现轻松、快捷、高效购物。

4 结论

本购物车以电动平衡代步装置代替传统“人”字型购物车后轮，实现了轻松、自由购物；开发“智购商场”微信程序，实现线上比选、导航指引购物；防撞系统提升购物车安全性；与传统购物车相比，具有较好的经济性，使用成本约减少了50%，实现消费者与商家双赢。