基于单片机的智能购物车设计-育师

一、设计背景与核心需求

传统超市购物车仅具备承载功能，存在商品统计繁琐、找货耗时、排队结账拥堵等问题，影响购物效率与体验。基于单片机的智能购物车，融合自动识别、路径导航、结算支付等功能，可实现商品自动计价、智能导购、快速结算，适用于大型超市、仓储式卖场等场景，能有效缩短购物时间（据测算可减少40%购物流程耗时），降低人工成本。

系统核心需求包括：

商品识别：支持条形码/二维码扫描识别（识别率≥98%），自动录入商品信息与价格；
智能导航：基于室内定位（精度±1m），规划最优购物路径，语音提示商品位置；
结算功能：实时统计商品总价，支持扫码支付（微信/支付宝），支付成功率≥99%；
交互体验：7英寸触控屏显示商品清单与导航地图，语音交互响应时间≤1秒；
续航与安全：锂电池供电续航≥8小时，具备防丢失报警（离开用户5米触发）、过载保护功能。

二、硬件系统设计

硬件以STM32H743单片机为控制核心，采用模块化架构，各模块设计如下：

1. 核心控制模块

选用STM32H743微处理器（ARM Cortex-M7内核，400MHz主频），具备强大的数据处理能力与外设接口（USB、Ethernet、SPI、I2C），负责统筹各模块协同工作，处理商品识别数据、导航算法与支付信息交互。内置2MB Flash存储商品数据库缓存，确保离线状态下正常识别。

2. 商品识别与称重模块

条码识别单元：集成OV5640摄像头（500万像素）与激光扫描模组（HS-2000），摄像头采集二维码图像经OpenMV算法识别，激光扫描头读取一维条码，双重识别确保成功率。识别距离5-30cm，支持倾斜角度±30°识别。
称重单元：购物车底部安装电阻应变式称重传感器（量程50kg，精度±50g），配合HX711 AD芯片，自动检测商品是否放入/取出，辅助修正商品清单（防止漏扫或误扫）。

3. 定位导航与交互模块

定位导航单元：采用UWB（超宽带）定位模块（DW1000），配合商场内部署的定位基站，实现±0.5m精度定位；驱动两个直流减速电机（带编码器）控制购物车转向与移动，通过PID算法实现路径跟踪（直线偏差≤5cm）。
人机交互单元：
- 显示：7英寸TFT触控屏（1024×600分辨率），显示商品清单、总价、导航地图与操作界面；
- 语音：SYN6288语音合成模块（播报商品信息、导航提示）与LD3320语音识别模块（支持“查找牙膏”“结算”等指令）；
- 按键：紧急停止按钮与模式切换键（手动/自动导航）。

4. 通信与支付模块

无线通信：ESP32模块支持Wi-Fi（连接商场局域网）与蓝牙（连接用户手机），实现商品数据库同步、支付信息传输与防丢失联动；4G模块（可选）确保弱网环境下正常工作。
支付单元：集成二维码扫描头（读取用户支付码）与NFC模块（支持银联闪付），支付信息经加密芯片（AT88SC0104）处理后传输至商场结算系统。

5. 电源与安全模块

电源系统：12V/10Ah锂电池组供电，经DC-DC转换输出5V/3.3V，为各模块供电；支持太阳能辅助充电（车把安装5W光伏板），延长续航至10小时；电量低于20%时语音提示充电。
安全防护：
- 防丢失：蓝牙测距（与用户手机连接），距离＞5米时蜂鸣器报警并锁死车轮；
- 过载保护：称重传感器检测负载＞50kg时，限制电机驱动，避免损坏；
- 紧急制动：按下急停按钮立即切断电机电源，车轮机械锁死。

三、软件系统设计

软件基于FreeRTOS实时操作系统，采用模块化编程，核心功能通过多任务协同实现：

1. 商品管理与识别任务

识别流程：摄像头/激光头扫描商品条码后，STM32调用本地数据库比对商品信息（名称、单价、库存），无匹配时通过Wi-Fi请求云端数据库，识别成功后将商品加入清单，触控屏实时更新总价。
异常处理：称重传感器检测到新增商品但未识别时，语音提示“请扫描商品条码”；识别商品与重量偏差＞20%时，标记异常并提示人工确认。

2. 导航与路径规划任务

路径规划：用户在触控屏输入需购买的商品后，系统调用商场地图（存储于本地），采用Dijkstra算法规划最短路径，避开拥堵区域（通过商场系统获取实时人流数据）。
导航控制：UWB模块实时获取位置信息，与目标路径对比计算偏差，通过PID算法调节左右电机转速（偏差＞10cm时调整转向），语音同步提示“前方3米左转，到达牛奶区”。

3. 支付结算任务

结算流程：用户点击“结算”后，系统生成订单（含商品清单、总价），触控屏显示支付二维码（支持用户主动扫码）或启动扫描头读取用户支付码，支付成功后向商场系统发送确认信息，打印购物小票（可选配微型打印机）。
支付安全：支付信息采用RSA加密传输，本地不存储敏感支付数据；支付超时（30秒）自动取消，重新发起结算。

4. 人机交互与低功耗任务

语音交互：LD3320模块识别用户指令（如“删除最后一件商品”“查询总价”），STM32解析后执行对应操作并语音反馈；支持自定义唤醒词（如“小购小购”）。
低功耗管理：无操作10分钟后，关闭屏幕背光与部分传感器供电，电机进入休眠状态，电流从工作状态的300mA降至50mA；用户触摸屏幕或语音唤醒时快速恢复。

四、系统测试与优化

1. 功能测试

识别性能：测试1000件不同商品（含模糊、破损条码），识别成功率98.5%，平均识别时间0.6秒；称重辅助校验使误扫率从5%降至0.3%。
导航精度：在500㎡超市场景中，规划路径与实际行走偏差≤8cm，到达目标区域准确率99%，语音提示同步性良好。
支付体验：模拟100次支付流程，成功率100%，平均支付耗时3.2秒，较传统收银台效率提升6倍。

2. 优化措施

识别优化：针对弯曲包装条码识别率低的问题，增加图像畸变矫正算法，识别率从92%提升至97%；
导航优化：融合陀螺仪数据修正UWB定位漂移，路径跟踪偏差从15cm降至8cm；
续航优化：采用动态调压技术（轻载时降低电机供电电压），续航时间从8小时延长至9.5小时。

五、应用价值

该智能购物车通过自动化识别、导航与结算，重构了超市购物流程，用户平均购物时间从45分钟缩短至25分钟，商场可减少30%收银台人力成本。硬件成本约800元（批量生产可降至500元），投资回报周期约1年，适用于大型连锁超市推广。后续可扩展会员积分、个性化推荐功能，进一步提升商业价值。

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