基于LabVIEW的輔助購(gòu)物結(jié)算實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張慧妍，蔡文靖，金學(xué)波，王 瑜，薛子朦，戴 月

(北京工商大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，北京 100048)

北京工商大學(xué)為推進(jìn)首都商業(yè)運(yùn)作及物流流通建設(shè)，充分利用本校工業(yè)與商業(yè)關(guān)聯(lián)學(xué)科的優(yōu)勢(shì)資源，實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化與商業(yè)自動(dòng)化并舉發(fā)展，形成了具有自身優(yōu)勢(shì)和發(fā)展前景的辦學(xué)特色。商業(yè)自動(dòng)化是一門(mén)與應(yīng)用領(lǐng)域緊密結(jié)合的自動(dòng)化類(lèi)專(zhuān)業(yè)課程，將工業(yè)自動(dòng)化的基礎(chǔ)理論與技術(shù)拓展到物流、商業(yè)企業(yè)中，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐類(lèi)課程的設(shè)計(jì)與設(shè)置，成為自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)建設(shè)的重要內(nèi)容和方向[1-4]。

筆者在構(gòu)建商業(yè)自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室過(guò)程中，基于LabVIEW軟件易于學(xué)習(xí)、便于模塊化開(kāi)發(fā)的特點(diǎn)[5-8]，設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)了顧客端智能購(gòu)物系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包括攝像頭條碼識(shí)別、稱(chēng)重壓力檢測(cè)、數(shù)字濾波、購(gòu)物信息發(fā)布、商品數(shù)據(jù)庫(kù)等商業(yè)自動(dòng)化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，既具有小型化、便于學(xué)生在一個(gè)學(xué)期內(nèi)進(jìn)行操控的特點(diǎn)，又具有一定的實(shí)用價(jià)值。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用開(kāi)放式的模塊化設(shè)計(jì)，可供后續(xù)開(kāi)設(shè)綜合性實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)便捷、新穎的功能模塊，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的完善、升級(jí)[9-10]。

1 系統(tǒng)功能模塊規(guī)劃

輔助購(gòu)物結(jié)算實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的主要功能是實(shí)現(xiàn)商品擺放位置查詢、價(jià)格自動(dòng)累計(jì)、檢驗(yàn)，提高購(gòu)物過(guò)程的時(shí)間效率和信息的準(zhǔn)確性。

自助式智能輔助購(gòu)物結(jié)算實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)檢測(cè)部分的硬件安裝在購(gòu)物車(chē)底部，在購(gòu)物車(chē)前端配備有電子顯示屏和用于條碼識(shí)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(xiāo)信息、進(jìn)行購(gòu)物路線導(dǎo)航，方便、快速地選擇商品。系統(tǒng)分析軟件根據(jù)安裝在購(gòu)物車(chē)底部的拉壓力傳感器和前端攝像頭對(duì)條碼的識(shí)別[11-12]，對(duì)放入購(gòu)物車(chē)內(nèi)商品的重量與條碼信息相互校驗(yàn)，確定商品類(lèi)別是否正確，同時(shí)實(shí)時(shí)顯示購(gòu)物車(chē)中的商品單價(jià)、總價(jià)，便于核對(duì)。攝像頭會(huì)隨機(jī)監(jiān)控每一次消費(fèi)過(guò)程，提醒顧客規(guī)范自己的購(gòu)物行為。

基于面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思想，系統(tǒng)軟件具有以下基本功能：

(1) 購(gòu)物車(chē)使用介紹：在歡迎界面說(shuō)明該智能購(gòu)物輔助結(jié)算實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的特點(diǎn)及使用方法，便于顧客判斷是否選用此款購(gòu)物車(chē)；

(2) 購(gòu)物導(dǎo)航：提供促銷(xiāo)信息發(fā)布及商品位置搜索功能，便于顧客獲得商品價(jià)格與時(shí)間兩方面的資訊；

(3) 商品識(shí)別：當(dāng)顧客將商品放入購(gòu)物車(chē)內(nèi)，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(cuò)誤提示；

(4) 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示及緩存：供顧客核對(duì)商品單價(jià)、總價(jià)，決策購(gòu)物預(yù)算，并且可以通過(guò)將商品拿出購(gòu)物車(chē)的方式，刪除與此商品相關(guān)的購(gòu)買(mǎi)信息；

(5) 監(jiān)測(cè)與報(bào)警：采用隨機(jī)監(jiān)控購(gòu)物畫(huà)面，無(wú)線傳輸?shù)奖O(jiān)控室，輔助監(jiān)控購(gòu)物行為；

(6) 結(jié)算及數(shù)據(jù)庫(kù)更新：當(dāng)顧客按照購(gòu)物車(chē)上輔助購(gòu)物結(jié)算系統(tǒng)確定的累計(jì)購(gòu)物金額付費(fèi)后，賣(mài)場(chǎng)總數(shù)據(jù)庫(kù)根據(jù)已售商品清單進(jìn)行數(shù)據(jù)更新，便于商業(yè)企業(yè)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行后臺(tái)的記錄、統(tǒng)計(jì)、預(yù)測(cè)、盤(pán)點(diǎn)、補(bǔ)貨，購(gòu)物車(chē)的數(shù)據(jù)清零并等待下一位顧客使用。

為實(shí)現(xiàn)以上功能，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)硬件平臺(tái)由拉壓力傳感器、調(diào)理電路、NI-myDAQ數(shù)據(jù)采集設(shè)備、攝像頭、便攜式計(jì)算機(jī)這幾部分構(gòu)成(見(jiàn)圖1)。

圖1 系統(tǒng)硬件組成

NI-myDAQ是便攜式數(shù)據(jù)采集卡，能很好地兼容LabVIEW編程軟件，包括2個(gè)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(jiǎn)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(dá)到0.03%，可以對(duì)大于15g的重量進(jìn)行測(cè)量。考慮目前超市對(duì)于5g以下的商品多采用5個(gè)以上捆綁銷(xiāo)售，則采用此款傳感器可以滿足應(yīng)用要求。壓力傳感器的調(diào)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(huì)相互影響，因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)將模擬電路和數(shù)字電路分別設(shè)計(jì)，最后單點(diǎn)接地以盡量減少數(shù)字電路對(duì)模擬電路的影響。

攝像頭為30萬(wàn)像素的CMOS數(shù)字?jǐn)z像頭，具有低成本和攜帶方便的特點(diǎn)，能滿足隨機(jī)監(jiān)控和所拍攝條碼的清晰度要求。

2 關(guān)鍵模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

顧客端智能購(gòu)物輔助結(jié)算實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用模塊化方法構(gòu)建，便于后續(xù)功能的增加和系統(tǒng)升級(jí)，其中實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的關(guān)鍵模塊主要有壓力檢測(cè)、條碼提取與識(shí)別、數(shù)據(jù)處理等。這些功能模塊的協(xié)同配合，才能實(shí)現(xiàn)顧客所購(gòu)買(mǎi)商品的正確識(shí)別和統(tǒng)計(jì)功能。

2.1 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與濾波

通過(guò)DAQ子VI對(duì)壓力傳感器的輸入及采樣方式進(jìn)行設(shè)定，將檢測(cè)到的拉壓力傳感器電信號(hào)傳輸?shù)较到y(tǒng)中，采用循環(huán)延時(shí)進(jìn)行傳感器信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。由于受外界干擾，直接輸入的電壓信號(hào)噪聲較大，所以要先將信號(hào)放大，再采用虛擬數(shù)字濾波器很好地實(shí)現(xiàn)信號(hào)降噪。壓力信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與濾波程序框圖如圖2所示。

圖2 壓力信號(hào)實(shí)時(shí)檢測(cè)與濾波程序框圖

2.2 壓力檢測(cè)模塊

壓力檢測(cè)模塊是核心模塊。系統(tǒng)根據(jù)稱(chēng)重壓力傳感器輸出信號(hào)的變化，來(lái)判斷商品放入購(gòu)物車(chē)或從購(gòu)物車(chē)取出商品的動(dòng)作。當(dāng)壓力傳感器檢測(cè)到壓力增加，即說(shuō)明有商品被放入，當(dāng)檢測(cè)到壓力減少，則說(shuō)明有商品被取出，系統(tǒng)會(huì)設(shè)置標(biāo)志位并存儲(chǔ)壓力傳感器數(shù)值變化。系統(tǒng)會(huì)根據(jù)對(duì)條碼信息的檢索，判斷放入或取出商品的重量與NI-myDAQ測(cè)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(shè)有2個(gè)變量：“當(dāng)前重量”與“原來(lái)重量”，每完成一次正確的放入或拿出操作，則設(shè)定“當(dāng)前重量”等于“原來(lái)重量”。而后通過(guò)循環(huán)100ms延時(shí)不斷比較“當(dāng)前重量”與3s之前的“原來(lái)重量”，若兩者之差的在誤差范圍15g之內(nèi)，則認(rèn)為壓力保持不變，顧客沒(méi)有進(jìn)行商品的移入、移出操作。這樣的設(shè)定是為了排除顧客整理車(chē)中商品時(shí)，對(duì)壓力檢測(cè)所造成的短時(shí)干擾。

2.3 條碼提取與識(shí)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(duì)應(yīng)同一個(gè)條碼，同種商品不同規(guī)格對(duì)應(yīng)不同的條碼，這樣軟件中可以通過(guò)一維條碼檢索、修改數(shù)據(jù)庫(kù)中商品的信息。本系統(tǒng)未配置專(zhuān)門(mén)的掃碼儀，但在歡迎界面提示顧客利用監(jiān)控?cái)z像頭采集商品條碼并進(jìn)行商品條碼的提取與識(shí)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(shí)，才能順利實(shí)現(xiàn)選購(gòu)商品的識(shí)別和最終結(jié)算。

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)商品條碼通過(guò)型號(hào)為HD720P Webcam USB的攝像頭進(jìn)行圖像采集，利用NI視覺(jué)采集軟件模塊Vision Acquisition Software實(shí)時(shí)將采集到的圖像數(shù)據(jù)存入緩存區(qū)，并顯示在購(gòu)物主界面的取景器上，以便顧客在購(gòu)物中自主調(diào)整拍攝商品條碼的角度，通過(guò)點(diǎn)取主界面設(shè)置的“拍照”按鈕觸發(fā)Vision助手開(kāi)始條碼識(shí)別。若識(shí)別出完整的13位條碼，可將識(shí)別出的條碼傳給存儲(chǔ)商品條碼的中間變量，利用此變量可查詢、調(diào)取數(shù)據(jù)庫(kù)中對(duì)應(yīng)此條碼的商品名稱(chēng)、重量等信息。條碼提取與識(shí)別程序框圖如圖5所示。

圖5 條碼提取與識(shí)別程序框圖

2.4 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)算法模塊

顧客端智能購(gòu)物輔助結(jié)算實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的顯示界面中設(shè)有一組按鈕，要分別觸發(fā)對(duì)應(yīng)的功能，就要求對(duì)各按鈕進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以確定哪一項(xiàng)功能被觸發(fā)。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)算法模塊采用了并行循環(huán)模式，使得對(duì)按鈕的監(jiān)測(cè)獨(dú)立于主程序之外，與其他環(huán)節(jié)同步進(jìn)行。觸發(fā)哪個(gè)按鈕，可看作對(duì)應(yīng)按鈕的發(fā)生值改變，因此采用while循環(huán)嵌套事件結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了可以同時(shí)對(duì)各按鈕進(jìn)行監(jiān)測(cè)的目的。監(jiān)測(cè)算法實(shí)現(xiàn)的程序框圖如圖6所示。

圖6 各按鈕實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(gòu)物輔助結(jié)算系統(tǒng)使顧客的購(gòu)物過(guò)程方便、快捷和人性化。本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的整體框架采用了模塊化設(shè)計(jì)方法，利用虛擬儀器的優(yōu)勢(shì)，不僅可以進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量、自動(dòng)記錄、自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，還設(shè)置有人性化的導(dǎo)購(gòu)信息。目前，該系統(tǒng)雖然有監(jiān)控并提示顧客的不當(dāng)購(gòu)物行為，但監(jiān)控畫(huà)面的選擇存在隨機(jī)性。如何通過(guò)動(dòng)態(tài)畫(huà)面監(jiān)控，自動(dòng)提取、分析顧客購(gòu)物行為特征，對(duì)不當(dāng)購(gòu)物行為進(jìn)行自動(dòng)分級(jí)并自動(dòng)發(fā)送附加監(jiān)控的請(qǐng)求信號(hào)，是后續(xù)有待努力研究的方向。

目前北京工商大學(xué)的商業(yè)自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)中心已購(gòu)置了15套基于LabVIEW的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)設(shè)定商業(yè)領(lǐng)域的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)實(shí)踐項(xiàng)目，使學(xué)生在此平臺(tái)進(jìn)行商業(yè)自動(dòng)化設(shè)備的創(chuàng)新性設(shè)計(jì)，充分發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)性，鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力、提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。

[1] 吳計(jì)生，王紅衛(wèi)，朱衛(wèi)鋒.物流自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)研究與設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2013，30(5)：126-129.

[2] 楊世強(qiáng),原大寧,李德信，等.現(xiàn)代物流實(shí)驗(yàn)工程體系的研究和建設(shè)[J].工業(yè)工程，2008,11(1):129-133.

[3] 周燦豐,林順英,焦向東,等.基于虛擬儀器平臺(tái)的全數(shù)字自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)儀器研制[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2004,23(11):22-24.

[4] 凌偉鳴.商業(yè)自動(dòng)化課程教學(xué)實(shí)踐模式新探[J].浙江工商大學(xué)學(xué)報(bào)，2005(4):94-96.

[5] 傅健,滿慶豐,王鋼.基于LabVIEW的“測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)”教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2010,29(9):119-121.

[6] 遲海，滕召勝，林海軍，等.基于LabVIEW的智能粘度儀設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào),2009,23(5)：97-102.

[7] 張桐,陳國(guó)順,王正林.精通LabVIEW程序設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社,2008.

[8] 師青梅，皮偉.基于虛擬儀器技術(shù)的太陽(yáng)能電池實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)新[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2013,30(2):94-96,100.

[9] 劉華平.超市商品銷(xiāo)售管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].成都：電子科技大學(xué)，2013.

[10] 姜子謙.連鎖超市加快售賣(mài)“軟服務(wù)”[N].北京商報(bào),2010-09-01(A01).

[11] 孫江濤,孫珊珊,趙健飛.基于圖像分析的攝像頭識(shí)別條形碼的算法[J].華北科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，9(3)：76-79.

[12] 鐘若丹.基于數(shù)字圖像處理的條形碼識(shí)別方法[D].西安：西安工業(yè)大學(xué)，2010.