基于树莓派学生就餐计费系统设计

苗奎 张杰超 张明瀚

摘 要：高校食堂学生就餐人数多，就餐等待时间长。本文针对这一问题，设计了基于树莓派的学生就餐计费系统，以重力传感器数据判断学生选择菜品，以Python开发计费系统界面程序，以完成价格结算，节省人工计费时间，缩短学生就餐等待时间。

关键词：树莓派;自动计费;学生;就餐

1 绪论

高校学生人数众多，学生就餐时间较为集中[1]，中午第四节课下的就餐问题尤为突出，容易造成学生就餐拥堵问题，甚至部分学生为避开就餐高峰期而改变就餐规律，引发相关疾病。此外，在春秋季节，学生中午休息时间短，就餐时间过长容易造成学生休息时间不够，影响学生听课效率。为此，有学者研究了学校食堂窗口数和学生排队关联性问题[2]，通过优化食堂窗口数量，节省学生的排队时间，降低学生就餐拥堵。但学校的窗口数量并不会一直保持在最优窗口数。窗口数量会随着各自窗口的营收额度发生变化，亏本的窗口势必不会再续租甚至提前退租。若退租窗口数量较多，短时间内必然又会引发学生就餐拥堵问题。而文献[3]则通过仿真技术手段模拟食堂窗口工作人员的服务时间和学生排队之间的关系，指出提高工作人员服务时间也可缩短学生就餐时间，但食堂工作人员素质大多数较低，服务意识较差，并不能一直保持高水準的服务。

为此，有学者通过节约学生就餐结算时间达到缩短学生就餐时间的目的。文献[4]采用射频识别技术读取每个餐盘预先设置的菜品及价格信息，从而进行价格结算和自动扣费，但该方法使用的餐盘需要单独定制，数量多，总价高。针对此问题，文献[57]提出采用不同颜色的菜盘，以菜盘颜色区分菜价，应用图像识别技术，识别菜盘颜色的，进而实现自动结算功能，但系统为稳定性不高，识别误差率较大。文献[8]应用成熟的OpenCV技术提高了图像识别成功率，提高了系统的稳定性，但采用图像识别技术需要高精度摄像头、托盘传感器等高费用硬件装置，且图像识别技术存在识别准确率无法达到100%的问题，会出现误判的情况，反而会引发意外纠纷，延长学生就餐时间。

本文针对上述就餐自动计费系统存在的问题，本文设计了基于树莓派的学生就餐自动计费系统。以重力传感器数据判断学生选择菜品，以Python开发计费系统界面程序，以完成价格结算，节省人工计费时间，缩短学生就餐等待时间。

2 系统设计

为满足就餐计费自动结算目的，同时考虑设备造价和运营成，本文采用重力传感器判断学生选择的菜品，通过树莓派处理相关信息，实现就餐计费自动结算，重力传感器和树莓派布置如图1所示。树莓派是一种高性能、价格低廉的微型电脑，采用ARM架构，可运行Linux系统，第四代树莓派处理器运行速度达到1.5GHz，其性能远高于单片机。由于树莓派运行Linux系统，树莓派可采用Python语言作为系统开发程序语言，该语言具有简单、易懂的特点，且库文件较多，适用于中小型项目。为了存储和更改学生信息，本文采用MySQL数据库，该数据库具有成本低、速度快的优势。

2.1 硬件组成

本文设计的树莓派学生食堂自动计费系统硬件部分由以下几个器件组成：

（1）重力传感器：用于判断学生选择的菜品。食堂各菜品下安装重力传感器，学生选择该菜品时，该菜品重力下降。

（2）树莓派：数据处理。根据学生选择的菜品，自动计算价格，并进行结算。

（3）显示器：计费结果展示。用于展示学生一卡通信息和费用结果。

（4）读卡器：读取学生一卡通信息。

2.2 软件设计

本文设计的学生食堂自动计费系统软件程序处理过程如图2所示。

树莓派读取重力传感器信息，判断学生选择的菜品。根据系统中预先设置的菜品单价，计算本次就餐费用。读取学生一卡通余额信息，将更改后的余额信息写入学生一卡通信息数据库和一卡通芯片，并展示学生的本次就餐费用。本次测试采用华为Nova5z手机，重量为178克，430克平板，树莓派读取重力传感器信息，如图3所示。

根据树莓派称重结果，判断学生选择的菜品，进而计算学生消费金额。本文根据食堂快餐的实际售价情况，将所有菜品分为特价菜、素菜、荤素、荤菜四种类型，特价菜指价格较为低廉的菜品，通常定价为0.5元，素菜定价为1.5元，荤素菜定价为3.5元，荤菜定价为5元。当工作人员打取某一区域菜品，该菜品重量必然下降，树莓派检测传感器信号，若重量下降，则可认定为学生购买了该菜品，其过程如图4所示。

同时，树莓派读取学生一卡通信息和相应数据库信息，将计算后的消费数据写入一卡通和数据库，更改数据库和一卡通信息。本系统的数据库采用MySQL数据库，该数据库具有成本低、速度快的优势，十分适合用于小型管理系统。为方便创建和管理数据库信息，本文利用数据库管理工具Navicat创建和管理数据库，创建的数据库主要由菜品、订单细节、学生信息等部分组成，如图5所示。

2.3 软件界面设计

本系统软件界面开发采用Python语言自带的界面开发库Tkinter完成，运行结果如图6所示。

3 结论

高校学生就餐时间较为集中，为缩短学生就餐时间，更好地实现错峰就餐，设计了基于树莓派的学生就餐自动计费系统，该系统具有可靠性高、经济性高的特点。

参考文献：

[1]曹茜，顾禹尧.基于排队论的高校食堂窗口设施布置优化——以上海电力大学为例[J].高校后勤研究，2020，000（001）：3133.

[2]李欣，肖芳园，杨牡丹.高校食堂排队模型的研究[J].现代物业（上旬刊），2012（10）：3739.

[3]张忠山，卢晓军.基于非平稳泊松到达的食堂就餐模型仿真与优化[C].第13届中国系统仿真技术及其应用学术年会.

[4]吴祯，韩剑辉.基于RFID的餐盘自动结算系统[J].科技创新与应用，2019，000（031）：3738.

[5]周建平.基于菜盘颜色特征的食堂自助结算系统[J].电脑知识与技术，2017（27）.

[6]易璐璐.学生食堂智能刷卡计费系统的设计与实现[D].

[7]赵琳，郝张红，王雅君.基于颜色识别的食堂结算系统的设计[J].电子测试，2016（12）：1719.

[8]张震宇，汪洋，张家龙.基于OpenCV的餐厅自动化结算研究[J].浙江科技学院学报，2017（3）.

基金资助：大学生创新项目学生就餐自动计价扣费装置（项目编号：yxkc201941）