超市智能购物车自助结算系统设计.docx
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本科毕业设计论文
专业班级：
****
学 号：
****
学生姓名：
谷杨
指导教师：
****
2019年05月
密级：
公
超市智能购物车自助结算系统设计
DesignofSupermarketSmartSelf-serviceCheckoutSystem
学院：
****专业班级：
****学号：
****学生姓名：
谷杨
指导教师：
****（讲师）
2019年05月
摘要
随着零售业的迅速发展，超市的规模也在随之不断地扩大，商品品类不断增加，收银台和营业员的数量却有限，这就势必造成了超市顾客结账时的排队现象。
为此，开发一种成本低，结构简单，便于部署的新型自助超市结算装置和系统，对我国零售业自动化有着重大的推进作用。
本课题以大型商超内公共WiFi和PC机为基础，设计一款超市智能购物车自助结算系统。
该自助结算装置固定在超市购物车上，以单片机为中央处理器，通过RFID技术识读取商品信息，并通过WiFi无线传输技术与收银主机进行通信，获取商品详细信息并显示在液晶显示屏上，从而使得顾客能够获取放入购物车中的商品名称和价格。
当购物车进入收款通道时，超市收款机通过RFID技术，识别购物车上的结算装置，该装置通过WiFi将商品相关信息传输到超市的收银主机上，收银主机进行结算、收款，并形成销售记录。
该系统实现了识读商品，显示商品信息，传输商品信息和生成销售记录等功能，基本完成了课题设计要求。
该系统相对于传统的自助收银系统，有着结构简单，价格低廉的优势，且充分地利用了超市的WiFi路由器和收银机等现有设施，具有广阔的应用空间。
关键词：
自助收银 智能购物车 Arduino WiFi RFID
II
Abstract
Astheretailindustrygrows,thesizeofthesupermarketsaregettinglargerandthevariationofcommoditiesarealsogrowinguprapidly.However,thequantityofcourierandclerksarestilllimited,whichwilldefinitelycausequeueingphenomenon.Thus,developingalow-cost,simplyconstructed,easy-to-deploynewsupermarketself-servicecheckoutsystemwouldgreatlyboosttheautomationlevelofretailindustryofChina.
Thisaimofthesubjectistodesignasupermarketsmartshoppingcartself-servicechecking-outsystem.Thissystemismountedonshoppingcarts,usingmicroprocessorasitscentralprocessingunit,readcommodityinformationbyRFIDtechnologyandcommunicatewithcashregisterwithWiFitechnologyinordertogetdetailedcommodityinformationanddisplayitonLCD,socustomersareabletoknowthenameandpriceofcommoditiesputintheshoppingcart.Whenshoppingcartisbeingpushintothecheckingoutalley,cashregisterwillidentifythedeviceontheshoppingcartandthedevicewillsendcommodityinformationtocashregister,cashregisterwillthencheckoutandgeneratesellinglog.Thissystemiscapabletoidentifycommodities,displaycommodityinformation,sendingcommodityinformationandgeneratingsellinglog,whichbasicallymeedtherequirementofthesubject.
Comparedtolegacyself-servicecheckoutsystem,thissystemissimplyconstructedandlowcost,andalsomadefulluseofalreadyexistedinfastructuresuchasWifirouterandcashregister,whichcouldhaveaverywideusagerange.
Keywords:
Intelligent Shopping Cart Arduino WiFi RFID
沈阳工业大学本科生毕业设计
目 录
71
摘要 I
ABSTRACT II
第1章绪论 4
1.1课程研究的目的、意义及发展现状 4
1.1.1课程研究的目的与意义 5
1.1.2国内外研究现状 5
1.2课题研究内容和预期目标 6
第2章总体设计方案 6
2.1设计方案概述 6
2.2设计方案选定 7
2.2.1中央处理装置选型 7
2.2.2商品识别方案选定 9
2.2.3无线通信技术选定 11
2.2.4显示装置选定 12
2.2.5键盘 12
第3章硬件设计 14
3.1单片机 14
3.3RFID读取装置 14
3.3.1SPI总线技术简介 15
3.3.2稳定性问题及解决措施 16
3.3.3MifareClassic卡数据结构 17
3.4显示屏 17
3.5WIFI通信模块 19
3.6键盘 19
3.6.1矩阵扫描技术简介 19
3.7协议转换器 20
第4章软件设计 21
4.1软件总体流程 21
4.2下位机软件设计-初始化部分 23
4.2.1Arduino程序设计概述 24
4.2.2Arduino串口初始化 24
4.2.3ArduinoSPI初始化 25
4.2.4ArduinoI/O操作 25
4.3下位机软件设计-显示部分 26
4.4下位机软件设计-RFID 27
4.4.1卡片数据写入 28
4.4.2卡片数据加密 28
4.5下位机软件设计-WIFI 29
4.5.1Arduino串口通信概述 30
4.6下位机软件设计-键盘 30
4.7下位机软件设计-数据处理 31
4.8上位机软件设计 32
4.8.1串口通信问题及解决方案 33
第5章调试 34
5.1硬件部分调试 34
5.2软件部分调试 34
第6章结论 37
参考文献 38
致谢 41
附录A：
下位机程序源代码 42
附录B：
上位机程序源代码 59
附录C：
卡片写入程序源代码 67
第1章绪论
1.1课程研究的目的、意义及发展现状
1.1.1课程研究的目的与意义
随着人们生活水平的逐渐提高，超市已经成为人们生活中不可或缺的购物场所，而各种涵盖大量商品品类的大型、特大型连锁商超也如雨后春笋般不断涌现。
但与此同时，随着超市规模不断扩大，经营的商品品类不断增多，收款台和营业员的数量却有限，这就势必造成了超市顾客结账时的排队现象，且超市规模和顾客访问量越大，排队问题就越突出。
1988年某调研显示，美国人一生中在排队上消耗的时间长达5年，即约43800个小时[1]。
长时间的排队等待是对顾客时间的一种浪费，也是造成顾客购物满意度下降的一个重要原因。
超市自助结算系统便是为解决这种排队问题而提出的解决方案。
它是集计算机，网络技术和传感器技术等于一体的产物，它能够在顾客的操作下，识别购买的商品，并通过现金，储值卡，网络支付等支付方式，完成结账流程，从而避免了顾客在收银台前逐个排队结账，节约了顾客的排队时间。
实际调查表明，部署自助收银系统，有助于减短顾客结账时间，并提高顾客满意度。
1.1.2国内外研究现状
目前国外的自助收银系统已经相对普及，且用户接受程度较高。
NCR公司（主营产品为自助收银系统，ATM机等金融设备）在2013年进行的一项调研结果显示，全球自助收银终端总量已经达到约19.1万台，大多数设备集中在美国等发达国家；在2803名参与调查的消费者之中，有90%使用过自助收银系统，其中42%的人群表示因为其便利性，会经常使用自助收银系统[2]。
此外，国外的部分研究还指明了现有自助收银系统的不足之处，如难以防控偷盗和利用系统漏洞等违法行为[3]，以及不便残障人士使用等[4]。
鉴于上述现状，国外对自助收银系统的研究已经转向新兴技术领域，旨在在现有的自助收银结算系统之上，利用各类新兴技术，解决现有自助收银系统的各种不足之处，进一步减少人机交互，缩短结算流程，最终实现顾客无感，即自动化程度达到完全不需要顾客参与到结算过程之中。
亚马逊公司在美国多个城市试点的AmazonGo自助结算超市便是大量新兴技术用于自助结算领域
的体现：
利用机器视觉和深度学习技术，自动识别顾客人体特征，并以此作为收款依据；利用电子围栏技术，自动确认商品是否已被带离超市；利用网络支付技术，在顾客带着商品离开超市时自动进行网络支付[5]。
这些高新技术的运用，使得在AmazonGo商店购物的顾客完全不需要参与到结算流程之中，顾客将商品带离超市，便能够通过网络自动完成商品支付流程。
与之形成鲜明对比的是，自助收银系统在国内的应用极为匮乏。
国内曾就这一现象进行研究，发现阻碍自助收银系统普及的原因有三：
一、中小型商超缺乏部署自助收银系统的动力[6]，在人工收银能够完成收银任务的情况下，普遍认为增设自动收银系统没有必要；
二、现有的自助收银系统价格过高，结构复杂，中小型商超难以承担购置和维护成本。
以NCR公司的FastlaneSelfServCheckoutR6L自助收银系统为例，整机由中高性能计算机，触控屏，钞票清点和假币鉴别系统，硬币/纸币找零系统，无线支付系统，条码扫描系统组成[7]，售价达上万美元，极高的增设成本无疑给大量的中型商超带来了巨大的壁垒。
三、自助收银系统难以防控偷盗和利用系统漏洞等问题[8]。
与此同时，国内也有着针对降低自助收银系统部署成本的有关研究，如利用手机APP下单，二维码取货等低成本自助收银解决方案[9]；同时，成本较低的超市自助扫码商品信息查询机已经在一部分大型超市得到应用。
如果能吸取自助扫码机的低成本优势，将其改装为商品信息自动识别装置，便可开发出一种低成本的新型自助收银系统。
1.2课题研究内容和预期目标
本次课题主要内容为设计一种基于单片机和无线通信技术的超市购物自助结算系统，该系统由挂载在购物车上的下位机和由超市收银机充当的上位机组成。
下位机通过一定方式，识别顾客放入购物车内的商品，并通过无线通信技术，从上位机获取商品的名称，价格等信息，显示在自身的显示装置上。
预期目标为下位机能够识读商品，传输和显示商品信息，上位机能够识读下位机的数据，并根据下位机传输的数据生成销售记录。
完成整套系统的硬软件设计，制作实物。
第2章总体设计方案
2.1设计方案概述
本次设计分为上位机和下位机两个组成部分。
上位机硬件采用普通PC机，配合普通WiFi网卡，通过RFID模块识别购物车，并配有一块单片机用于完成通信协议转换。
软件采用由“易语言”编写，运行在Windows操作系统上的自制收银软件，负责商品信息的存储和商品销
售记录的生成。
下位机硬件采用单片机作为中央处理装置，配有RFID识读模块用于识读商品，WiFi模块用于进行无线通信，单色LCD显示屏作为显示装置，并配有键盘用于完成简单控制。
同时，该系统还配有一部WiFi路由器，用于提供WiFi网络。
系统结构见图2-1。
图2-1系统结构图
2.2设计方案选定
2.2.1中央处理装置选型
中央处理装置有很多种，但万变不离其宗，大体上可以分为三类：
单片机，
PC机和嵌入式系统。
其中，单片机成本最低，但运算处理和存储能力弱；PC机具备最强的信息处理和存储能力，但成本最高，结构复杂，体积大，且安全性差，易受计算机病毒等侵害；嵌入式系统的各项特性在单片机和PC机之间取得了较好的均衡，但开发难度大。
本次课题中，考虑到下位机主要负责的功能是数据传输，暂存和显示，无需过强的处理能力，故选择单片机作为中央处理装置。
选择单片机作为处理装置后，还需要选择单片机的具体型号。
与PC机中央处理器均遵循x86架构不同，不同厂家生产的不同型号单片机，其系统架构，位宽，运算能力，存储能力等指标千差万别，各有特色，因此必须综合考虑设计中涉及的运算、存储负荷，外设接口，程序开发难度等各种因素，进行合理选型。
在阅读了多种单片机产品技术手册和有关书籍后，最终将选择范围缩小到以下几种单片机：
a）8051系列单片机：
8051系列单片机也称MCS-51系列单片机[10]，是Intel公司于1980年推出的一系列8位单片机，至今已有近40年历史，但依然方兴未艾。
该单片机已经成为一种开放体系，目前其他公司均已在初版8051的基础上进行了大量改进，形成了各具特色的增强型8051单片机。
该系列单片机的优点是价格低[11]、程序开发简单、最小系统便于制作。
缺点是采用复杂指令集（CISC）结构，运行效率低、片内存储空间小、缺少常用总线接口（如I2C,SPI）等。
b）AVR系列单片机：
AVR系列单片机是Atmel公司推出的一系列8位单片机。
依据其运算和存储能力的不同，AVR系列单片机还可分为ATtiny，ATmega等子系列。
该系列单片机的优点是使用精简指令集（RISC）结构，运行效率高、片
内存储容量较大、与Arduino体系兼容、接口丰富。
缺点是最小系统制作不便
（部分型号不提供直插封装）。
c）STM32系列单片机：
STM32系列单片机是STMicro公司推出的一系列32位单片机。
该系列单片机的优点是处理能力和存储能力极强（CPU主频可达100
MHz以上，片内ROM可达1 MB以上），且同样具有丰富的接口并与
Arduino体系兼容。
缺点是价格高，开发难度大，最小系统制作不便。
本课题中，单片机虽不需要进行大量数据处理和存储，但仍需较强的相应能力。
考虑到顾客购物时的实际情况，存储20件左右不同的商品才具有实际意义。
根据相应国家标准[12]，商品条形码长度为14字节，20件商品仅条码信息便占用空间280字节，已经远超出了8051单片机的RAM空间，故放弃
8051方案。
而STM32单片机虽能完成对应任务，但性能较为过剩，且成本较高。
故最终选定，采用AVR系列的ATMega2560单片机，以在性能和成本之间取得较好的平衡。
考虑到此处选用的AVR单片机并不在专业课程内容之中，从零学习AVR单片机系统会耗费大量的学习时间，故本课题使用ArduinoIDE和C++编程语言进行单片机开发，而非传统的使用专用开发工具（如KeiluVision）和汇编
/C语言的开发方式。
Arduino是一种单片机体系，其中包含AVR,ESP,STM32等多个厂商的不同型号单片机。
通过ArduinoIDE，用户可以使用C++等高级语言进行单片机开发[13]，且在程序不涉及某种单片机特有功能的情况下，一个Arduino程序不需要任何修改就可以在任意一种Arduino体系内的单片机
（下称Arduino单片机）上编译和运行。
上位机主要负责的功能是商品信息储存，商品信息传输和商品销售记录储存。
在一个大型超市中，可能有着数百台购物车，销售的总商品种类达到数百甚至上千种，故上位机需要较强的数据存储能力和通信能力；同时考虑到超市内基于PC机的收银机已经大范围普及的事实，选定PC机作为上位机中央处理装置，以实现较强的数据存储和通信能力，且在实际应用中，可以直接利用超市内现有的收银机作为上位机，避免了重复投资，进一步降低了整套系统的构建成本。
2.2.2商品识别方案选定
要实现商品自动识别，便需要对商品进行标识，即将识别信息附着到商品上。
将识别信息附着在商品上的方式很多，如条形码，二维码，RFID标签等，但具体使用的方案要根据课题的实际应用场景选择。
条形码和二维码是使用光学原理记录信息的方式。
将信息根据特定的规律，编码为黑白相间的条纹形状，印制或显示在直线或平面内，便形成了条形码或二维码，通过光学识别装置（激光扫描装置或CCD扫描装置），将光学信号转换为电信号，即可阅读其中的信息。
由于条形码和二维码可通过各类印刷装置印刷或各类显示器显示，其使用成本非常低廉，故条形码和二维码在生活和生产中都已经得到了广泛的应用，前者是各类合规商品所必须的唯一性标识，而后者常被用于存储网址信息或作为支付凭据。
RFID（射频识别技术）是通过带有无线电功能的标签和识读器，实现对物体进行远程识别的技术[14]。
RFID标签中包含存储装置和天线，在外部供能的情况下能够以无线方式发射数据；识读器包括主控芯片、接口电路和天线，能够通过其发射的电磁场对标签进行供能（仅接近耦合型标签），并读取标签中的数据。
考虑到实际的使用环境和该课题的实际意义，商品的识别方案应满足如下要求：
1）下位机对商品的识别应是定向的，即只识别放入购物车内的商品，而不识别放置在货架上或其他位置的商品；
2）标记商品的方式不能对商品造成损害（含外观和使用性能），且应便于移除和回收再利用；
3）下位机识别商品的过程应尽可能避免顾客的手动操作；
4）识读装置的体积和功耗都需要保持在较小的水平，以便于安装在购物车上。
条形码和二维码方案可以满足要求中的前两点，且条形码是全部合规商品所具有的，故使用条形码方案时，不需要对商品进行任何特殊标记。
但条形码和二维码识别方案的问题在于扫描器成本过高，且扫描方案要么需要顾客手动扫描（手持式激光扫描枪/CCD式扫描器），要么功耗过大（固定式激光条码
扫描器中的棱镜电机），下位机无法驱动。
故本课题中选择RFID技术作为商品识别方式，在下位机上安装RFID识别装置，商品上粘贴RFID标签。
根据标签的识读距离，RFID系统还可分为紧密耦合、远程耦合和长距离耦合。
为满足定向识别的需要，本课题使用紧密耦合的MifareClassicRFID系统，工作频率13.56MHz，在标签接近读取器时才能识读。
RFID标签可以存储
8KB数据，足以保存含商品条码在内的商品信息，并可以像普通贴纸一样粘贴在商品表面或从商品表面揭下，而不会对商品造成损害。
本次设计中，部分商品的标识使用的是RFID卡片而非RFID标签。
二者之间除外形封装不同之外，没有技术和性能上的差异。
2.2.3无线通信技术选定
由于无线通信一直是通信技术中的热点研究对象，目前市面上已有大量成熟且廉价的无线通信技术可供选用，如WiFi,GPRS,ZigBee,4G，蓝牙等。
考虑大型超市的占地面积和购物车的实际使用状态，此课题中使用的无线通信技术需要满足以下要求：
1）大型超市的占地面积可达数百平方米，要求在这样的一个大范围内，所有的下位机都能够与上位机建立通信，即通信方案具备良好的覆盖能力；
2）购物车在超市中使用时会不断移动，故要求通信方案具备在频繁移动状态下通信的能力；
3）一个大型超市中可能有多达数百辆购物车，故要求通信方案具有良好的多机通信能力。
ZigBee和蓝牙都属于近距离通信技术，工作距离仅有3~10米左右，如要在大型超市中大规模部署，需要大量的接入点，而且二者组网容量太小，均不适合大量设备连接的场合；使用GPRS或4G技术，每个下位机都需要装配一张SIM卡并消耗数据流量，成本过高，而且下位机和上位机均处于同一个超市之中，互相不需要在互联网上进行长距离通信，故使用GPRS或4G技术并无实际意义。
综上，本课题选定WiFi作为无线通信技术，在下位机上安装
WiFi模块，在上位机上安装无线网卡。
上位机和下位机之间使用TCP/IP作为网络通信协议，上位机做服务器，下位机做客户端，双方连接到同一个WiFi路由器，取得IP地址之后即可相互进行通信。
由于上下位机均在同一个超市
的同一个网络环境下，彼此通过内网IP即可互相访问，故WiFi路由器不必连接到互联网。
目前，许多大型超市都安装了供顾客上网使用的公共WiFi热点。
此类公共WiFi一般使用多部商用WiFi接入点设备，组成一个覆盖全商场的无线网络系统。
一部商用WiFiAP接入点可以承载数十部以上设备的同时连接和大量数据传输，多部AP配合，便能够承载数百部下位机的网络通信。
由此，有条件的大型超市可以利用现有的公共WiFi系统提供下位机的网络通信，而不需要额外购置网络设备。
由于商用AP价格较为昂贵，故本次课题中采用普通家用WiFi路由器或手机热点等替代。
2.2.4显示装置选定
常用于单片机的显示装置包括数码管，点阵/字段液晶屏，LED点阵等。
下位机的显示装置需要满足如下要求：
1）下位机需要同时显示商品的名称，单价和数量，故显示装置需要能够提供较大的信息量，且具有足够的分辨率，以清晰显示汉字；
2）单片机存储器容量有限，如用于存储字形，可显示的汉字数量很有限，故显示装置自身应带有字库；
3）显示装置自身功耗不宜过大。
数码管、字段液晶屏均只能显示字母/数字，不能显示中文，故不适用此方案；LED点阵分辨率过低，功耗过大，不适合装配在下位机上；故最终方案选择点阵液晶显示器。
根据功能的不同，除普通液晶点阵屏外，还有带字库液晶屏，彩色液晶屏，触摸液晶屏等多种其他形式。
本课题中，需要显示装置自带汉字字库，但由于显示内容主要为文字，且不通过触控屏进行人机交互，故不需要选用彩色液晶屏或触摸液晶屏。
最终选定的方案为带硬件字库，分辨率128×64，能够显示
4行×8个=32个汉字的单色液晶
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