具有識(shí)別分析功能的超市蔬菜稱重系統(tǒng)

樂坤

（武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢430070）

隨著人民生活水平的提高，超市購(gòu)物逐漸成為常態(tài)。但這也引發(fā)了下班時(shí)段超市蔬菜區(qū)稱重排隊(duì)的問(wèn)題，這不僅浪費(fèi)了顧客的寶貴時(shí)間，給顧客帶來(lái)不好的購(gòu)物體驗(yàn)，還減緩了超市的結(jié)算速度，影響超市的收益。此外，隨著人工智能的興起，無(wú)人超市發(fā)展迅猛，但要實(shí)現(xiàn)真正的無(wú)人化，需要使用具有自動(dòng)識(shí)別稱重功能的設(shè)備[1]。

針對(duì)上述存在的問(wèn)題，亟待開發(fā)一種具有識(shí)別分析功能的超市蔬菜稱重系統(tǒng)[2]。本項(xiàng)目在傳統(tǒng)電子秤的基礎(chǔ)上，加入自動(dòng)識(shí)別功能和數(shù)據(jù)分析功能，使該系統(tǒng)不僅能為用戶提供快速的蔬菜識(shí)別稱重、打印小票服務(wù)，還能為超市管理者對(duì)蔬菜的補(bǔ)充、進(jìn)貨、促銷等決策提供參考。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以搭載了YOLO V3蔬菜識(shí)別算法、數(shù)據(jù)分析算法的樹莓派為核心部件，配合攝像頭、液晶顯示屏、壓力傳感器及HX711 AD轉(zhuǎn)換模塊等完成功能。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖

當(dāng)壓力傳感器檢測(cè)到質(zhì)量變化時(shí)，通過(guò)HX711 AD轉(zhuǎn)換模塊將質(zhì)量信息傳送給樹莓派。同時(shí)攝像頭開始工作，采集托盤上蔬菜圖像傳送給樹莓派。樹莓派通過(guò)YOLO V3算法識(shí)別出蔬菜品種后，從數(shù)據(jù)庫(kù)中取出該品種蔬菜的單價(jià)數(shù)據(jù)，從而計(jì)算出總價(jià)，并將信息均顯示在液晶屏上，同時(shí)打印出小票。在每筆稱重結(jié)束后，樹莓派會(huì)將該次稱重的所有信息存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，這樣當(dāng)超市管理員通過(guò)圖形用戶界面來(lái)查看某一時(shí)間段、某一種蔬菜的銷售情況時(shí)，樹莓派就會(huì)調(diào)用已封裝好的數(shù)據(jù)分析函數(shù)將數(shù)據(jù)庫(kù)中的相應(yīng)數(shù)據(jù)以圖表的形式展現(xiàn)出來(lái)。這為超市管理員在蔬菜進(jìn)貨量、價(jià)格調(diào)整、余量處理等方面的決策提供了有力的參考依據(jù)。此外，超市管理員還可隨時(shí)通過(guò)圖形用戶界面更改數(shù)據(jù)庫(kù)中蔬菜的品種與單價(jià)。

2 硬件結(jié)構(gòu)

2.1 控制模塊

本系統(tǒng)以樹莓派RPI 4B為核心控制器[3]，它是一款基于ARM的微型電腦主板，以SD/MicroSD卡為內(nèi)存硬盤，具備所有PC的基本功能。其只有信用卡大小，這使得本系統(tǒng)很容易在傳統(tǒng)電子秤上實(shí)現(xiàn)。其具有無(wú)線Wi-Fi模塊，因此不需要額外搭建網(wǎng)絡(luò)連接，在電腦上使用VNC遠(yuǎn)程訪問(wèn)即可獲得樹莓派上的數(shù)據(jù)。其還具有優(yōu)秀的圖像處理能力，尤其是4B款最高有8 G運(yùn)行內(nèi)存，這極大加快了蔬菜識(shí)別計(jì)算速度，使其成為本系統(tǒng)開發(fā)的首選。

2.2 圖像識(shí)別模塊

本系統(tǒng)采用樹莓派專用攝像頭，該攝像頭使用OV5647感光芯片，最大像素可達(dá)500萬(wàn)，傳感器像素為1 080 P，支持調(diào)焦，具有體積小、工作電壓低、便于連接等特點(diǎn)。經(jīng)測(cè)驗(yàn)，該攝像頭采集圖像清晰準(zhǔn)確、失真率低，可為蔬菜識(shí)別算法提供可靠的圖像數(shù)據(jù)。

2.3 稱重模塊

本系統(tǒng)稱重模塊由壓力傳感器與HX711 AD轉(zhuǎn)換器組成。

壓力傳感器通過(guò)應(yīng)變片將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。其上下表面各有一個(gè)應(yīng)變片，每個(gè)應(yīng)變片內(nèi)有兩個(gè)壓力電阻。四個(gè)壓力電阻組成全橋式電路，從而使傳感器具有較高測(cè)量精度。

HX711 AD轉(zhuǎn)換器將壓力傳感器測(cè)量的質(zhì)量轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。HX711是一款專為高精度電子秤設(shè)計(jì)的24位A/D轉(zhuǎn)換器芯片。該芯片具有兩路模擬通道輸入，內(nèi)部集成128倍增益可編程放大器，是一款理想的高精度、低成本采樣前端模塊。HX711通過(guò)四根插線即可與樹莓派實(shí)現(xiàn)連接，由樹莓派對(duì)其進(jìn)行供電。

2.4 用戶交互模塊

本系統(tǒng)采用3.5英寸（11.67 cm）HDML高清觸摸屏，刷新率可達(dá)60 FPS，最大分辨率高達(dá)1 920×1 080，可清晰地展示稱重結(jié)果。該顯示屏采用薄膜基板技術(shù)（TFT），水平、垂直視角均可達(dá)到170°，可滿足不同身高客戶及多客戶同時(shí)觀察的要求。該顯示屏不僅可通過(guò)HDML線與樹莓派連接，還可以通過(guò)26PIN母座與樹莓派連接。該顯示屏支持觸摸控制功能，當(dāng)超市管理員沒有電腦不能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程訪問(wèn)時(shí)，也可直接通過(guò)觸控該顯示屏操控樹莓派，來(lái)查看蔬菜銷售信息。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 蔬菜識(shí)別程序設(shè)計(jì)

蔬菜識(shí)別程序是本系統(tǒng)的核心部分。目前已有眾多算法可以在蔬菜識(shí)別任務(wù)上取得出色的結(jié)果，但各算法各有優(yōu)劣。本系統(tǒng)選用的是YOLO V3算法，它是基于YOLO V1算法發(fā)展而來(lái)的。與傳統(tǒng)的兩階段目標(biāo)檢測(cè)方法（RCNN、Fast-RCNN、Faster-RCNN）不同，YOLO系列算法省略了前者的提取候選區(qū)這一步驟，只需對(duì)圖片進(jìn)行一次處理，即可識(shí)別并定位出目標(biāo)。此外，YOLO采用回歸的方法，不用復(fù)雜的框架。上述特點(diǎn)使其識(shí)別速度相比于前者得到了很大程度的提升，可以滿足實(shí)時(shí)檢測(cè)的要求。同時(shí)，由于其沒有進(jìn)行區(qū)域采樣，所以對(duì)全局信息有較好的表現(xiàn)。YOLO V3網(wǎng)絡(luò)可基于Facebook人工智能研究院推出的Pytorch庫(kù)實(shí)現(xiàn)搭建。

為了訓(xùn)練YOLO V3網(wǎng)絡(luò)，可以使用Fruit-360數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)集包含131類蔬菜和水果，共有90 483張圖片，涵蓋了超市銷售的所有水果和蔬菜。

3.2 稱重程序設(shè)計(jì)

稱重程序可以借助Python中已封裝好的第三方庫(kù)hx711和RPI.GPIO來(lái)實(shí)現(xiàn)。hx711庫(kù)專為樹莓派驅(qū)動(dòng)HX711轉(zhuǎn)換器而設(shè)計(jì)，提供了切換HX711工作通道、修改HX711放大增益倍數(shù)和讀取HX711原始數(shù)據(jù)三個(gè)功能。RPI.GPIO庫(kù)提供了眾多控制樹莓派GPIO引腳的函數(shù)，具有設(shè)置引腳值、讀取引腳值等功能。

該程序在系統(tǒng)開機(jī)后的初次使用時(shí)，需要使用已知質(zhì)量的物體來(lái)校準(zhǔn)凋零。該程序?yàn)楸鞠到y(tǒng)的主程序，其內(nèi)包含調(diào)用蔬菜識(shí)別程序和數(shù)據(jù)庫(kù)程序的接口函數(shù)。

其程序執(zhí)行流程如圖2所示，首先校準(zhǔn)調(diào)零，進(jìn)入稱重待機(jī)模式，當(dāng)檢測(cè)到質(zhì)量變化時(shí)，通過(guò)接口函數(shù)調(diào)用蔬菜識(shí)別程序，識(shí)別成功后，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)程序接口函數(shù)在數(shù)據(jù)庫(kù)中取出對(duì)應(yīng)蔬菜的單價(jià)，然后完成計(jì)算并展示結(jié)果，最后再次調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)程序?qū)⒃摯畏Q重的信息存入數(shù)據(jù)庫(kù)。

圖2 稱重程序流程圖

3.3 數(shù)據(jù)庫(kù)程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)使用的是SQLite3數(shù)據(jù)庫(kù)[4]。SQLite是一款用C語(yǔ)言編寫的小型嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)，它的數(shù)據(jù)庫(kù)就是一個(gè)文件。它的運(yùn)行不需要一個(gè)單獨(dú)的服務(wù)器進(jìn)程，其運(yùn)行環(huán)境與主程序位于同一進(jìn)程空間，這使其具有很高的執(zhí)行效率。此外SQLite是一款輕量級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)，其運(yùn)行所占內(nèi)存空間只有幾百KB，而且它是完全獨(dú)立的，無(wú)需在系統(tǒng)上安裝任何外部依賴。SQLite支持多種開發(fā)語(yǔ)言，如C、C++、PHP、Java、Python等。本系統(tǒng)使用Python語(yǔ)言，Python內(nèi)部有已封裝好的SQLite3模塊，使用該模塊可以快速地創(chuàng)建與數(shù)據(jù)庫(kù)的連接、創(chuàng)建數(shù)據(jù)表以及實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)表的增刪改查。

本系統(tǒng)共需兩個(gè)數(shù)據(jù)表，一個(gè)是蔬菜單價(jià)表，一個(gè)是稱重信息記錄表。蔬菜單價(jià)表用于稱重時(shí)結(jié)合質(zhì)量數(shù)據(jù)計(jì)算蔬菜總價(jià)，稱重信息記錄表用于生成展示蔬菜銷售情況的圖表。兩個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)各存儲(chǔ)為一個(gè)文件，工作時(shí)相互獨(dú)立，互不影響。兩個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)除了可以用程序調(diào)用修改外，也可直接在樹莓派以文本編輯器形式打開進(jìn)行修改。

3.4 圖形用戶界面程序設(shè)計(jì)

圖形用戶界面程序完全獨(dú)立于稱重程序，該程序通過(guò)可視化界面為超市管理員提供修改蔬菜單價(jià)和查看各類蔬菜銷售情況兩個(gè)功能。該程序需要修改或讀取數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)數(shù)據(jù)，因此其內(nèi)部也含有數(shù)據(jù)庫(kù)程序調(diào)用函數(shù)。

圖形用戶界面可通過(guò)Python中的內(nèi)置庫(kù)Tkinter來(lái)實(shí)現(xiàn)。Tkinter是Python的標(biāo)準(zhǔn)GUI庫(kù)，因此其無(wú)需安裝，有著良好的性能與技術(shù)支持。Thinker非常適合本系統(tǒng)中這種小型、簡(jiǎn)單GUI的開發(fā)。而將數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)可視化需要用到Python另一個(gè)第三方庫(kù)Matplotlib，它是一個(gè)2D繪圖庫(kù)。Matplotlib與NumPy一起使用，可以很方便地將數(shù)據(jù)集繪制成條形圖、扇形圖等圖形。通過(guò)這些圖表，超市管理者可以很快知道各種蔬菜的銷售情況和剩余數(shù)量等，而不需要去一一查看。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了具有識(shí)別分析功能的蔬菜稱重系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案和實(shí)現(xiàn)過(guò)程，該系統(tǒng)在傳統(tǒng)電子秤的性能方面，增加了自動(dòng)識(shí)別蔬菜功能，既能有效提高當(dāng)前超市蔬菜零售區(qū)的運(yùn)行效率，也為將來(lái)的無(wú)人超市提供了技術(shù)支持，具有良好的應(yīng)用前景。此外，該系統(tǒng)還為超市管理員提供了圖形用戶界面，為其在蔬菜管理上提供了有力的幫助。

在接下來(lái)的研究中還可對(duì)本系統(tǒng)繼續(xù)優(yōu)化，比如對(duì)YOLO V3算法進(jìn)行改進(jìn)[5]，提高蔬菜識(shí)別精準(zhǔn)度；增加語(yǔ)音檢測(cè)模塊，通過(guò)購(gòu)物者的描述實(shí)現(xiàn)雙識(shí)別功能；優(yōu)化圖形用戶界面程序，使其可以實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示各類蔬菜的銷售情況，且更加美觀，同時(shí)也可以增加更多的數(shù)據(jù)分析功能；開發(fā)微信小程序?qū)崿F(xiàn)移動(dòng)端的管理等。