張慧妍，蔡文靖，金學波，王 瑜，薛子朦，戴 月

(北京工商大學 計算機與信息工程學院，北京 100048)

北京工商大學為推進首都商業(yè)運作及物流流通建設，充分利用本校工業(yè)與商業(yè)關聯(lián)學科的優(yōu)勢資源，實現(xiàn)工業(yè)自動化與商業(yè)自動化并舉發(fā)展，形成了具有自身優(yōu)勢和發(fā)展前景的辦學特色。商業(yè)自動化是一門與應用領域緊密結合的自動化類專業(yè)課程，將工業(yè)自動化的基礎理論與技術拓展到物流、商業(yè)企業(yè)中，優(yōu)化實驗與實踐類課程的設計與設置，成為自動化專業(yè)建設的重要內容和方向[1-4]。

筆者在構建商業(yè)自動化實驗室過程中，基于LabVIEW軟件易于學習、便于模塊化開發(fā)的特點[5-8]，設計、開發(fā)了顧客端智能購物系統(tǒng)實驗平臺。該實驗平臺包括攝像頭條碼識別、稱重壓力檢測、數(shù)字濾波、購物信息發(fā)布、商品數(shù)據庫等商業(yè)自動化的實驗教學內容，既具有小型化、便于學生在一個學期內進行操控的特點，又具有一定的實用價值。實驗系統(tǒng)采用開放式的模塊化設計，可供后續(xù)開設綜合性實驗，設計便捷、新穎的功能模塊，實現(xiàn)系統(tǒng)的完善、升級[9-10]。

1 系統(tǒng)功能模塊規(guī)劃

輔助購物結算實驗系統(tǒng)的主要功能是實現(xiàn)商品擺放位置查詢、價格自動累計、檢驗，提高購物過程的時間效率和信息的準確性。

自助式智能輔助購物結算實驗系統(tǒng)檢測部分的硬件安裝在購物車底部，在購物車前端配備有電子顯示屏和用于條碼識別及監(jiān)控的攝像頭。顧客可瀏覽電子顯示屏獲取商品優(yōu)惠促銷信息、進行購物路線導航，方便、快速地選擇商品。系統(tǒng)分析軟件根據安裝在購物車底部的拉壓力傳感器和前端攝像頭對條碼的識別[11-12]，對放入購物車內商品的重量與條碼信息相互校驗，確定商品類別是否正確，同時實時顯示購物車中的商品單價、總價，便于核對。攝像頭會隨機監(jiān)控每一次消費過程，提醒顧客規(guī)范自己的購物行為。

基于面向對象的設計思想，系統(tǒng)軟件具有以下基本功能：

(1) 購物車使用介紹：在歡迎界面說明該智能購物輔助結算實驗系統(tǒng)的特點及使用方法，便于顧客判斷是否選用此款購物車；

(2) 購物導航：提供促銷信息發(fā)布及商品位置搜索功能，便于顧客獲得商品價格與時間兩方面的資訊；

(3) 商品識別：當顧客將商品放入購物車內，可以獲得與商品條碼信息一致的該商品的重量信息，若不一致則給出錯誤提示；

(4) 實時數(shù)據顯示及緩存：供顧客核對商品單價、總價，決策購物預算，并且可以通過將商品拿出購物車的方式，刪除與此商品相關的購買信息；

(5) 監(jiān)測與報警：采用隨機監(jiān)控購物畫面，無線傳輸?shù)奖O(jiān)控室，輔助監(jiān)控購物行為；

(6) 結算及數(shù)據庫更新：當顧客按照購物車上輔助購物結算系統(tǒng)確定的累計購物金額付費后，賣場總數(shù)據庫根據已售商品清單進行數(shù)據更新，便于商業(yè)企業(yè)的計算機系統(tǒng)進行后臺的記錄、統(tǒng)計、預測、盤點、補貨，購物車的數(shù)據清零并等待下一位顧客使用。

為實現(xiàn)以上功能，本實驗系統(tǒng)硬件平臺由拉壓力傳感器、調理電路、NI-myDAQ數(shù)據采集設備、攝像頭、便攜式計算機這幾部分構成(見圖1)。

圖1 系統(tǒng)硬件組成

NI-myDAQ是便攜式數(shù)據采集卡，能很好地兼容LabVIEW編程軟件，包括2個16位的模擬輸入及輸出，具有8條數(shù)字輸入和輸出線，能為簡單的電路提供+5V、+15V和-15V的電源。

CFBLSM型拉壓力傳感器的量程為50kg，精度達到0.03%，可以對大于15g的重量進行測量?？紤]目前超市對于5g以下的商品多采用5個以上捆綁銷售，則采用此款傳感器可以滿足應用要求。壓力傳感器的調理電路連接一路模擬輸入，顯示屏連接一路數(shù)字輸出。由于系統(tǒng)中模擬地和數(shù)字地會相互影響，因此在系統(tǒng)設計時將模擬電路和數(shù)字電路分別設計，最后單點接地以盡量減少數(shù)字電路對模擬電路的影響。

攝像頭為30萬像素的CMOS數(shù)字攝像頭，具有低成本和攜帶方便的特點，能滿足隨機監(jiān)控和所拍攝條碼的清晰度要求。

2 關鍵模塊的設計與實現(xiàn)

顧客端智能購物輔助結算實驗系統(tǒng)采用模塊化方法構建，便于后續(xù)功能的增加和系統(tǒng)升級，其中實現(xiàn)系統(tǒng)功能的關鍵模塊主要有壓力檢測、條碼提取與識別、數(shù)據處理等。這些功能模塊的協(xié)同配合，才能實現(xiàn)顧客所購買商品的正確識別和統(tǒng)計功能。

2.1 實時監(jiān)測與濾波

通過DAQ子VI對壓力傳感器的輸入及采樣方式進行設定，將檢測到的拉壓力傳感器電信號傳輸?shù)较到y(tǒng)中，采用循環(huán)延時進行傳感器信號的實時監(jiān)測。由于受外界干擾，直接輸入的電壓信號噪聲較大，所以要先將信號放大，再采用虛擬數(shù)字濾波器很好地實現(xiàn)信號降噪。壓力信號實時監(jiān)測與濾波程序框圖如圖2所示。

圖2 壓力信號實時檢測與濾波程序框圖

2.2 壓力檢測模塊

壓力檢測模塊是核心模塊。系統(tǒng)根據稱重壓力傳感器輸出信號的變化，來判斷商品放入購物車或從購物車取出商品的動作。當壓力傳感器檢測到壓力增加，即說明有商品被放入，當檢測到壓力減少，則說明有商品被取出，系統(tǒng)會設置標志位并存儲壓力傳感器數(shù)值變化。系統(tǒng)會根據對條碼信息的檢索，判斷放入或取出商品的重量與NI-myDAQ測出的重量是否一致，其流程圖如圖3、圖4所示。

圖3 商品放入流程圖

圖4 商品移出流程圖

在壓力變化判斷軟件中設有2個變量：“當前重量”與“原來重量”，每完成一次正確的放入或拿出操作，則設定“當前重量”等于“原來重量”。而后通過循環(huán)100ms延時不斷比較“當前重量”與3s之前的“原來重量”，若兩者之差的在誤差范圍15g之內，則認為壓力保持不變，顧客沒有進行商品的移入、移出操作。這樣的設定是為了排除顧客整理車中商品時，對壓力檢測所造成的短時干擾。

2.3 條碼提取與識別

商品的一維條碼具有唯一性，即同種規(guī)格的同種商品對應同一個條碼，同種商品不同規(guī)格對應不同的條碼，這樣軟件中可以通過一維條碼檢索、修改數(shù)據庫中商品的信息。本系統(tǒng)未配置專門的掃碼儀，但在歡迎界面提示顧客利用監(jiān)控攝像頭采集商品條碼并進行商品條碼的提取與識別，并且指出只有條碼索引的商品重量與壓力傳感器重量變化相匹配時，才能順利實現(xiàn)選購商品的識別和最終結算。

本實驗系統(tǒng)商品條碼通過型號為HD720P Webcam USB的攝像頭進行圖像采集，利用NI視覺采集軟件模塊Vision Acquisition Software實時將采集到的圖像數(shù)據存入緩存區(qū)，并顯示在購物主界面的取景器上，以便顧客在購物中自主調整拍攝商品條碼的角度，通過點取主界面設置的“拍照”按鈕觸發(fā)Vision助手開始條碼識別。若識別出完整的13位條碼，可將識別出的條碼傳給存儲商品條碼的中間變量，利用此變量可查詢、調取數(shù)據庫中對應此條碼的商品名稱、重量等信息。條碼提取與識別程序框圖如圖5所示。

圖5 條碼提取與識別程序框圖

2.4 實時監(jiān)測算法模塊

顧客端智能購物輔助結算實驗系統(tǒng)的顯示界面中設有一組按鈕，要分別觸發(fā)對應的功能，就要求對各按鈕進行實時監(jiān)測，以確定哪一項功能被觸發(fā)。實時監(jiān)測算法模塊采用了并行循環(huán)模式，使得對按鈕的監(jiān)測獨立于主程序之外，與其他環(huán)節(jié)同步進行。觸發(fā)哪個按鈕，可看作對應按鈕的發(fā)生值改變，因此采用while循環(huán)嵌套事件結構，實現(xiàn)了可以同時對各按鈕進行監(jiān)測的目的。監(jiān)測算法實現(xiàn)的程序框圖如圖6所示。

圖6 各按鈕實時監(jiān)測程序框圖

3 有待完善之處及后續(xù)課程規(guī)劃

顧客端智能購物輔助結算系統(tǒng)使顧客的購物過程方便、快捷和人性化。本實驗平臺的整體框架采用了模塊化設計方法，利用虛擬儀器的優(yōu)勢，不僅可以進行自動測量、自動記錄、自動進行數(shù)據處理，還設置有人性化的導購信息。目前，該系統(tǒng)雖然有監(jiān)控并提示顧客的不當購物行為，但監(jiān)控畫面的選擇存在隨機性。如何通過動態(tài)畫面監(jiān)控，自動提取、分析顧客購物行為特征，對不當購物行為進行自動分級并自動發(fā)送附加監(jiān)控的請求信號，是后續(xù)有待努力研究的方向。

目前北京工商大學的商業(yè)自動化實驗中心已購置了15套基于LabVIEW的實驗平臺，通過設定商業(yè)領域的創(chuàng)新性實驗實踐項目，使學生在此平臺進行商業(yè)自動化設備的創(chuàng)新性設計，充分發(fā)揮學生的主動性，鍛煉學生的動手能力、提高學生的綜合素質。

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