基于樹莓派學生就餐計費系統設計

苗奎 張杰超 張明瀚

摘 要：高校食堂學生就餐人數多，就餐等待時間長。本文針對這一問題，設計了基于樹莓派的學生就餐計費系統，以重力傳感器數據判斷學生選擇菜品，以Python開發計費系統界面程序，以完成價格結算，節省人工計費時間，縮短學生就餐等待時間。

關鍵詞：樹莓派;自動計費;學生;就餐

1 緒論

高校學生人數眾多，學生就餐時間較為集中[1]，中午第四節課下的就餐問題尤為突出，容易造成學生就餐擁堵問題，甚至部分學生為避開就餐高峰期而改變就餐規律，引發相關疾病。此外，在春秋季節，學生中午休息時間短，就餐時間過長容易造成學生休息時間不夠，影響學生聽課效率。為此，有學者研究了學校食堂窗口數和學生排隊關聯性問題[2]，通過優化食堂窗口數量，節省學生的排隊時間，降低學生就餐擁堵。但學校的窗口數量并不會一直保持在最優窗口數。窗口數量會隨著各自窗口的營收額度發生變化，虧本的窗口勢必不會再續租甚至提前退租。若退租窗口數量較多，短時間內必然又會引發學生就餐擁堵問題。而文獻[3]則通過仿真技術手段模擬食堂窗口工作人員的服務時間和學生排隊之間的關系，指出提高工作人員服務時間也可縮短學生就餐時間，但食堂工作人員素質大多數較低，服務意識較差，并不能一直保持高水準的服務。

為此，有學者通過節約學生就餐結算時間達到縮短學生就餐時間的目的。文獻[4]采用射頻識別技術讀取每個餐盤預先設置的菜品及價格信息，從而進行價格結算和自動扣費，但該方法使用的餐盤需要單獨定制，數量多，總價高。針對此問題，文獻[57]提出采用不同顏色的菜盤，以菜盤顏色區分菜價，應用圖像識別技術，識別菜盤顏色的，進而實現自動結算功能，但系統為穩定性不高，識別誤差率較大。文獻[8]應用成熟的OpenCV技術提高了圖像識別成功率，提高了系統的穩定性，但采用圖像識別技術需要高精度攝像頭、托盤傳感器等高費用硬件裝置，且圖像識別技術存在識別準確率無法達到100%的問題，會出現誤判的情況，反而會引發意外糾紛，延長學生就餐時間。

本文針對上述就餐自動計費系統存在的問題，本文設計了基于樹莓派的學生就餐自動計費系統。以重力傳感器數據判斷學生選擇菜品，以Python開發計費系統界面程序，以完成價格結算，節省人工計費時間，縮短學生就餐等待時間。

2 系統設計

為滿足就餐計費自動結算目的，同時考慮設備造價和運營成，本文采用重力傳感器判斷學生選擇的菜品，通過樹莓派處理相關信息，實現就餐計費自動結算，重力傳感器和樹莓派布置如圖1所示。樹莓派是一種高性能、價格低廉的微型電腦，采用ARM架構，可運行Linux系統，第四代樹莓派處理器運行速度達到1.5GHz，其性能遠高于單片機。由于樹莓派運行Linux系統，樹莓派可采用Python語言作為系統開發程序語言，該語言具有簡單、易懂的特點，且庫文件較多，適用于中小型項目。為了存儲和更改學生信息，本文采用MySQL數據庫，該數據庫具有成本低、速度快的優勢。

2.1 硬件組成

本文設計的樹莓派學生食堂自動計費系統硬件部分由以下幾個器件組成：

（1）重力傳感器：用于判斷學生選擇的菜品。食堂各菜品下安裝重力傳感器，學生選擇該菜品時，該菜品重力下降。

（2）樹莓派：數據處理。根據學生選擇的菜品，自動計算價格，并進行結算。

（3）顯示器：計費結果展示。用于展示學生一卡通信息和費用結果。

（4）讀卡器：讀取學生一卡通信息。

2.2 軟件設計

本文設計的學生食堂自動計費系統軟件程序處理過程如圖2所示。

樹莓派讀取重力傳感器信息，判斷學生選擇的菜品。根據系統中預先設置的菜品單價，計算本次就餐費用。讀取學生一卡通余額信息，將更改后的余額信息寫入學生一卡通信息數據庫和一卡通芯片，并展示學生的本次就餐費用。本次測試采用華為Nova5z手機，重量為178克，430克平板，樹莓派讀取重力傳感器信息，如圖3所示。

根據樹莓派稱重結果，判斷學生選擇的菜品，進而計算學生消費金額。本文根據食堂快餐的實際售價情況，將所有菜品分為特價菜、素菜、葷素、葷菜四種類型，特價菜指價格較為低廉的菜品，通常定價為0.5元，素菜定價為1.5元，葷素菜定價為3.5元，葷菜定價為5元。當工作人員打取某一區域菜品，該菜品重量必然下降，樹莓派檢測傳感器信號，若重量下降，則可認定為學生購買了該菜品，其過程如圖4所示。

同時，樹莓派讀取學生一卡通信息和相應數據庫信息，將計算后的消費數據寫入一卡通和數據庫，更改數據庫和一卡通信息。本系統的數據庫采用MySQL數據庫，該數據庫具有成本低、速度快的優勢，十分適合用于小型管理系統。為方便創建和管理數據庫信息，本文利用數據庫管理工具Navicat創建和管理數據庫，創建的數據庫主要由菜品、訂單細節、學生信息等部分組成，如圖5所示。

2.3 軟件界面設計

本系統軟件界面開發采用Python語言自帶的界面開發庫Tkinter完成，運行結果如圖6所示。

3 結論

高校學生就餐時間較為集中，為縮短學生就餐時間，更好地實現錯峰就餐，設計了基于樹莓派的學生就餐自動計費系統，該系統具有可靠性高、經濟性高的特點。

參考文獻：

[1]曹茜，顧禹堯.基于排隊論的高校食堂窗口設施布置優化——以上海電力大學為例[J].高校后勤研究，2020，000（001）：3133.

[2]李欣，肖芳園，楊牡丹.高校食堂排隊模型的研究[J].現代物業（上旬刊），2012（10）：3739.

[3]張忠山，盧曉軍.基于非平穩泊松到達的食堂就餐模型仿真與優化[C].第13屆中國系統仿真技術及其應用學術年會.

[4]吳禎，韓劍輝.基于RFID的餐盤自動結算系統[J].科技創新與應用，2019，000（031）：3738.

[5]周建平.基于菜盤顏色特征的食堂自助結算系統[J].電腦知識與技術，2017（27）.

[6]易璐璐.學生食堂智能刷卡計費系統的設計與實現[D].

[7]趙琳，郝張紅，王雅君.基于顏色識別的食堂結算系統的設計[J].電子測試，2016（12）：1719.

[8]張震宇，汪洋，張家龍.基于OpenCV的餐廳自動化結算研究[J].浙江科技學院學報，2017（3）.

基金資助：大學生創新項目學生就餐自動計價扣費裝置（項目編號：yxkc201941）