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基于ARM和计算机视觉的餐厅快速结算系统设计

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2013年gll期 文章编号:1009—2552(20t3)11—0080—05 中图分类号:TP311 文献标识码:A 基于ARM和计算机视觉的餐厅快速结算系统设计 刘子龙 ,胡少凯 ,蒋辰飞 ,韩光鲜2 (1.上海理工大学光电信息与计算机工程学院,上海200093;2.上海博建电子科技有限公司,上海20 ̄93) 摘要:设计了一种餐厅快速结算系统。通过三星¥3C6410硬件平台,采用中星微Z310c摄像 头获取餐盘图像,根据边角检测颜色检测,获得感兴趣区域内餐盘信息,与内存数据价格比对, 得到结算价格。另一方面,通过以太网传输价格信息至数据中心和读写卡设备,完成一次结算。 系统结算快捷,具有多路信号输入等功能,有较强实践意义。 关键词:嵌入式;¥3C6410;计算机视觉;结算系统 Canteen billing system based on ARM and computer vision LIU Zi.1ong ,HU Shao—kai ,JIANG Chen.fei ,HAN Guang—xian (1.Photoelectric Information and Computer Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China; 2.Shanghai Bo-Jian Electronic Technology Co.,Ltd.,Shanghai 200093,China) Abstract:This paper designed a restaurant fast cleating system.First,with Samsung¥3C6410 hardware platform and Z3 10c camera,it gets dishes image to make corner detection and color detection,then comparison between computer vision result and memo ̄data.At last,the settlement price were been calculated.On the other hand,pricing information transmisses hrtough the Ethernet to the data center and he card reader devitce.The system is able to clearing fast and takes multi—channel signal input,there is a strong practical significance. Key words:embedded system;¥3C6410;computer vision;clearing system 0 引言 中国人口数目巨大,群体性活动也比较集中,往 往大量人群在就餐、购物等一系列结算排队中,会产 生很大的拥挤堵塞,这与人们越来越快的现代生活 节奏格格不人。如何做到节约时间节约人力,快速 并避免。与此类似的还有物联网技术在超市方面的 应用。日本最新出现了一种基于计算机视觉的结算 系统,其主要通过一个摄像头,通过获取的图像特 征,实时鉴别物品的种类,从而达到快速结算的目 的。这种方法是非接触式检测,能够达到快速性的 要求,但是通过图像处理的方法,往往精确性得不到 保证,出现错误的分类;另一方面,其算法复杂,造价 较高,实际上应用并不广泛。 本文针对这一问题,设计了一种基于ARM单 结算,避免排队造成的时间浪费和情感的不愉悦,减 少不必要的摩擦等等,已经成为亟待解决的问题。 除了手工记录这种最原始的方法之外,随着信 息技术和电子技术的发展,电子计费系统也有了很 大发展,上海交通大学就出现一种集成RFID射频 技术的餐厅结算系统,其通过在每个餐盘底部植入 片机和机器视觉的餐厅结算系统,其结合了上面方 法的优点,能够达到计费陕速,计费准确的特点,而 且造价合适,不需要特定的餐盘,机器,很容易获得 收稿日期:2013一O5—21 射频芯片,可以实现快速结算。这种结算系统的优 点是准确性得到了保障,但另外一方面增加了餐盘 的成本,对于每一个餐盘,都需要植入不同的射频电 路,需要特制餐盘,不具备通用性;在餐盘洗刷过程 中可能出现电路损坏,失效等问题,也通常难以发觉 一基金项目:上海市教育委员会科研创新项目(12ZZ144) 作者简介:刘子龙(1972一),男,博士,副教授,研究方向为机器人 控制、过程控制。 80一 广泛应用。通过本文的快速结算系统,可以为企事 设计中选用1GRAM和2G的NAND闪存。 业单位餐厅、学校食堂、快餐连锁店等提供自选式快 速结算服务。在使用过程中,能够达到快速结算,精 确核准、无人值守等特点,使日常生活更加便捷、有 序、轻松。 ¥3C6410支持I2S/PCM/AC97等音频接口,这 里采用的是AC97。为了表征整个计算状态和计算 系统的状态,需要占用CPU的GPIO,分别指示系统 正常工作,待机,计算成功等信息。在光线不足的情 况下,应该进行补光处理,即复用引脚GPK6,控制 灯的开关。 本系统设计8个用户按键,均从CPU中断引脚 l 总体设计方案 目前,大多数企业单位餐厅、学校食堂、快餐连 锁店都采用了进门——点餐一结算的模式。在结 算阶段,一般利用不同颜色的餐盘,以区别价格,然 后操作人员心算出具体的价格,输入刷卡读卡器,进 直接引出,采用低电平触发,代表开机、设置、菜单 上、菜单下、关机、重新结算、撤销结算、复位,对应中 行扣费结款等一系列动作。本文的计费系统也是基 于这样的应用场景,在结算阶段,通过采集图像设 备,检测托盘中餐盘边角,然后提取餐盘颜色得到价 格信息。然后发送信息至数据中心和读卡写卡设 备,系统的模块结构如图1所示。 图1系统模块结构 图像采集模块主要完成餐盘图像获取的内容, 把待结算的托盘照片数据回传给CPU。按键电源 模块完成一些系统复位,供电功能。网络模块主要 负责与数据处理中心和读卡刷卡设备之间的通信。 显示模块和语音播报用来实现信息的交互,可以显 示菜单、具体价格信息,播报欢迎语等等。处理 器则完成整个系统的协调,任务分配和图像处理,输 出结算金额等内容。 2硬件设计及选型 在本系统设计中,需要用到图像处理方法,涉及 了大量的图像特征选取,大矩阵计算内容,对计算能 力有一定的要求。本文处理器使用三星的¥3C6410 芯片,其基于ARM11构架,芯片大小为13x13mm, 424个管脚,内核为ARM1176JZF—S,包含了16kB 的指令数据Cache和16kB的指令数据TCM,在 ARM Core电压为1.1V的时候,能够稳定工作在 553MHz主频,通过加压甚至能够运行在667MHz。 ¥3C6410采用由AXI,AHB和APB总线组成的64/ 32一bit内部总线结构,可以连接大量外围设备,如 SROM控制器,SRAM控制器,NAND控制器,中断控 制器,四个UART,DMA,STN,TFvr LCD控制器。本 断分别是EINT0到EINT7。显示控制芯片为 ADS7843。本文设计的餐厅自动计算系统,硬件结 构图如图2所示。 l墨竺 塑璺 堡}<:开 ±型±竺堂} usB摄像头jj以太网接口K  .Flash sD ——L —— ’/tD/DA,I2S,UPdCT,SPI,hCO7,嗍等 图2硬件组件连搔图 为了采样获得质量较高的图片信息,采用USB 摄像头。通常情况下,USB接口在调试或者数据下 载,甚至多路输人时,仅仅依靠集成的接口,并不充 足,这里需要对USB接口进行扩展。AU9254芯片 是单片集成的USB控制器,每个端口都有电源开关 和电源开关控制和电流过流监测。其系统内部集成 了电压调整电路,直接可以加载5V电压,如图3所 示。其中2O,21引脚连接时钟电路,选取12MHz即 可,USB—DP,USB~DM通过主芯片与CON接口连 接,供电电压为3V。扩展加多个USB口后,采用 USB摄像头,不仅可以多路处理,数据传输效率得到 提高,系统的精确性也得到了提升,另一方面,在故 障时也方面维修替换。本设计使用的是中星微的 zc301的摄像头,其价格低廉,成像效果较好。该数 字摄像头,通过感光CMOS原件,转化成电信号,一 系列A/D转换之后,成为数字信号,一般再通过 DSP芯片处理,输出一定的图片格式,如JPEG,BMP 等,即通过USB接口输入至处理器。 本设计引出一个四线RS232串口用于主机通 讯。以太网控制器起到了与数据中心交换数据和读 一8】一 出至通过以太网模块链接的数据中心和读卡写卡装 置,并语音播报,提示刷卡,并显示刷卡金额。托盘 取走后,完成本次结算,出发中断,恢复系统流程,等 待下次结算。 3.1视频采集驱动设计 体托盘范围内,实际上很容易提取出所要检测的范 围。首先要检测圆形餐盘,进行圆形检测: Ipllmage src—_Img=NULL;//原图像指针 Img=NULL;//l[ ̄时空间,存放圆区 IplImage dstImg=NULL;//处理后图像指针 IplImage,lc temp—USB摄像头具有良好的性能,且价格较为低廉, 通用性也高,被广泛应用在嵌入式系统中。Linux实 际上对采用zc0301 pl芯片的USB摄像头的支持并 不是很完美,需要自己编写驱动程序。摄像头属于 视频类设备。在目前的Linux核心中,视频的标准 域 cvCvtColor(src—Img,dst—Img,CV—BGR2GRAY);// 转为灰阶 cvCanny(temp_Img dst—Img,50,100);//边缘检测 之后进行颜色区域内范围读取,获取temp—Img一定 是Video for Linux(V4L),这个标准定义了一套接 范围内的环形区域,采用RGB模型,统计像素点。 口,内核、驱动、应用程序通过这个接口进行交互。 得到颜色值。即: 在图像采集过程中,采用V4L的read方式直接读取 r=CV—IMAGE—ELEM(temp—Img,uchar,Y,X 设备来获取JPEG格式的图像数据。首先在驱动中 3+2);//红 声明video_device结构: g:cv tMAGE_ELEM(temp_Img,uchar,Y,X static struct video—device vdev_template={……}; 3+1);//绿 ,/声眼video—device b=CV_IMAGE_ELEM(temp_Img,uchar,Y,x struct video_device}vdev=video_devdata(file); 3);//蓝 //取出video—device结构 通过在环形区域迭代循环,累加具体的RGB颜 定义VIDEO—PALETTE—JPEG为21,并赋值给图像 色值,结果实际上代表了这个环形颜色特征,根据设 帧的调色板。图像色调、颜色、对比度通过 置阈值,可以判断。然后根据内存中餐盘颜色所代 VIDIOCGPICT传递给ioctl函数。Read可以读取设 表价格,进行结算即可。 备文件获取一帧数据至缓冲区,converframe()把数 3.3总体程序流程 据转成JPEG格式存至ptframe,再调用fwrite()函数 整个系统主要有等待中断和计算价格阶段。中 把JPEG格式数据写入指定文件中,即完成一帧图 断由称重传感器出发,进入计价结算服务程序。为 像的获取。 了更具一般性,本系统的设计最大程度上保留了原 3.2颜色检测程序设计 有系统,通过局域网和数据中心、读卡写卡机相连。 由于假设餐盘的颜色实际代表计算价格,在整 应用程序设计流程图如图5所示。 猎取图像 ——l ±全 l .................I!..一 边角检测 覃———,———JY 、、\ / l颜色读取 i J----------・-------・---------・----------一 ............................:I!......一 I兰±垒塑l 厂 I内存数据价 I格信息比对 N ———T一 , i 扫描键盘I 称重 l i Y 盘范 I请求身份验证 【。。。。。。。。。。。。。。。。。。。’。’。。。’ 。’’’。 。。 。’。。。。。一 扫 、/ 语音播报I f形成消费记录  lN ◇l N  图5应用程序设计流程 在结算系统,ARM处理器请求TCP/IP服务,对 放人的餐卡进行身份鉴别,如果正确,发出消息,进行 一83一 读写卡。若过程中发现错误,同样也触发报警,进入 意外处理子程序。输出结算金额至读写卡设备,结算 成功,返回成功信息,请求数据中心增加消费记录。 成本,时间成本都大大减少,可以得到广泛的应用。 但是,不可避免在检测餐盘的时候,会有遮挡,这就 给系统准确性带来了挑战,通过算法优化,也可以得 完成一次结算,播报并显示,然后恢复中断就绪状态。 到很好的解决,这也正是本文要研究的重点。 当按键按下,系统经过初始化后即进人中断就 参考文献: 绪状态,等待中断发生。此时检测系统硬件是否发 [1]杨振,徐爱钧,吴子平.基于¥3C6410的图像采集与无线传输 生错误。当硬件,服务就绪时,进人中断等待状态, 系统的设计[J].电脑开发与应用,2011,24(10):20—22. 中断由称重传感器直接触发。当称重传感器采集到 [2]唐永彬,杨恢东,墨芹.基于ARMll的嵌入式Web网络监控 系统设计[J].电视技术,201I,35(9):122—124. 数据,经过放大器转换后,与阈值相差,在合理范围 [3]郭土华,徐晓.基于高速嵌入式系统的信号完整性分析[J].电 内开始进入中断服务程序。第一步首先进行数据采 子技术应用,2011,37(1):55—57. 集,经过一系列转换后,得到目标区域内的圆形信 [4]李岸,许雪梅,郭巧云,等.基于ARM11的视频实时传输系 息,再统计颜色信息。根据内存中存储信息,得出计 统[J].计算机系统应用,2010,19(11):16—18. 费金额。若没有完成检测,应当调用报警程序。完 [5]LIN C D,LI s L,XIEX.VideoMonitoringSystem Based on3GWire- less Network[J].Computer Systems&Applications,2012,3:48. 成计价之后,新建两个任务,一边进行语音播报与提 [6]陈曦,赵辰雪.颜色检测系统的设计与实现[J].自动化仪表, 示,另外一方面,请求TCWIP服务,与远程数据中 2011,32(11):23—24. 心交互,新增消费记录。 [7]陈安地,李小文.基于¥3C6410的DMA数据跟踪技术在TD— 本文设计了一种基于嵌入式和计算机视觉的餐 LTE中的实现[J].电子技术应用,2012,38(5):l9—22. 厅快速结算系统,以三星¥3c6410作为硬件平台,通 [8]邱保志,王波.分类数据的聚类边界检测技术[Jj.计算机应 过摄像头采集图像数据,检测餐盘类别和具体数目, 用,2012,32(6):1654—1656. [9]沈梦叶,宋腾,周文晖.基于链码的随机Hough变换圆形检测 达到快速结算的目的。本系统构造简单,保证性能 方法[J].杭州电子科技大学学报,2012,32(5):195—198. 的前提下又比较廉价,在不需要增加很多设备的情 [1O]冷佳鹏,刘文怡.基于USB总线的多通道数据采集系统设 况下,可以很顺利地与现有结算系统切换更新,在优 计[J].电子技术应用,2012,38(12):11—13. 化实时眭后,甚至可以处理多路结算请求,使得运行 责任编辑:么丽苹 ●_IH●H● ●-●¨l● (上接第79页) 成uART与无线模块XBee接口,本应用充分利用 cLKGDV ̄< P KT BIT S* DSP面CL K—l 了C5402的片上资源,软硬件实现方便,系统运行 稳定,运行速度满足要求,可以很快地判定管道是否 (1) 漏水以及快速确定漏点位置。 c哪DV≥ (2) 参考文献: 发送数据时,首先将待发字符过采样,以发送 [1]杨进,文玉梅,李平.自来水铸铁管道泄漏声信号频率特征研 究[J].应用声学,2006,25(1):30—37. 0x55为例,首先发送开始位,然后由低到高发送数 [2]Texas Instruments Ineorpomted.TMS320C54x DSP Reference Set 据位,最后发送停止位,在存储器中由低到高存放格 Volume 5:Enhanced Peripherals[EB/OL].Texas Instruments In— 式为:OxO000,OxFFFF,0xO000,0xFFFF,0x0000, eo ̄omtde,1999. 0xFFFF,0x0000,0xFFFF,Ox0000,0xFFFF。而在接 [3]张雄伟,曹铁勇,陈亮,等.DSP芯片的原理与开发应用[M].4 收过程中,采样时钟与帧同步信号之间有偏差,实际 版.北京:电子工业出版社,2009. [4]DENARDO RJ.Implementing a Software UART on the TMS320C 采样得到的数据不可能全是0xO000和0xFFFF,这 54x with the MeBSP and DMA[EB/OL].Texas Instruments Ineor- 样在还原解码的时候需要加以判断。本应用通过对 pointed,2000. l6倍过采样数据的中间4位进行还原判断:若中间 [5]叶金来,胡捍英,李向涛.在TMS320C54x DSP中实现UART.现 四位为1110或01l1等则为1,若中间四位为0000 代电子技术[J].2004(20):9—10. 或1000等则为0。 [6]成兰,崔亚量,田原.一种基于TMS320C55x DSP的UART通信 设计[J].微计算机信息:嵌入式与SOC,2008,24(2—2):101, 4 结束语 153—154. 本文介绍了TI公司C5402的外设McBSP在漏 [7]杨雪,牟燕妮.基于MeBSP实现DSPs与串行AD/DA的接口设 水检测系统中实现与A/D模块接口以及软件模拟 计[J].微计算机应用,2009,30(5):56—60. 责任编辑:么丽苹 

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