具有自动识别功能的超市蔬果称重装置*

2020-07-23杨雅婷樊冰芬平家乐廉宇凯

科技创新与生产力 2020年7期

杨京，焦亭，杨雅婷，樊冰芬，平家乐，廉宇凯

（山西大学自动化系，山西太原 030006）

随着人民日益增长的美好生活需要的提高，社区服务业正处于蓬勃发展阶段。为老百姓衣食住行提供服务的零售行业，现在正面临着巨大的挑战，一方面要为社区顾客提供满意的服务，另一方面又要面对庞大的客流。无人超市作为一种新型的购物模式逐渐走进人们的生活，其目的正是为了解决零售行业目前所面临的问题，而要真正实现无人化，就需要结算装置能自动识别目标商品。

电子秤因其便捷、精准的特点，已经成功取代了传统的机械秤，并且在零售行业得到了广泛的使用。在原有电子秤的基础上加上微控制器以及显示器，就构成了目前常见的具有结算功能的电子秤，而这种电子秤的缺点就在于其需要人工输入代码，才能调用数据，并且花费顾客大量的时间去等待；同时因为装置的专业性，员工需要事先培训，才能正确使用。电子秤仅实现了结算的半自动化，并没有解决无人超市的根本问题。

因此，亟待开发具有自动识别功能的超市蔬果称重装置。本科研项目在传统电子秤的基础上，加入自动识别模块，利用摄像头采集蔬果信息，通过算法，得出结果，实现蔬果自动识别的功能，并在此基础上提高电子秤的可操作性。简单的操作模块，顾客只需按照提示进行操作，即可完成结算。这样既节省了顾客的宝贵时间，也为商家减少了人力的投入，真正实现了超市无人化。

1 自动识别称重装置系统组成及方案设计

该系统由软件和硬件两部分组成。

硬件包括核心控制器STM32F103ZET6 单片机、OV5640 摄像头、液晶显示屏、压力传感器及其HX711AD 转换模块等。第76 页图1 为电路原理图。摄像头图像采集模块实时采集当前待称重的蔬果图像信息，并将该信息传给STM32 单片机；运行于STM32 单片机上的AI 图像识别程序通过分析蔬果图像信息以识别当前待称重蔬果的种类（该步骤为本项目实施的重点内容）；然后称重模块将重量数据传给STM32 单片机，STM32 单片机再根据蔬果的种类与重量，计算出当前待称重蔬果的价格，在显示模块进行显示，并通过打印模块打印出相应的价格标签。软件部分依据上述自动识别系统编写。

2 自动识别称重装置硬件设计

2.1 STM32F103ZET6 单片机

单片机作为本科研项目的核心部件，选用STM32F 系列产品，属于中低端的32 位ARM 微控制器，为高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计，十分适合智能系统的研发。其内核为ARM32 位Cortex-M3 CPU，最高72 MHz 工作频率，具有高可靠计算速度，为实现自动识别算法提供了可靠的硬件基础。STM32F103ZET6 单片机采用144引脚的设计，其中GPIO 口多达112 个，提供多输入多输出端口，方便数个模块同时接入。除了模拟输入，所有端口都可以被映射到16 个外部中断向量, 并且允许5 V 以内的端口输入电压。STM32F103ZET6 单片机具有丰富的通信接口：USART 接口（摄像头图像采集模块使用）、IIC 接口（称重模块使用）、SPI 接口（显示模块与网络连接模块使用）以及其他接口等[1]。

图1 电路原理图

2.2 摄像头图像采集模块

摄像头图像采集模块是单片机的眼睛，必须保证其采集图像的清晰度，同时也要满足低功耗、体积小、便于连接等特点。OV5640 是一款CMOS 类型数字图像传感器，它具有体积小，工作电压低等特点，最大像素也可达到30万（640×480 分辨率），适合作为本项目的图像采集模块。输出图像数据采用VGA 时序，支持YUV（422/420）、YCbCr422 以及RGB565 数据格式，可以进行伽马曲线、白平衡、饱和度、色度等基础处理，补偿所采集的图像，为自动识别算法提供了辨识度高的图像，提高了结果的准确度[2]。

图2 为OV5640 图像传感器与单片机引脚连接示意图，其中共有8 条并行数据线，分别接单片机的PB8～PB15；VDD 接3V3；GND 接地；其余为控制信号线，其中SIO_C 为SCCB 接口的控制时钟线；SIO_D 为SCCB 接口的串行数据输入端；VSYN为帧同步信号（输出信号）端；HREF 为行同步信号（输出信号）端；PCLK 为像素时钟（输出信号）端；XCLCK 为时钟信号（输入信号）端；RRST 为读指针复位信号端；WRST 为写指针复位信号端；OE 为输出数据使能端；WEN 与HREF 共同控制FIFO 的WE 引脚，当WEN 与HREF 同时为高电平时，WE 为低电平，OV5640 可向FIFO 写入数据。

图2 摄像头图像采集模块接口图

2.3 称重模块

称重模块采用HX711 AD，该模块将压力传感器检测到的重量转换成数字信号传输给单片机，保留了传统电子秤的精确度。HX711 AD 模块为24 位高精度模块，带有放大器功能，IO 口时序简单，类似于I2C 接口，方便使用，故采用此模块来替代放大器，并进行数模转换[3]。

压力传感器与HX711AD 共有4 根信号线连接，用来采集传感器应压片的差压信号，经模数转化，传递至单片机。单片机与HX711AD 连接，其中VCC 用来供5 V 电压，GND 接地，DT 为串口数据输出线，SCK 为串口时钟输入。其连接见图3。

2.4 显示模块

图3 称重模块接口图

显示模块作为信息输出的终端，将自动识别算法和最终要显示的信息通过可观的形式，显示在屏幕上，方便用户获取结果。ILI9341 是一种薄膜晶体管（Thin Film Transistor，TFT）液晶显示器，具有26万色的240RGB×320 像素显示解决方案。ILI9341 支持并行8/9/16/18 位数据总线MCU 接口，6/16/18 位数据总线RGB 接口和3/4 线串行外围接口（SPI）。窗口地址功能内部GRAM 可以制定移动图像区域。选择性更新指定的窗口区域，这样可将所选的静止区域和移动区域同时显示。在设计重量显示程序时，只需要将商品的重量信息设为移动区域，其余为静止区域，减少屏幕的刷新频率，大大降低系统消耗功率[4-6]。

ILI9341 与单片机连接见第77 页图4。其中DB0～DB15 为并行数据输入/输出端；有5 条GND地线；VCI 接3V3 电源；IOVCC 为数字电路电源（1.65 ～3.3 V）；CS_MAIN 接LCD_CS，为片选端（低有效）；RS 接LCD_RS，为命令/数据输入端（0：命令，1：数据）；WR 接LCD_WR，可以向LCD 写入数据控制端；RD 接LCD_RD，可以从LCD 读出数据控制端；LCD_RESET 接LCDRESET为复位管脚（低有效）；其中3 个NC 口悬空，不接线。同时该屏幕有触摸控屏功能，因为本项目没有用到，所以不在此赘述。

2.5 网络连接模块

图4 显示模块连接图

网络模块是自动识别算法实现的核心，将采集的图像信息上传至百度云智能识别平台，通过AI算法，得到一系列结果并下传至单片机，单片机便可做后续处理。W5500 是一种简单易用的硬件化以太网接入方案，可以使单片机实现与互联网的连接。硬件协议栈的方式可以建立快速高效的连接，简化产品开发方案，降低编程的工作量。它代替了以往的单片机来处理这些中断请求，单片机只负责向用户的应用层数据，其他层全部由外围WIZnet芯片完成。这种工作方式做了几乎所有的TCP/IP协议工作，大大减少了单片机的中断次数，使单片机可专注于其他工作。而且硬件化的电路处理协议会更加快速、稳定。对于有限的内存来说，这套方案的代码量仅有10 KB 左右，主要是完成对Socket的编程以及寄存器的调用，远小于软件协议方案。同时硬件化的逻辑门电路弥补了网络协议安全性不足的短板，网络攻击和病毒对它无效，免受安全问题的困扰。

3 自动识别称重装置软件设计

用户将商品放置在压力传感器上，同时传感器将商品重量通过HX711 数模转换并发送至单片机；摄像头采集模块自主采集商品图像并将商品图片信息发送至单片机。单片机通过W5500 连接互联网，并与百度AI 智能识别平台实现互联。用户在按下“结算”按键后，单片机将图像信息上传到百度AI智能识别平台，经过云计算，得到商品信息，由于得到结果是该图像的一系列识别结果及其置信度，单片机自动选取置信度最高的结果作为所得商品信息，调用事先录入的商品单价，通过函数计算得到最终的结果，即商品品名、单价和总价（见第78 页图5）。

如果用户发现所识别商品信息与实际不符，可以选择重新识别。用户需要按下“重新识别”按键，液晶屏显示“请调整商品角度并进行重新识别”，待重新调整结束，用户继续结算，系统便可重新识别产品。

若摄像头、传感器、网线未插好，液晶屏会显示“设备未准备好，请先检查设备”。待用户重新接线后，系统自动重启并初始化，重新检测接线状态，若接线信号无误，便可正常运行。