具有自動識別功能的超市蔬果稱重裝置*

楊 京，焦 亭，楊雅婷，樊冰芬，平家樂，廉宇凱

（山西大學自動化系，山西 太原 030006）

隨著人民日益增長的美好生活需要的提高，社區服務業正處于蓬勃發展階段。為老百姓衣食住行提供服務的零售行業，現在正面臨著巨大的挑戰，一方面要為社區顧客提供滿意的服務，另一方面又要面對龐大的客流。無人超市作為一種新型的購物模式逐漸走進人們的生活，其目的正是為了解決零售行業目前所面臨的問題，而要真正實現無人化，就需要結算裝置能自動識別目標商品。

電子秤因其便捷、精準的特點，已經成功取代了傳統的機械秤，并且在零售行業得到了廣泛的使用。在原有電子秤的基礎上加上微控制器以及顯示器，就構成了目前常見的具有結算功能的電子秤，而這種電子秤的缺點就在于其需要人工輸入代碼，才能調用數據，并且花費顧客大量的時間去等待；同時因為裝置的專業性，員工需要事先培訓，才能正確使用。電子秤僅實現了結算的半自動化，并沒有解決無人超市的根本問題。

因此，亟待開發具有自動識別功能的超市蔬果稱重裝置。本科研項目在傳統電子秤的基礎上，加入自動識別模塊，利用攝像頭采集蔬果信息，通過算法，得出結果，實現蔬果自動識別的功能，并在此基礎上提高電子秤的可操作性。簡單的操作模塊，顧客只需按照提示進行操作，即可完成結算。這樣既節省了顧客的寶貴時間，也為商家減少了人力的投入，真正實現了超市無人化。

1 自動識別稱重裝置系統組成及方案設計

該系統由軟件和硬件兩部分組成。

硬件包括核心控制器STM32F103ZET6 單片機、OV5640 攝像頭、液晶顯示屏、壓力傳感器及其HX711AD 轉換模塊等。第76 頁圖1 為電路原理圖。攝像頭圖像采集模塊實時采集當前待稱重的蔬果圖像信息，并將該信息傳給STM32 單片機；運行于STM32 單片機上的AI 圖像識別程序通過分析蔬果圖像信息以識別當前待稱重蔬果的種類（該步驟為本項目實施的重點內容）；然后稱重模塊將重量數據傳給STM32 單片機，STM32 單片機再根據蔬果的種類與重量，計算出當前待稱重蔬果的價格，在顯示模塊進行顯示，并通過打印模塊打印出相應的價格標簽。軟件部分依據上述自動識別系統編寫。

2 自動識別稱重裝置硬件設計

2.1 STM32F103ZET6 單片機

單片機作為本科研項目的核心部件，選用STM32F 系列產品，屬于中低端的32 位ARM 微控制器，為高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用專門設計，十分適合智能系統的研發。其內核為ARM32 位Cortex-M3 CPU，最高72 MHz 工作頻率，具有高可靠計算速度，為實現自動識別算法提供了可靠的硬件基礎。STM32F103ZET6 單片機采用144引腳的設計，其中GPIO 口多達112 個，提供多輸入多輸出端口，方便數個模塊同時接入。除了模擬輸入，所有端口都可以被映射到16 個外部中斷向量, 并且允許5 V 以內的端口輸入電壓。STM32F103ZET6 單片機具有豐富的通信接口：USART 接口（攝像頭圖像采集模塊使用）、IIC 接口（稱重模塊使用）、SPI 接口（顯示模塊與網絡連接模塊使用） 以及其他接口等[1]。

圖1 電路原理圖

2.2 攝像頭圖像采集模塊

攝像頭圖像采集模塊是單片機的眼睛，必須保證其采集圖像的清晰度，同時也要滿足低功耗、體積小、便于連接等特點。OV5640 是一款CMOS 類型數字圖像傳感器，它具有體積小，工作電壓低等特點，最大像素也可達到30萬（640×480 分辨率），適合作為本項目的圖像采集模塊。輸出圖像數據采用VGA 時序，支持YUV（422/420）、YCbCr422 以及RGB565 數據格式，可以進行伽馬曲線、白平衡、飽和度、色度等基礎處理，補償所采集的圖像，為自動識別算法提供了辨識度高的圖像，提高了結果的準確度[2]。

圖2 為OV5640 圖像傳感器與單片機引腳連接示意圖，其中共有8 條并行數據線，分別接單片機的PB8～PB15；VDD 接3V3；GND 接地；其余為控制信號線，其中SIO_C 為SCCB 接口的控制時鐘線；SIO_D 為SCCB 接口的串行數據輸入端；VSYN為幀同步信號（輸出信號） 端；HREF 為行同步信號（輸出信號） 端；PCLK 為像素時鐘（輸出信號）端；XCLCK 為時鐘信號（輸入信號） 端；RRST 為讀指針復位信號端；WRST 為寫指針復位信號端；OE 為輸出數據使能端；WEN 與HREF 共同控制FIFO 的WE 引腳，當WEN 與HREF 同時為高電平時，WE 為低電平，OV5640 可向FIFO 寫入數據。

圖2 攝像頭圖像采集模塊接口圖

2.3 稱重模塊

稱重模塊采用HX711 AD，該模塊將壓力傳感器檢測到的重量轉換成數字信號傳輸給單片機，保留了傳統電子秤的精確度。HX711 AD 模塊為24 位高精度模塊，帶有放大器功能，IO 口時序簡單，類似于I2C 接口，方便使用，故采用此模塊來替代放大器，并進行數模轉換[3]。

壓力傳感器與HX711AD 共有4 根信號線連接，用來采集傳感器應壓片的差壓信號，經模數轉化，傳遞至單片機。單片機與HX711AD 連接，其中VCC 用來供5 V 電壓，GND 接地，DT 為串口數據輸出線，SCK 為串口時鐘輸入。其連接見圖3。

2.4 顯示模塊

圖3 稱重模塊接口圖

顯示模塊作為信息輸出的終端，將自動識別算法和最終要顯示的信息通過可觀的形式，顯示在屏幕上，方便用戶獲取結果。ILI9341 是一種薄膜晶體管（Thin Film Transistor，TFT） 液晶顯示器，具有26萬色的240RGB×320 像素顯示解決方案。ILI9341 支持并行8/9/16/18 位數據總線MCU 接口，6/16/18 位數據總線RGB 接口和3/4 線串行外圍接口（SPI）。窗口地址功能內部GRAM 可以制定移動圖像區域。選擇性更新指定的窗口區域，這樣可將所選的靜止區域和移動區域同時顯示。在設計重量顯示程序時，只需要將商品的重量信息設為移動區域，其余為靜止區域，減少屏幕的刷新頻率，大大降低系統消耗功率[4-6]。

ILI9341 與單片機連接見第77 頁圖4。其中DB0～DB15 為并行數據輸入/輸出端；有5 條GND地線；VCI 接3V3 電源；IOVCC 為數字電路電源（1.65 ～3.3 V）；CS_MAIN 接LCD_CS，為 片 選 端（低有效）；RS 接LCD_RS，為命令/數據輸入端（0：命令，1：數據）；WR 接LCD_WR，可以向LCD 寫入數據控制端；RD 接LCD_RD，可以從LCD 讀出數據控制端；LCD_RESET 接LCDRESET為復位管腳（低有效）；其中3 個NC 口懸空，不接線。同時該屏幕有觸摸控屏功能，因為本項目沒有用到，所以不在此贅述。

2.5 網絡連接模塊

圖4 顯示模塊連接圖

網絡模塊是自動識別算法實現的核心，將采集的圖像信息上傳至百度云智能識別平臺，通過AI算法，得到一系列結果并下傳至單片機，單片機便可做后續處理。W5500 是一種簡單易用的硬件化以太網接入方案，可以使單片機實現與互聯網的連接。硬件協議棧的方式可以建立快速高效的連接，簡化產品開發方案，降低編程的工作量。它代替了以往的單片機來處理這些中斷請求，單片機只負責向用戶的應用層數據，其他層全部由外圍WIZnet芯片完成。這種工作方式做了幾乎所有的TCP/IP協議工作，大大減少了單片機的中斷次數，使單片機可專注于其他工作。而且硬件化的電路處理協議會更加快速、穩定。對于有限的內存來說，這套方案的代碼量僅有10 KB 左右，主要是完成對Socket的編程以及寄存器的調用，遠小于軟件協議方案。同時硬件化的邏輯門電路彌補了網絡協議安全性不足的短板，網絡攻擊和病毒對它無效，免受安全問題的困擾。

3 自動識別稱重裝置軟件設計

用戶將商品放置在壓力傳感器上，同時傳感器將商品重量通過HX711 數模轉換并發送至單片機；攝像頭采集模塊自主采集商品圖像并將商品圖片信息發送至單片機。單片機通過W5500 連接互聯網，并與百度AI 智能識別平臺實現互聯。用戶在按下“結算”按鍵后，單片機將圖像信息上傳到百度AI智能識別平臺，經過云計算，得到商品信息，由于得到結果是該圖像的一系列識別結果及其置信度，單片機自動選取置信度最高的結果作為所得商品信息，調用事先錄入的商品單價，通過函數計算得到最終的結果，即商品品名、單價和總價（見第78 頁圖5）。

如果用戶發現所識別商品信息與實際不符，可以選擇重新識別。用戶需要按下“重新識別”按鍵，液晶屏顯示“請調整商品角度并進行重新識別”，待重新調整結束，用戶繼續結算，系統便可重新識別產品。

若攝像頭、傳感器、網線未插好，液晶屏會顯示“設備未準備好，請先檢查設備”。待用戶重新接線后，系統自動重啟并初始化，重新檢測接線狀態，若接線信號無誤，便可正常運行。

4 自動識別稱重裝置實驗結果及分析

圖5 程序流程圖

本項目最核心的技術是運用物聯網，將單片機與互聯網連接，實現自主識別功能。這是未來自動化技術發展的大趨勢，同時百度云智能識別平臺已具備成熟的技術，可以供開發者調用，又能大大降低編程的難度，是極好的實施方案。

在調試中，發現在沒有連接攝像頭和壓力傳感器時，LCD 液晶屏會出現白屏的情況，這是因為程序在沒有傳感器信號傳回時，程序不能自主跳到下一步。所以在原有程序的基礎上添加了檢測程序，當單片機檢測到沒有信號后，會提示用戶“設備未準備就緒”，提醒用戶檢查接線是否正確，待用戶重新接線后，便可繼續使用。

考慮到在特殊情況時沒有網絡，自動識別系統將無法使用，為了使電子秤繼續使用，可以選擇將其調至傳統工作模式，即需要人工輸入商品信息該稱重裝置才能正常使用。所以添加傳統超市電子秤子程序，顯示并打印商品的信息，保證了商戶的正常運作。

5 結束語

該稱重裝置結構合理，既實現了自動識別功能，同時也兼容了傳統電子秤的性能，方便用戶使用，以實現無人超市為目標，體現了較強的過渡性，充分考慮目前市場需求，具有良好的應用前景和市場推廣價值。

在接下來的研究中，考慮構建自己的圖像識別系統，以便在離線的情況下也可以具有自動識別功能，進一步改善系統性能。