CN110852813A - 一种智能物联购物车系统及其购物方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种智能物联购物车系统及其购物方法。所述系统包括：电源模块、UHF RFID模块、ARM主控制器、STM32协处理器、触摸显示屏、UWB室内定位模块和辅助室内定位基站；所述电源模块连接ARM主控制器，所述ARM主控制器连接UHF RFID模块、STM32协处理器、触摸显示屏，所述STM32协处理器连接UWB室内定位模块，所述辅助室内定位基站分布在超市内，所述ARM主控制器与UHF RFID模块通过FT232RL USB转串口模块连接。本发明可根据用户的历史购物信息进行精准广告投放，为商家创造效益的同时避免了顾客错过感兴趣的促销信息。
Description
技术领域
本发明涉及智能购物车技术领域，是一种智能物联购物车系统及其购物方法。
背景技术
物联网(Internet of Things,IOT)是新一代信息技术的重要组成部分，也是“信息化”时代的重要发展阶段。顾名思义，物联网就是物物相连的互联网，是利用局部网络或互联网等通信技术把传感器、控制器、机器、人员等通过新的方式联在一起，形成人与物、物与物相联，实现信息化、远程管理控制和智能化的网络。物联网是互联网的延伸，它包括互联网及互联网上所有的资源，兼容互联网所有的应用。
其关键技术包括传感器技术、RFID标签、嵌入式系统技术等，物联网在日常生活中应用极其广泛，涉及公共事务管理(节能环保、交通管理等)、公众社会服务(医疗健康、家居建筑、金融保险等)、经济发展建设(能源电力、物流零售等)。
随着物联网技术的兴起，物联网的应用愈发广泛。比如基于物联网技术的智能超市，就是将射频识别技术、传感器技术与计算机通信网络和数据库管理相结合，利用智能货架进行盘点统计和采购作业，消费者进入超市后可通过快速查询和定位功能获取所需商品详细位置，选购完毕后再通过自主结算通道完成购物。基于物联网技术的智能超市的主要系统包括：智能超市货架系统、智能购物车系统、智能自提柜系统、智能结算通道系统、智能拣选系统以及虚拟购物系统等。日常生活中常见的门禁卡、公交卡、二代身份证、条形码、二维码、智能手环等等都是物联网的一部分。
现在全国有大中型连锁超市四万多家，小型超市几十万家，还有万达、百货大楼这些综合体。顾客排队结账需要超市提供大量的人力，场地，时间，累积起来是一笔不菲的支出。智能购物车的使用，可以实现客户自助结账付款，有效帮超市每年减少场地租金、人员工资大概2000-4000万人民币。同时，智能购物车上可以利用大数据和人工智能算法智能、精准投放广告，给超市带来相当可观的收入。所以对于超市来说，智能购物车的推行，至关重要；而对于购物车本身来说，除了本身产品的损耗，还有不断的技术更新迭代。所以智能购物车，是一项可持续发展的产业。
无人零售、智能购物车是近两年才兴起的产业，热度很高，需求量大。然而从顾客使用体验和技术角度看，现有智能购物车的解决方案仍然存在很多不完善的地方。比如目前绝大多数智能购物车都没有包含的室内导航功能。对于大中型超市，如果顾客不熟悉超市的布局又没有地图的话，购物非常耗时，常常需要为了一个商品搜寻很久，极大影响了顾客的用户体验。同时，目前世面上的智能购物车，基本上全部需要客户手动扫描商品。这不仅让顾客承担了收银员的扫描工作、增加了顾客的劳动量，还给超市增加了风险，因为一旦错扫、漏扫，都会造成超市的直接损失。最后也是关乎长久发展的制造成本方面，据调查，目前广受认可的、功能尚还齐全的购物车，成本价大概在一万元左右。这样的高成本导致很多超市对智能购物车望而却步，严重推缓了购物智能化的进程。
发明内容
本发明为推进智能化购物，解决现有智能购物车成本高的问题，本发明提供了一种智能物联购物车系统及其购物方法，本发明提供了以下技术方案：
一种智能物联购物车系统，所述系统安装在购物车上，所述系统包括：电源模块、UHF RFID模块、ARM主控制器、STM32协处理器、触摸显示屏、UWB室内定位模块和辅助室内定位基站；
所述电源模块连接ARM主控制器，所述ARM主控制器连接UHF RFID模块、STM32协处理器和触摸显示屏，所述STM32协处理器连接UWB室内定位模块，所述辅助室内定位基站分布在超市内，所述UHF RFID模块用于获取购物车内商品信息，所述触摸显示屏用于与AI广告的推送，所述UWB室内定位模块用于配合辅助室内定位基站提供定位服务。
优选地，所述STM32协处理器采用STM32F103RCT6型处理器。
优选地，所述UWB室内定位模块的定位精度为30cm。
优选地，所述UWB室内定位模块采用DWM1000型超宽带收发模块。
优选地，所述UWB室内定位模块采用单独的电路板，通过排线与STM32协处理器连接。
一种智能物联购物车购物方法，包括以下步骤：
步骤1：将商品信息数据和用户信息数据以xls表格形式存储，商品信息数据包括商品的名称、类别、价格、货架位置；用户信息数据包括用户在不同货架前停留时间和转移信息；
步骤2：当智能物联购物车系统未被用户使用时，处于休眠状态，并在触摸显示器线投放广告，当用户使用购物车系统时，解除休眠状态，当客户使用时，系统读取用于EPC卡中的个人信息，并从服务器的数据管理系统中调取与该用户的信息数据，缓存到智能物联网购物车系统中，并进行登录；
步骤3：登录后，跳转至主界面，主界面显示用户信息，并跳转至推荐、地图、购物车功能界面；
步骤4：当用户购物结束，准备离开时，根据用户定位进行定位判断是否进入支付区，当进入支付区时，弹出提醒支付界面提醒用户支付；
同时根据用户定位进行定位判断是否进入警报区，当进入警报区时，弹出警报界面，提醒用户进入支付区进行支付。
优选地，所述EPC卡为存储于RFID上的标签，并且EPC卡包括一块硅芯片和一根天线。
优选地，每隔2s自动刷新用户的位置信息，便于用户找到商品区域。
优选地，RFID扫描间隔为0.5秒。
优选地，所述步骤2中读取EPC卡具体为：打开等待界面时，同时开启UHF RFID模块扫描线程，ARM主控制器解算出UHF RFID模块信息中的EPC，通过数据库判定该EPC是否为用户所用EPC：若是，则停止UHF RFID模块扫描线程，进入用户界面；反之，则继续进行UHFRFID模块扫描线程。
本发明具有以下有益效果：
本发明融合了UWB室内定位技术、RFID技术和人工智能算法，旨在为超市用户带来更好的购物体验，为超市商家降低人力成本并提供优质的广告投放平台。本发明使用高清触摸屏用于用户交互，简洁、美观、易用，并可用于商家投放广告。本发明具有高精度实时室内定位和商品搜索、导航功能，可在超市中快速找到特定商品。本发明的RFID实时获取购物车内已购商品信息，用户可通过触摸屏查询已购商品的具体信息。本发明可设置固定区域自助结账，用户只要走入特定结账区域，购物车即会自动结算已购商品，省去顾客排队结账的麻烦、降低收银员的人力成本。同时还可划定购物车的使用范围，超出使用区域未结账则进行向工作人员报警。本发明搭载基于人工智能算法的广告推荐系统，可根据用户的历史购物信息进行精准广告投放，为商家创造效益的同时避免了顾客错过感兴趣的促销信息。本发明可使用会员卡绑定顾客身份，进一步提升算法的准确性。本发明可直接安装在传统购物车上，整体成本仅千元左右，有利于智能购物车的推广。系统智能化程度高，用户体验好。
附图说明
图1是智能物联购物车系统结构图；
图2是智能物联购物车系统安装示意图；
图3是ARM主控制器电路图；
图4为协处理器电路图；
图5为电源电路图；
图6为DWM1000模块原理图；
图7为UWB基站硬件系统框图；
图8为UWB基站实物和校园卡大小对比；
图9为智能物联购物方法流程图；
图10为EPC解算流程图；
图11为自动结账与报警程序流程图。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明进行了详细说明。
具体实施例一：
根据图1所示，本发明提供一种智能物联购物车系统，所述系统安装在购物车上，所述系统包括：电源模块、UHF RFID模块、ARM主控制器、STM32协处理器、触摸显示屏、UWB室内定位模块和辅助室内定位基站；
所述电源模块连接ARM主控制器，所述ARM主控制器连接UHF RFID模块、STM32协处理器、触摸显示屏，所述STM32协处理器连接UWB室内定位模块，所述辅助室内定位基站分布在超市内，所述ARM主控制器与UHF RFID模块通过FT232RL USB转串口模块连接。
智能物联购物车系统是设计的集合超宽带室内定位技术、射频识别技术和人工智能算法并可直接安装在传统购物车上的智能购物车系统。其中，超宽带室内定位技术用于提供30厘米精度的精确定位服务；射频识别技术用于自动获取所购买的商品的信息；人工智能算法用于精准广告投放。智能物联购物车系统由智能物联购物车系统智能购物车系统主体和辅助室内定位的超宽带定位基站组成。
智能物联购物车系统智能购物车系统主要针对大型综合超市，致力于为超市用户提供更好的购物体验，为超市商家提供更精确、有效的广告推送平台。智能物联购物车系统的总体系统设计方案如图2所示。
智能物联购物车系统采用ARM主处理器加STM32协处理器设计：ARM处理器的计算能力保证整体系统的流畅运行，STM32协处理器协助处理实时性要求较高的室内定位相关任务。传感器方面，智能物联购物车系统主要配备了UHF RFID模块和UWB室内定位模块。UHFRFID模块可以实时、准确地识别购物车内商品的信息，用户无需任何其他操作，只需把商品放入购物超车，智能物联购物车系统即可自动获取所购商品的信息。UWB室内定位模块可提供高达30cm精度的实时定位服务，商家可建立电子围栏，设置自动结账区域，用户可以免去去收银台排队结账的过程，走入结账区域即可自助结账。需要注意的是，智能物联购物车系统的室内定位功能需要配合设计的UWB定位基站一同使用，后文中会有详细的说明。智能物联购物车系统还搭载一块7英寸1024x600分辨率高清触摸屏，用于用户交互。用户可在触摸屏上查看商品位置、购物车内商品清单、超市特价商品等信息。用户交互界面简洁、美观、易用，同时也为超市商家提供了良好的广告投放平台。
硬件方面，智能物联购物车系统的ARM主控制器主要负责控制KLM400模块实时识别购物车内商品信息、与协处理通信获取室内定位信息、用户超出结账区域报警和使用板载的HDMI接口向触摸屏输出用户交互界面。部分原理图如图3所示：
ARM主处理器通过板载的USB口连接FT232RL芯片，FT232RL芯片将USB口的232电平转换为TTL电平串口与KLM400模块相连。ARM主处理器的GPIO8和GPIO10分别为UART外设的RX引脚和TX引脚，GPIO8连接至协处理器的串口发送引脚、GPIO10连接至协处理器的串口接收引脚，ARM主处理器即可通过串口与协处理器通信，获取室内定位信息。GPIO7为协处理器的使能引脚，GPIO7高电平时协处理器以1Hz频率向ARM主处理器发送定位信息；GPIO低电平时，协处理器和UWB模块处于休眠状态，降低系统功耗。GPIO11负责控制蜂鸣器进行超出使用区域限制报警。考虑到蜂鸣器工作时最大电流可达300mA，远大于ARM主处理器GPIO的最大输出电流，所以驱动电路增加了S8050三极管，以低电流控制蜂鸣器的工作。
协处理器部分，为了使智能物联购物车系统硬件电路足够紧凑，外形足够小巧，协处理器部分采用STM32F103最小系统设计，部分原理图如图4所示：
STM32F103RCT6协处理器采用8M无源晶振作为时钟输入，经过内部锁相环倍频，工作在72MHz主频。P1接口引出了与DWM1000通信相关的引脚，通过排线与DWM1000模块相连；P2接口引出了与ARM主处理器通信相关的引脚，通过排线与ARM主处理器电路板相连。协处理器部分电路还保留了启动模式选择接口BOOT0，用于下载程序和后期维护、调试。电源使用AMS1117-3.3稳压芯片将5V输入电源转换为3.3V，电源部分原理图如图5所示。
UWB模块天线的位置会影响定位的精度。为了保证定位性能，尽可能减少智能物联购物车系统上其他电子元器件的干扰，DWM1000并未和协处理器设计在一块电路板上，而是采用了一块单独的电路板，通过排线和协处理器部分电路相连，以便把DWM1000模块布设在最利于定位的位置。DWM1000模块电路原理图如图6所示：
UWB基站采用了与智能物联购物车系统系统主体硬件相似的设计。UWB基站需要安装在超市中，所以要尽可能的小巧、美观。所以在UWB基站上只保留了定位所需的相关最小电路。UWB基站硬件系统框图如图7所示：UWB基站的PCB基站实现了尽可能的小型化，大小仅35mmx 45mm：
具体实施例二:
根据图8和图9所示，本发明提供一种智能物联购物车购物方法，包括以下步骤：
步骤1：将商品信息数据和用户信息数据以xls表格形式存储，商品信息数据包括商品的名称、类别、价格、货架位置；用户信息数据包括用户在不同货架前停留时间和转移信息；
步骤2：当智能物联购物车系统未被用户使用时，处于休眠状态，并在触摸显示器线投放广告，当用户使用购物车系统时，解除休眠状态，当客户使用时，系统读取用于EPC卡中的个人信息，并从服务器的数据管理系统中调取与该用户的信息数据，缓存到智能物联网购物车系统中，并进行登录；
步骤3：登录后，跳转至主界面，主界面显示用户信息，并跳转至推荐、地图、购物车功能界面；
步骤4：当用户购物结束，准备离开时，根据用户定位进行定位判断是否进入支付区，当进入支付区时，弹出提醒支付界面提醒用户支付；
同时根据用户定位进行定位判断是否进入警报区，当进入警报区时，弹出警报界面，提醒用户进入支付区进行支付。
智能物联购物车系统搭载的GUI共有八个界面：等待界面、主界面、地图界面、推荐界面、购物车界面以及提醒界面、警报界面、和支付界面。
智能物联购物车系统软件系统中，所有商品与用户的相关数据均是以xls表格形式存储的，不论商家在服务器一端采用何种数据管理系统，均能够很好的通过联网与服务器端数据库进行数据的交互。智能物联购物车系统购物车所记录的数据主要分为两类：一类是商品信息相关，包括商品的名称、类别、价格、货架位置等基础信息，以及便于用户查询与推荐系统选用的商品“智能特征”，包括商品间关联性，与不同类用户的群相关性，高潜用户群等；第二类是用户信息，同样也分为基本信息与“智能特征”，又由于本系统能够获取到顾客在购物时的定位信息，也就保留了用户在不同货架(代表不同类商品)前的停留时间与转移信息，从新的维度丰富了用户肖像，通过大数据的积累与分析进而能够优化超市的布局部、广告投送等，增高营收。
智能物联购物车系统在未被用户使用时会处于休眠状态，并可屏幕上投放广告。用户需要用专属的购物卡解锁购物车，该购物卡实质上是RFID标签，用户在超市注册购物卡时会获得其专属的EPC，EPC与该用户的个人信息共同记录在数据库中。用户来到超市后，在等待区通过刷卡解锁购物车，然后即可进入超市进行购物。刷卡时智能物联购物车系统会读取用户的个人信息，同时从服务器的数据管理系统中调取与该登陆用户有关的信息，缓存到购物车系统中，并根据用户的会员情况确定各类商品的折扣，并根据用户的行为为其推荐相应的商品。当然，智能物联购物车系统也会记录用户的购物行为从而提高其购物体验，当用户结账或退出购物系统后，本次购物过程当中所记录的数据也相应的保存至数据库中对应的位置。
登陆后，界面自动跳转到主界面，主界面能够显示用户相关信息，并能够跳转至推荐、地图、购物车等其他主要功能界面。
智能物联购物车系统的等待程序设计为：运行智能物联购物车系统主程序后，打开等待界面，同时开启RFID模块扫描线程。RFID扫描间隔为0.5秒，读取RFID信息后，ARM主控制器解算出RFID信息中的EPC，通过数据库判定该EPC是否为用户所用EPC：若是，则停止RFID模块扫描线程，进入用户界面；反之，则继续进行RFID扫描线程。
产品电子代码(EPC编码)是下一代产品标识代码，它可以对供应链中的对象(包括物品、货箱、货盘、位置等)进行全球唯一的标识。EPC存储在RFID标签上，这个标签包含一块硅芯片和一根天线。智能物联购物车系统识别购物车内物品的原理就是通过RFID模块接收购物车内RFID标签的信号，解算出各个RFID标签的EPC，根据EPC查询数据库从而获取购物车内所有商品的各种信息。
KLM400模块通讯协议内定义的单次轮询指令的通知帧为：“BB00220000227E”。芯片接收到单次轮询指令后，如果能够读到CRC校验正确的标签，KLM400返回包含RSSI、PC、EPC和CRC的数据。读到一个标签EPC就返回一条指令响应，读到多个标签则返回多条指令响应。
如下表1所示：
表1 KLM400单次轮询指令的通知帧格式
上表中“Header”代表帧头，“Type”代表帧类型，“Command”代表指令，“PL”代表指令参数长度，“RSSI”代表信号强度，“PC”代表PC码，“EPC”代表EPC码，“CRC”代表循环校验码，“Checksum”代表校验位，“End”代表帧尾。
ARM主控制器与KLM400模块通过FT232RL USB转串口模块连接，波特率为115200bps，校验位一位。为照顾用户体验，设置每隔2s树莓派更新一次EPC数据，即每隔2s进行一次单次轮询。假设进行单次轮询时购物车内有n个商品，则ARM主控制器会收到一个由n个以“BB0222”开头、“7E”结尾的子帧构成的通知帧。因此，RFID信号的EPC解算流程图如图10所示。
智能物联购物车系统用户GUI界面有“地图”子界面，在该界面中用户可实时获取自己在超市地图中的位置、搜索感兴趣商品并获取其位置。在该界面内，智能物联购物车系统每隔2s自动刷新用户位置，使用户可以更方便地找到超市的各个商品区域。
同时，界面上方为用户提供了模糊搜索栏，应用具有很高灵活性的正则表达式，将输入信息与购物车系统中的商品数据进行匹配。存储的商品信息列表的数据结构具有较高的可扩展性，可以通过智能物联购物车系统购物车系统在实际应用过程当中，不断对商品追加各种特征标签，而整个搜索过程又仅需要线性的时间复杂度高效便捷。这样的设计使得整个系统会随着超市的使用，不断演进完善，用户只需通过简单的输入表达，便可使他获得所需要商品的详细信息，以及商品所在区域，从而获得更佳的用户体验。
智能物联购物车系统还具有“优选推荐”子界面，该界面应用了数据挖掘、与智能推荐算法，其内容将在算法章节做具体介绍。本界面总共包括以下3个部分：
(1)今日特惠：该部分根据用户所在超市中的位置，推销相应区域的促销商品，能够让顾客更快更准确地了解到超市的促销活动，并以顾客更愿意接受的形式进行促销。
(2)优品一览：该部分根据顾客已放入购物车中的物品，推荐相应的同款商品或与放入物品关联度极高的商品，可按照一定相似度、促销活动等进行关联与排序。
(3)贴心推荐：该部分根据顾客的用户历史搜索、消费、购物车移动轨迹等信息，通过建立用户画像并应用推荐算法进行商品与用户的匹配、预测，对高潜用户推荐相应的商品。
智能物联购物车系统用户界面有“购物车”子界面，在该界面中用户可实时看到购物车内的商品信息、各商品数量及总价。该界面内的商品刷新间隔为2s，同时也支持用户主动刷新。此外，该界面还预留了支付宝支付接口与微信支付接口，当购物车处于结账区时，用户可通过这两个接口实现商品的自动结账；而当用户处于非结账区时，点击这两个按钮无效。
当用户进入结账区域时，无论之前用户打开哪个界面，此时都会弹出提醒用户进入购物车界面的对话框。通过点击对话框上的按钮，用户可直接进入购物车界面进行付款。
根据图11所示，提示界面只在用户从购物区进入结账区时弹出，且只弹出一次。用户在结账区内依然可以进入其它界面，也可以回到购物区继续购物。但如果用户在未结账的情况下从结账区进入报警区，则购物车界面会发出警报，同时购物车上的蜂鸣器会鸣响，提示用户回到结账区进行支付。
智能物联购物车系统实现了超市内商品导航、固定区域自动结账、促销信息精准投放等功能。智能物联购物车系统从技术上解决了传统超市人工收银台结账效率低下、用户长时间排队影响用户体验的问题，提升用户购物体验的同时还帮助超市节省了人力成本。对比现有智能购物车，智能物联购物车系统的成本仅千元，非常有利于智能购物车的推广。并且，智能物联购物车系统解决了现有智能购物车需要用户手动扫描已购商品的问题，还在此基础上融合室内定位技术增加了商品导航等功能。
以上所述仅是一种智能物联购物车系统及其购物方法的优选实施方式，一种智能物联购物车系统及其购物方法的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于该思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和变化，这些改进和变化也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种智能物联购物车系统，所述系统安装在购物车上，其特征是：所述系统包括：电源模块、UHF RFID模块、ARM主控制器、STM32协处理器、触摸显示屏、UWB室内定位模块和辅助室内定位基站；
所述电源模块连接ARM主控制器，所述ARM主控制器连接UHF RFID模块、STM32协处理器和触摸显示屏，所述STM32协处理器连接UWB室内定位模块，所述辅助室内定位基站分布在超市内，所述UHF RFID模块用于获取购物车内商品信息，所述触摸显示屏用于与AI广告的推送，所述UWB室内定位模块用于配合辅助室内定位基站提供定位服务。
2.根据权利要求1所述的一种智能物联购物车系统，其特征是：所述STM32协处理器采用STM32F103RCT6型处理器。
3.根据权利要求1所述的一种智能物联购物车系统，其特征是：所述UWB室内定位模块的定位精度为30cm。
4.根据权利要求1所述的一种智能物联购物车系统，其特征是：所述UWB室内定位模块采用DWM1000型超宽带收发模块。
5.根据权利要求4所述的一种智能物联购物车系统，其特征是：所述UWB室内定位模块采用单独的电路板，通过排线与STM32协处理器连接。
6.一种智能物联购物车购物方法，所述方法基于如权利要求1所述的一种智能物联购物车系统，其特征是：包括以下步骤：
步骤1：将商品信息数据和用户信息数据以xls表格形式存储，商品信息数据包括商品的名称、类别、价格、货架位置；用户信息数据包括用户在不同货架前停留时间和转移信息；
步骤2：当智能物联购物车系统未被用户使用时，处于休眠状态，并在触摸显示器线投放广告，当用户使用购物车系统时，解除休眠状态，当客户使用时，系统读取用于EPC卡中的个人信息，并从服务器的数据管理系统中调取与该用户的信息数据，缓存到智能物联网购物车系统中，并进行登录；
步骤3：登录后，跳转至主界面，主界面显示用户信息，并跳转至推荐、地图、购物车功能界面；
步骤4：当用户购物结束，准备离开时，根据用户定位进行定位判断是否进入支付区，当进入支付区时，弹出提醒支付界面提醒用户支付；
同时根据用户定位进行定位判断是否进入警报区，当进入警报区时，弹出警报界面，提醒用户进入支付区进行支付。
7.根据权利要求6所述的一种智能物联购物车购物方法，其特征是：所述EPC卡为存储于RFID上的标签，并且EPC卡包括一块硅芯片和一根天线。
8.根据权利要求6所述的一种智能物联购物车购物方法，其特征是：每隔2s自动刷新用户的位置信息，便于用户找到商品区域。
9.根据权利要求6所述的一种智能物联购物车购物方法，其特征是：RFID扫描间隔为0.5秒。
10.根据权利要求6所述的一种智能物联购物车购物方法，其特征是：所述步骤2中读取EPC卡具体为：打开等待界面时，同时开启UHF RFID模块扫描线程，ARM主控制器解算出UHFRFID模块信息中的EPC，通过数据库判定该EPC是否为用户所用EPC：若是，则停止UHF RFID模块扫描线程，进入用户界面；反之，则继续进行UHF RFID模块扫描线程。
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