目录
一、引言 4
（一）超市人工结算的现状及瓶颈 4
（二）超市人工结算提速措施及情况 5
（三）本项目研究目的 5
二、研究内容 6
（一）运用运行方案设计 6
（二）装置的外部结构及逻辑图 7
（三）装置的内部结构 9
三、总结与讨论 10
（一）难点分析 10
（二）先进性及独特之处 10
（三）与同类项目比较 11
四、成品总结 13
五、展望 14
六、致谢 14
七、参考文献 15
【关键词】 单片机控制、自助结算、质量计算、高效率收银
我们在日常的生活中,我们尽管会进行网上的购物,但去传统超市进行购物也是一件不可避免的事。但在传统超市里我们去会遇到很多麻烦，最最常见的就是排队难！尤其是在超市购物的高峰时段。每次都有要从推车里把商品拿出让营业员扫描，再打包，花在排队结账上的时间很长。并且可以发现大型超市里收银台开了很多，投入的人力也很大，但是仍然没有很好的缓解收银效率低这一问题，很明显如今的实体超市购物既浪费时间又浪费精力。所以我在想:毕竟超市结算是一种全人工服务，不可控因素太多了。既然人工无法解决这一问题，那我们何不用单片机来解决呢？渐渐地，我就有了一个想法，在传统超市推车的基础上进行改进，通过Arduino单片机控制，使用条形码扫描器来扫描商品，质量仪来确定商品，NFC模块来传输商品数据。并与Arduino开发板预存的数据相对比来初步确定商品。质量仪称重是用到一个“O”型的质量仪，通过使用称重模块计算形变程度，将模拟信号转化为数字信号，并得到精确质量。（可以精确到0.5g）这样来进一步确定商品。使用NFC模块将商品数据进行传输。
一、引言
（一）超市人工结算的现状及瓶颈
图（1）营业员扫描时间与收银时间对比统计表
图（1）可以发现在超市收银中大部分时间都花在扫描上，扫描时间而且很长。
图（2）单个收银通道收银与结算的对比折线图表
图(2)就更为直观发现在大部分情况下扫描时间是远大于结帐时间的。
由以上图（1），（2）可以非常清楚得看见在整个超市结账的过程中扫描时间平均在27.4秒，而付费（结账）的时间则只要15秒。从这数据上看出扫描的时间是付费时间的近2倍。这整个结账的过程中，主要是扫描的时间很长。
现如今，每个人都追求高效，而传统的超市购物已经不能契合这一时代的潮流。
1. 收银员扫描耗时长：在传统的超市人工结算中，由于每样商品都要经过收银员的扫描，所以会花费很长的时间，这样就会导致排队结账的队伍不断地累积，导致收银台相当拥堵。
2. 无法合理运用人力资源：一家超市总会存在客流量多的时候和客流量少的时候。在客流少的时候往往超市不会出现拥挤的问题；但在客流量大的时候，我们会发现几乎每个收银员都是在超负荷工作的，这会给收银员造成太大的负担。
所以说，如今超市收银员人工结算的效果不如人意。
（二）超市人工结算提速措施及情况
现阶段大型超市收银效率慢这个问题并没有得到很好的解决。而现今的普遍方法都是通过改变收银员结构来缓解这种情况。
1. 增加收银员和增加收银窗口来加快超市的收银效率
这个方法是通过客流量的多少来决定的。当客流量多的时候，商场会增加收银员和增加收银窗口，希望通过这样的方法来提高收银效率。但这种方法有它的弊端：
（1）这需要商场方面做一个很精确的预测，对于一些临时的，突发的情况，无法采取及时的措施，比如出现客流量的急减，那么就有可能会导致一种人力的浪费；如果出现客流量的急增，那么需要马上调拨人员，但可能会出现调拨人员无法及时到达的现象。
（2）当商场遇到重大节日的时候，比如国庆节，新年的时候，超市的客流会在短时间内增加，这时超市方面会将所有的收银台开放，达到一种满负荷的状态。但即使在这种满负荷状态下，仍会出现超市等待结账人员过多的现象，这种情况往往就是因为顾客实在太多，进入超市购物的客流量远远大于出超市的客流量。
2. 提高收银员的结算能力
这种方法是通过挑选一些经验丰富的收银员。
这就是现今超市的提速措施及情况。不难发现，这些方案无法十分有效地去解决现在收银效率低的问题仅仅只是稍微缓解这一现象，收效甚微。
（三）本项目研究目的
在这个项目中，我是利用单片机编程技术，PS/2条形码扫描技术以及两块NFC间数据传输技术，来实现超市自助购物的功能。通过这种途径来解决超市结算慢，效率低的问题。这样可以有效地提高收银效率，节约人力资源，为商家节约运营的成本。同时探究出一条改进现有传统超市方法，使其与现有的RFID智能超市一样智能化。
二、研究内容
（一）运用运行方案设计
该装置初步所设计的功能分为两部分。
第一部分是主要的，是利用条形码扫描和称重仪器所形成的一个体系。顾客将商品放入推车，将进行两步：
1)将商品在条形码激光扫描器前扫描该商品的条形码；
2）将商品在一定时间内放入购物车即可。第二部分是一个辅助部分，当商品经过扫描放入推车后，商品的名称和商品的单价将显示在推车上的LCD显示屏上。当顾客进行结账时，超市收银台上会预装一个NFC的接收装置，而在超市推车上会装一个NFC发射装置。当推车上的过收银台是推车与收银台上的两块NFC模块相碰，这样推车上的商品总价将会传输到收银台上。这样就完成了一次购物。
（二）装置的外部结构及逻辑图
整体外形与原来的推车并没有多大的不同。就是将原有的超市推车的把手部分改成一个密闭的空间，并在这个板上面固定条形码扫描器和各类模块和开发板。我还在该区域安装了一个LCD的液晶显示屏，这是用来显示商品数据的。并且我在推车的两边各安装了一个NFC单片机的发射区，通过收银台的NFC单片机接受，用来将数据转到收银台。在推车的储物空间内我安放了一个质量仪，用来检验放入推车的商品。
图（3）为装置把手部分的设计
图（4）为装置储物空间的设计
PS：商品规定质量范围取
净含量±5g（或±8g），
这由商品质量保证而定！
图（5）为项目逻辑图
条形码扫描器以及质量仪为整个装置的识别部分，而NFC模块是这个装置的数据传输部分，质量仪，质量模块和蜂鸣器为称重报警部分。
初始状态为条形码扫描器常开。
例1：当监测到商品的条形码后，将商品放在推车里，推车中的质量仪会自动进行称重。如果放在推车里的商品质量符合该商品的质量范围，那么商品将被记入该次购物的总金额中。
例2：当商品未经扫描变放入推车中时，因为质量无故增加，推车将会发出警报或是提示音用来提示顾客扫描。
例3：当监测到商品的条形码后，将商品放在推车里，推车中的质量仪会自动进行称重。如果放在推车里的商品质量不符合该商品的质量范围，那么商品将不被记入该次购物的总金额中，与此同时，推车将会发出警报或是提示音用来提示顾客诚信购物。
（三）装置的内部结构
arduino单片机：主要用于发出指令，控制各部件进行操作[3]。
使用arduino单片机因此单片机有这一特点：它是一款便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台, Arduino，是一个基于开放原始码的软硬件平台。
而在我这个项目中我使用的是arduino Mega2560这钟开发板。这种开发板的优点是串口多，这样可以让我在一块板上添加更多的模块。更重要的运算能力比arduino uno强，可以处理更多的信息，储存更多的代码。可以为将来的拓展留下足够的空间，而且可以兼容我的所有用到的模块。
NFC模块：在单一芯片上结合感应式读卡器、感应式卡片和点对点的功能，能在短距离内与兼容设备进行识别和数据交换。用2个NFC模块进行数据的传输。
NFC是在RFID的基础上发展而来，NFC从本质上与RFID没有太大区别，都是基于地理位置相近的两个物体之间的信号传输。
NFC相较于RFID技术，具有距离近、带宽高、能耗低等一些特点。
因为同样工作于13.56MHz，NFC与现有非接触智能卡技术兼容，所以很多的厂商和相关团体都支持NFC，而RFID标准较多，统一较为复杂，只能在特殊行业有特殊需求下，采用相应的技术标准。
对于我这个项目而言，我仅仅只需要在几厘米的范围内进行数据的传输，所以不需要大费周章的用RFID，仅需要采用NFC即可。
条形码激光扫描器：可读取条形码，并在端口传输相应信息。
（所利用的为PS/2端口的扫描器。PS/2接口是目前最常见的鼠标接口，俗称“小口”。这是一种鼠标和键盘的专用接口，是一种6针的圆型接口。使用其中的4针传输数据和供电，其余2个为空脚。PS/2接口的传输速率比COM接口稍快一些，而且是ATX主板的标准接口，是目前应用最为广泛的接口之一。）
在我的项目中我选用PS/2是符合arduino单片机的串口形式，可以用多邦线将两个连起来。而USB的接线口由于没有对应的串口而无法直接与arduino单片机相连。
对于我的项目而言，使用传统的条形码扫描器已经是足够的了。现在的商品不需要用二维码来储存这么都得信息。二维码由于多于复杂，商品信息上一般用不到。
重量传感器+质量仪：可靠压力知道重量大小，用来检验扫描好后放入推车的商品
LCD液晶显示屏：显示购物数据，如单价，购买数量，总价等。
三、总结与讨论
（一）难点分析
（二）先进性及独特之处
整体结构设计：为了不影响推车的基本功能，我将条形码扫描器安装在推车的把手部分，并将质量仪安装在推车储物空间的底部。这个设计更偏向于自助收银。
整体运行设计：为了商品自动化结算，我将扫描和称重装置结合在一起，用质量来检验放入推车的商品。
用LCD液晶屏显示商品名称，商品单价，购物总金额，商品数量，在2秒到3秒内即可完成单件商品的结算。
该装置最大的贡献为利用低端单片机实现大型超市的智能结算，可以高效结算，并节省人力，便于广泛推广和使用。
其优点：整个操作快，正常工作下精准度较高，只要在扫描器上扫描到。质量仪的称量精度高，条形码扫描器扫描时间在3秒之内，而称重和数据在LCD显示屏上显示的时间在2秒之内完成，可直接运行使用。
（三）与同类项目比较
目前市场上有两种类似于该装置的机器，目前试用于上海的一家超市，但是这家商店运用的是RFID无线射频识别技术，在这家商店中，他们将每个商品上都贴一个RFID电子标签，并将超市的每一辆购物车的四周加上接受RFID的传感器，将购物车载物平台作为一个固定的接收范围。当商品放入购物车时，推车接收到放入购物车的商品的信号，这样就自动完成了结算。并将数据显示在推车的数据屏幕上。
但在我看来这个方法的实现率很低。由于需要使用到RFID技术，所以超市方面需要在每一件商品上都贴上RFID的标签，这样的话不仅仅是浪费了资源，而且这同样也是一件非常费时费力的一件事情。
如图(6)所示为淘宝上卖的RFID电子标签（请注意价格）
另外一种智能型购物车内部结构如下图：
这个方案相对于我的推车而言，它的容量相当受限制，无法装载更多的商品。这个是在购物时相当重要的一点。而且这个扫描仪的位置设置得很尴尬，一些条形码是无法被扫描到的。
四、成品总结
这个项目以节约购物时间，提升超市效率为主题。具有较大的意义，且此产品对整体的制作上技术不需过于深奥，成本也不会归于昂贵，用到了单片机技术，此产品运用的范围也较广。在这个“时间就是金钱”的时代里，每个人都在快节奏的生活中生活，而在购物时我们由于技术的问题不得不去浪费时间地等待。我的项目可以有效的减少在购物时排队的时间，提高超市的运营效率。
同时，在现在智能超市不断崛起的同时，传统超市面临冲击。我的项目可以快速运用到各大超市，在成本不高的情况下，使超市享受智能化。
整个装置实用性强，结算速度快，精准度高。未来是一个信息化，自动化的时代，超市购物车全自动结算，但是我设计的智能购物车目的并非让其变成完全自动化，这样只会让国人更加依赖电子技术，只知道一味地追求自动化。我设计半自动化购物车，只是想节约掉购物时的扫描时间，让大家有更多的时间去做些别的事情。
项目的创新点：
减工减力：用单片机控制整个装置，免去收银台扫描环节。
成本低廉：使用廉价扫描器和质量仪来检验并确定商品。
技术兼容：各大商场均使用技术成熟的条形码扫描。在技术方面没有太大障碍。
移动支付：通过NFC传输商品总价，为移动支付奠定基础。
五、展望
我的这个项目如果真正运用到超市中的话，那么将会有效地提高超市的收银效率。但我这项目仍有缺点：若是有人专门挑选两个质量一样的，但价格相差很多的商品钻空子的话，装置无法正确的判断。我心里所想采用的方法的是利用已有的含磁标签技术，在生产包装袋时，在包装袋条形码处加入一些含磁粉，在进行条形码扫描后，磁性自然消失。在过闸机时，若商品为消磁，则会发出警报。由于现在并非所有包装袋上都有磁粉，所以这个可能还需要一个更好的处理方法来解决这个问题。
在我现有的项目之上，我还有一个想法：在超市里我们一直要推着车实在是十分的麻烦，且有时候，我们会不小心把车推到别人的身上，或者夹到别的顾客的手或者是脚。所以我在原来的基础上，进行了一些小小的改进，我们可以在推车上的两个后轮改为电动轮毂和刹车系统，而其前轮则可以加装两个自动转向器，用来转向；我们为每个顾客在购物时配发手环，通过手环，推车可以自动跟随顾客，陪顾客进行购物；在推车前部安防红外探测的仪器，当前方有障碍物时，推车会停下来。这样我们可以真正地做到在购物时解放我们的双手。
六、致谢
本课题是在苏宇彤老师的亲切关怀和悉心指导下顺利完成的。这次我的课题能够得以顺利完成，首先我要感谢苏宇彤老师，从选题到试验过程，直至论文的撰写，苏老师给予了我很大的帮助，在苏老师的启示下，我懂得了如何培养自己分析问题和解决问题的能力。苏老师教会我的不仅仅是专业知识，更多的是对待学习、对待生活的态度，不仅使我树立了未来的学术目标、掌握了基本的研究方法，还使我明白了许多待人接物与为人处世的道理，逐渐形成正确的人生观、价值观。
本论文从开始选题到实验的进行，到中期修正，再到最终定稿，每一步都是在各位老师、专家的悉心指导和同学、朋友的关心和帮助下完成的。感谢上海市闵行区青少年科学社在课题研究方向、装置设计、设计阶段、装置后期处理等方面的指导与帮助，使我能在一个愉悦的环境下进行发明探究。
发明探究过程中正是有了学校提供实验室条件和设备，我的实验才能够顺利进行。感谢学校各位领导对我课题的支持，感谢上海闵行中学所提供了发明探究条件，在此一并致以深深的谢意！
最后，我要感谢这一年来一直在支持着我的家人、朋友以及默默关心和付出的所有人，正是有了你们的奉献，我才能够完成课题，自信成长，在此对你们表示崇高的敬意和衷心的感谢！谢谢你们！
七、参考文献
【1】《爱上Arduino》——【美】Massimo Banzi
【2】《C程序设计》——谭浩强
图12