苗奎 張杰超 張明瀚

摘 要：高校食堂學(xué)生就餐人數(shù)多，就餐等待時(shí)間長。本文針對這一問題，設(shè)計(jì)了基于樹莓派的學(xué)生就餐計(jì)費(fèi)系統(tǒng)，以重力傳感器數(shù)據(jù)判斷學(xué)生選擇菜品，以Python開發(fā)計(jì)費(fèi)系統(tǒng)界面程序，以完成價(jià)格結(jié)算，節(jié)省人工計(jì)費(fèi)時(shí)間，縮短學(xué)生就餐等待時(shí)間。

關(guān)鍵詞：樹莓派;自動計(jì)費(fèi);學(xué)生;就餐

1 緒論

高校學(xué)生人數(shù)眾多，學(xué)生就餐時(shí)間較為集中[1]，中午第四節(jié)課下的就餐問題尤為突出，容易造成學(xué)生就餐擁堵問題，甚至部分學(xué)生為避開就餐高峰期而改變就餐規(guī)律，引發(fā)相關(guān)疾病。此外，在春秋季節(jié)，學(xué)生中午休息時(shí)間短，就餐時(shí)間過長容易造成學(xué)生休息時(shí)間不夠，影響學(xué)生聽課效率。為此，有學(xué)者研究了學(xué)校食堂窗口數(shù)和學(xué)生排隊(duì)關(guān)聯(lián)性問題[2]，通過優(yōu)化食堂窗口數(shù)量，節(jié)省學(xué)生的排隊(duì)時(shí)間，降低學(xué)生就餐擁堵。但學(xué)校的窗口數(shù)量并不會一直保持在最優(yōu)窗口數(shù)。窗口數(shù)量會隨著各自窗口的營收額度發(fā)生變化，虧本的窗口勢必不會再續(xù)租甚至提前退租。若退租窗口數(shù)量較多，短時(shí)間內(nèi)必然又會引發(fā)學(xué)生就餐擁堵問題。而文獻(xiàn)[3]則通過仿真技術(shù)手段模擬食堂窗口工作人員的服務(wù)時(shí)間和學(xué)生排隊(duì)之間的關(guān)系，指出提高工作人員服務(wù)時(shí)間也可縮短學(xué)生就餐時(shí)間，但食堂工作人員素質(zhì)大多數(shù)較低，服務(wù)意識較差，并不能一直保持高水準(zhǔn)的服務(wù)。

為此，有學(xué)者通過節(jié)約學(xué)生就餐結(jié)算時(shí)間達(dá)到縮短學(xué)生就餐時(shí)間的目的。文獻(xiàn)[4]采用射頻識別技術(shù)讀取每個(gè)餐盤預(yù)先設(shè)置的菜品及價(jià)格信息，從而進(jìn)行價(jià)格結(jié)算和自動扣費(fèi)，但該方法使用的餐盤需要單獨(dú)定制，數(shù)量多，總價(jià)高。針對此問題，文獻(xiàn)[57]提出采用不同顏色的菜盤，以菜盤顏色區(qū)分菜價(jià)，應(yīng)用圖像識別技術(shù)，識別菜盤顏色的，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自動結(jié)算功能，但系統(tǒng)為穩(wěn)定性不高，識別誤差率較大。文獻(xiàn)[8]應(yīng)用成熟的OpenCV技術(shù)提高了圖像識別成功率，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但采用圖像識別技術(shù)需要高精度攝像頭、托盤傳感器等高費(fèi)用硬件裝置，且圖像識別技術(shù)存在識別準(zhǔn)確率無法達(dá)到100%的問題，會出現(xiàn)誤判的情況，反而會引發(fā)意外糾紛，延長學(xué)生就餐時(shí)間。

本文針對上述就餐自動計(jì)費(fèi)系統(tǒng)存在的問題，本文設(shè)計(jì)了基于樹莓派的學(xué)生就餐自動計(jì)費(fèi)系統(tǒng)。以重力傳感器數(shù)據(jù)判斷學(xué)生選擇菜品，以Python開發(fā)計(jì)費(fèi)系統(tǒng)界面程序，以完成價(jià)格結(jié)算，節(jié)省人工計(jì)費(fèi)時(shí)間，縮短學(xué)生就餐等待時(shí)間。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為滿足就餐計(jì)費(fèi)自動結(jié)算目的，同時(shí)考慮設(shè)備造價(jià)和運(yùn)營成，本文采用重力傳感器判斷學(xué)生選擇的菜品，通過樹莓派處理相關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)就餐計(jì)費(fèi)自動結(jié)算，重力傳感器和樹莓派布置如圖1所示。樹莓派是一種高性能、價(jià)格低廉的微型電腦，采用ARM架構(gòu)，可運(yùn)行Linux系統(tǒng)，第四代樹莓派處理器運(yùn)行速度達(dá)到1.5GHz，其性能遠(yuǎn)高于單片機(jī)。由于樹莓派運(yùn)行Linux系統(tǒng)，樹莓派可采用Python語言作為系統(tǒng)開發(fā)程序語言，該語言具有簡單、易懂的特點(diǎn)，且?guī)煳募^多，適用于中小型項(xiàng)目。為了存儲和更改學(xué)生信息，本文采用MySQL數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫具有成本低、速度快的優(yōu)勢。

2.1 硬件組成

本文設(shè)計(jì)的樹莓派學(xué)生食堂自動計(jì)費(fèi)系統(tǒng)硬件部分由以下幾個(gè)器件組成：

（1）重力傳感器：用于判斷學(xué)生選擇的菜品。食堂各菜品下安裝重力傳感器，學(xué)生選擇該菜品時(shí)，該菜品重力下降。

（2）樹莓派：數(shù)據(jù)處理。根據(jù)學(xué)生選擇的菜品，自動計(jì)算價(jià)格，并進(jìn)行結(jié)算。

（3）顯示器：計(jì)費(fèi)結(jié)果展示。用于展示學(xué)生一卡通信息和費(fèi)用結(jié)果。

（4）讀卡器：讀取學(xué)生一卡通信息。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的學(xué)生食堂自動計(jì)費(fèi)系統(tǒng)軟件程序處理過程如圖2所示。

樹莓派讀取重力傳感器信息，判斷學(xué)生選擇的菜品。根據(jù)系統(tǒng)中預(yù)先設(shè)置的菜品單價(jià)，計(jì)算本次就餐費(fèi)用。讀取學(xué)生一卡通余額信息，將更改后的余額信息寫入學(xué)生一卡通信息數(shù)據(jù)庫和一卡通芯片，并展示學(xué)生的本次就餐費(fèi)用。本次測試采用華為Nova5z手機(jī)，重量為178克，430克平板，樹莓派讀取重力傳感器信息，如圖3所示。

根據(jù)樹莓派稱重結(jié)果，判斷學(xué)生選擇的菜品，進(jìn)而計(jì)算學(xué)生消費(fèi)金額。本文根據(jù)食堂快餐的實(shí)際售價(jià)情況，將所有菜品分為特價(jià)菜、素菜、葷素、葷菜四種類型，特價(jià)菜指價(jià)格較為低廉的菜品，通常定價(jià)為0.5元，素菜定價(jià)為1.5元，葷素菜定價(jià)為3.5元，葷菜定價(jià)為5元。當(dāng)工作人員打取某一區(qū)域菜品，該菜品重量必然下降，樹莓派檢測傳感器信號，若重量下降，則可認(rèn)定為學(xué)生購買了該菜品，其過程如圖4所示。

同時(shí)，樹莓派讀取學(xué)生一卡通信息和相應(yīng)數(shù)據(jù)庫信息，將計(jì)算后的消費(fèi)數(shù)據(jù)寫入一卡通和數(shù)據(jù)庫，更改數(shù)據(jù)庫和一卡通信息。本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫采用MySQL數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫具有成本低、速度快的優(yōu)勢，十分適合用于小型管理系統(tǒng)。為方便創(chuàng)建和管理數(shù)據(jù)庫信息，本文利用數(shù)據(jù)庫管理工具Navicat創(chuàng)建和管理數(shù)據(jù)庫，創(chuàng)建的數(shù)據(jù)庫主要由菜品、訂單細(xì)節(jié)、學(xué)生信息等部分組成，如圖5所示。

2.3 軟件界面設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件界面開發(fā)采用Python語言自帶的界面開發(fā)庫Tkinter完成，運(yùn)行結(jié)果如圖6所示。

3 結(jié)論

高校學(xué)生就餐時(shí)間較為集中，為縮短學(xué)生就餐時(shí)間，更好地實(shí)現(xiàn)錯(cuò)峰就餐，設(shè)計(jì)了基于樹莓派的學(xué)生就餐自動計(jì)費(fèi)系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有可靠性高、經(jīng)濟(jì)性高的特點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]曹茜，顧禹堯.基于排隊(duì)論的高校食堂窗口設(shè)施布置優(yōu)化——以上海電力大學(xué)為例[J].高校后勤研究，2020，000（001）：3133.

[2]李欣，肖芳園，楊牡丹.高校食堂排隊(duì)模型的研究[J].現(xiàn)代物業(yè)（上旬刊），2012（10）：3739.

[3]張忠山，盧曉軍.基于非平穩(wěn)泊松到達(dá)的食堂就餐模型仿真與優(yōu)化[C].第13屆中國系統(tǒng)仿真技術(shù)及其應(yīng)用學(xué)術(shù)年會.

[4]吳禎，韓劍輝.基于RFID的餐盤自動結(jié)算系統(tǒng)[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2019，000（031）：3738.

[5]周建平.基于菜盤顏色特征的食堂自助結(jié)算系統(tǒng)[J].電腦知識與技術(shù)，2017（27）.

[6]易璐璐.學(xué)生食堂智能刷卡計(jì)費(fèi)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].

[7]趙琳，郝張紅，王雅君.基于顏色識別的食堂結(jié)算系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電子測試，2016（12）：1719.

[8]張震宇，汪洋，張家龍.基于OpenCV的餐廳自動化結(jié)算研究[J].浙江科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2017（3）.

基金資助：大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目學(xué)生就餐自動計(jì)價(jià)扣費(fèi)裝置（項(xiàng)目編號：yxkc201941）