劉羅臻翰，張 城，陳 聰，朱湘萍，楊環(huán)俊，包本剛

（1.湖南科技學(xué)院 理學(xué)院，湖南 永州 425199；2.湖南科技學(xué)院 科技處，湖南 永州 425199）

0 引 言

隨著時(shí)代的高速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在商業(yè)和城市中被廣泛應(yīng)用[1]，人們?cè)谧非缶G色、健康生活的同時(shí)也越來越追求便利化、智能化的生活方式。而豆?jié){是我國(guó)的傳統(tǒng)食品，因其富含蛋白質(zhì)、脂肪、氨基酸、礦物質(zhì)和維生素等人體所需的多種營(yíng)養(yǎng)成分而被譽(yù)為“植物牛奶”[2]。豆?jié){機(jī)也因此走進(jìn)了千家萬戶。然而[3-4]，還有些人因忙于工作沒有時(shí)間預(yù)定自己喜歡喝的豆?jié){，即便有時(shí)間預(yù)定卻沒有時(shí)間在商店等待。所以本文針對(duì)目前市場(chǎng)上存在的智能售賣、遠(yuǎn)程控制等功能需求，設(shè)計(jì)了一款基于移動(dòng)終端的自助豆?jié){機(jī)系統(tǒng)，可滿足用戶在預(yù)定時(shí)間內(nèi)，根據(jù)預(yù)選的風(fēng)味智能選擇食材并打磨豆?jié){的需求。系統(tǒng)制作和運(yùn)行成本較低，電機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)可靠，操作便捷方便，能夠?qū)崿F(xiàn)制作、購(gòu)買豆?jié){等功能，同時(shí)也與人們智能化、網(wǎng)絡(luò)化、便利化的生活方式契合。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由3部分組成：自助豆?jié){機(jī)子系統(tǒng)、服務(wù)器、用戶手機(jī)終端。服務(wù)器可收集和存儲(chǔ)各自助豆?jié){機(jī)的實(shí)時(shí)信息，并通過網(wǎng)絡(luò)上傳給用戶手機(jī)終端。用戶通過手機(jī)終端APP、小程序等在線查看自助豆?jié){機(jī)的實(shí)時(shí)狀態(tài)，并可向服務(wù)器發(fā)出指令；當(dāng)服務(wù)器收到用戶指令后，自助豆?jié){機(jī)會(huì)根據(jù)用戶需求完成選材、制作豆?jié){等操作。然后，向終端用戶發(fā)送完成信息，提醒用戶取食，滿足人們實(shí)時(shí)、遠(yuǎn)程、智能制作豆?jié){的需求。自助豆?jié){機(jī)原理如圖1所示。

圖1 自助豆?jié){機(jī)原理

2 自助豆?jié){機(jī)子系統(tǒng)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

豆?jié){機(jī)系統(tǒng)主要包括底座、殼體、保溫腔、全自動(dòng)豆?jié){機(jī)、儲(chǔ)物模塊和電源模塊。底座內(nèi)部設(shè)有豆?jié){機(jī)所需的主控模塊、電源模塊、GPS定位模塊及無線通信模塊[5]。主控制模塊連接電源模塊，同時(shí)還與GPS模塊相互連接；電源模塊連接全自動(dòng)豆?jié){機(jī)的電源接口。底座上部設(shè)有儲(chǔ)物模塊和保溫腔，儲(chǔ)物模塊包括儲(chǔ)杯箱、儲(chǔ)糖室、儲(chǔ)豆箱和儲(chǔ)水箱。儲(chǔ)豆箱箱底和儲(chǔ)水箱箱底分別連接有豆子輸送管道、水輸送管道等，均直達(dá)全自動(dòng)豆?jié){機(jī)的原材料添加口。在保溫腔內(nèi)鑲嵌有可拆卸的若干個(gè)豆?jié){保溫箱和一個(gè)廢水箱；每個(gè)豆?jié){保溫箱和廢水箱的上表面均設(shè)置有與全自動(dòng)出料口相配合的進(jìn)料口，且豆?jié){保溫箱的側(cè)面均設(shè)置有感應(yīng)式豆?jié){出口龍頭，廢水箱側(cè)面設(shè)置有廢水排出龍頭。同時(shí)，每個(gè)豆?jié){機(jī)的保溫箱和廢水箱中均設(shè)有水位傳感器，能夠監(jiān)控剩余水位的變化并及時(shí)通知主控模塊，控制豆?jié){機(jī)打磨豆?jié){或者通知工作人員清洗豆?jié){機(jī)。豆?jié){機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 豆?jié){機(jī)結(jié)構(gòu)

2.1 自助豆?jié){機(jī)系統(tǒng)核心設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中利用STM32單片機(jī)作為MCU，搭載SIM868模塊，將STM32F103ZET6芯片作為服務(wù)器芯片。當(dāng)電源模塊給系統(tǒng)供電后，SIM868模塊嘗試連接網(wǎng)絡(luò)，連接后通過用戶移動(dòng)終端遠(yuǎn)程對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。系統(tǒng)接收到顧客的信息后，通過串口傳輸給MCU，MCU解析顧客信息并控制電磁閥添加相應(yīng)的豆子，再控制水棒自動(dòng)加入一定量的水，并利用重力傳感器測(cè)得一定時(shí)間后豆子和水完全加入豆?jié){機(jī)后，開始制作豆?jié){。隨后控制溫度傳感器，當(dāng)溫度達(dá)到100 ℃時(shí)，豆?jié){制作完成，豆?jié){機(jī)停止工作，同時(shí)根據(jù)顧客需要將豆?jié){保存到保溫箱內(nèi)，接著通過串口給SIM868傳輸信息。SIM868接收到信息后，通過服務(wù)器給用戶的移動(dòng)終端發(fā)送信息，提醒用戶取走豆?jié){等。在豆?jié){機(jī)溫度冷卻，并確保全部豆?jié){轉(zhuǎn)移到保溫箱后自動(dòng)清洗豆?jié){機(jī)。STM32主芯片、串口電平轉(zhuǎn)換電路及SIM868模塊電路如圖3、圖4、圖5所示。

圖3 STM32主芯片

圖4 串口電平轉(zhuǎn)換電路

圖5 SIM868模塊電路

2.2 電源模塊設(shè)計(jì)

電源模塊包括一級(jí)電壓轉(zhuǎn)換單元、二級(jí)電壓轉(zhuǎn)換單元、三級(jí)電壓轉(zhuǎn)換單元和四級(jí)電壓轉(zhuǎn)換單元。其中，一級(jí)電壓轉(zhuǎn)換單元為AC/DC轉(zhuǎn)換器；二級(jí)電壓轉(zhuǎn)換單元包括降壓電路、充電保護(hù)電路和電源切換電路；三級(jí)電壓轉(zhuǎn)換單元和四級(jí)電壓轉(zhuǎn)換單元均為低壓差線性穩(wěn)壓器。二級(jí)電壓轉(zhuǎn)換單元中降壓電路和充電保護(hù)電路均與一級(jí)電壓轉(zhuǎn)換單元、三級(jí)電壓轉(zhuǎn)換單元連接；三級(jí)電壓轉(zhuǎn)換單元與主控模塊連接；四級(jí)電壓轉(zhuǎn)換單元與全自動(dòng)豆?jié){機(jī)連接，同時(shí)通過一級(jí)電壓轉(zhuǎn)換單元與城市電源連接。電源模塊能夠?yàn)槿詣?dòng)豆?jié){機(jī)和主控模塊分開供電，避免因其所需電壓不同而造成電壓供應(yīng)不準(zhǔn)的問題。

3 軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)注重用戶的情感體驗(yàn)、產(chǎn)品的易操作性、可修改性、可嵌入性。根據(jù)用戶操作習(xí)慣的不同，提供便捷的APP、小程序和移動(dòng)Web等支持，使用混合開發(fā)方式降低開發(fā)成本。系統(tǒng)提供具有可擴(kuò)展能力的客戶端APP，以支持其他產(chǎn)品接入或附加到其他成熟的平臺(tái)。軟件采用三層架構(gòu)模型，分別是界面層、業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)訪問層[6]。該軟件包含預(yù)定豆?jié){、制定營(yíng)養(yǎng)計(jì)劃、支付功能、消費(fèi)提醒和導(dǎo)航功能等。軟件設(shè)計(jì)功能如圖6所示。

圖6 軟件設(shè)計(jì)功能

3.1 查找和導(dǎo)航模塊設(shè)計(jì)

服務(wù)器收到手機(jī)終端的用戶豆?jié){機(jī)查詢請(qǐng)求后，訪問數(shù)據(jù)庫(kù)查看實(shí)時(shí)信息。若用戶附近有已知豆?jié){機(jī)，服務(wù)器便會(huì)將這一信息反饋給客戶端，顧客即可從手機(jī)中得知豆?jié){機(jī)的位置、豆?jié){有無存量、價(jià)格等信息。用戶完成支付后，服務(wù)器提供給用戶具體的豆?jié){機(jī)位置信息并進(jìn)行導(dǎo)航，提醒用戶前往取食。系統(tǒng)會(huì)通過豆?jié){機(jī)內(nèi)部的GPS模塊為對(duì)講機(jī)定位，并通過服務(wù)器將位置信息傳遞給用戶移動(dòng)終端，通過百度地圖顯示豆?jié){機(jī)的具體位置。目前，百度地圖已經(jīng)開放，可以為本設(shè)計(jì)提供多種編程語言、多種平臺(tái)，只要按照其提供的API接口規(guī)范構(gòu)造一條標(biāo)準(zhǔn)URL，即可在移動(dòng)開發(fā)應(yīng)用與小程序或?yàn)g覽器中調(diào)用百度地圖產(chǎn)品，快速實(shí)現(xiàn)標(biāo)注位置、分享店鋪、周邊檢索、線路查詢和行駛導(dǎo)航等功能[7]。本設(shè)計(jì)只需將豆?jié){機(jī)的分布信息與已有API對(duì)接即可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航功能。設(shè)計(jì)流程如圖7所示。

圖7 設(shè)計(jì)流程

3.2 查詢與在線支付模塊設(shè)計(jì)

隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及和數(shù)字技術(shù)的廣泛應(yīng)用，移動(dòng)支付逐漸占據(jù)了市場(chǎng)，改變了人們的消費(fèi)習(xí)慣、消費(fèi)內(nèi)容、消費(fèi)模式，甚至消費(fèi)理念[8]。為在便利用戶的同時(shí)節(jié)省開發(fā)成本，本設(shè)計(jì)選擇微信支付和支付寶支付作為主要的支付方式。當(dāng)系統(tǒng)服務(wù)商對(duì)接后，可以覆蓋線上、線下的支付場(chǎng)景。使用開放平臺(tái)提供的接口即可完成對(duì)接，快速實(shí)現(xiàn)安全便捷的支付。當(dāng)用戶選擇豆?jié){機(jī)查詢時(shí)，這一請(qǐng)求會(huì)上傳至服務(wù)器，服務(wù)器訪問數(shù)據(jù)庫(kù)。若附近存在豆?jié){機(jī)，服務(wù)器會(huì)將豆?jié){機(jī)的信息傳遞給用戶，顧客可從手機(jī)中得知豆?jié){的有無以及價(jià)格等信息，隨后顯示支付信息。用戶完成支付后，服務(wù)器會(huì)將信息傳遞給豆?jié){機(jī)，豆?jié){機(jī)開始工作制作豆?jié){。當(dāng)豆?jié){機(jī)制作完成后，會(huì)通過服務(wù)器提醒用戶取餐并顯示豆?jié){機(jī)的位置，提供導(dǎo)航服務(wù)。查詢與在線支付功能模塊流程如圖8所示。

圖8 查詢與在線支付功能模塊流程

4 服務(wù)器設(shè)計(jì)

自助豆?jié){機(jī)服務(wù)器采用STM32F103ZET6芯片，該芯片是基于ARM Cortex-M3核心的32位微控制器。芯片內(nèi)部集成USB外設(shè)，降低了開發(fā)成本，同時(shí)提高了設(shè)備通信的穩(wěn)定性[9]。通信模塊采用SIM868主模塊，通過4G網(wǎng)絡(luò)或WiFi局域網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。當(dāng)STM32芯片采集數(shù)據(jù)后會(huì)通過串口向SIM868發(fā)出指令，接著通過TCP協(xié)議與APP通信。

5 網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)計(jì)

用戶移動(dòng)終端、服務(wù)器和豆?jié){機(jī)子機(jī)之間的通信可以通過多種連接方式進(jìn)行。本設(shè)計(jì)可以把豆?jié){機(jī)子機(jī)傳感器信息、運(yùn)行狀態(tài)、儲(chǔ)備狀態(tài)及銷售狀態(tài)等通過SIM868傳輸給用戶，實(shí)現(xiàn)集中化管理。同時(shí)接入地圖系統(tǒng)和支付系統(tǒng)，將用戶使用的豆?jié){機(jī)操作結(jié)果反饋給豆?jié){機(jī)，控制豆?jié){機(jī)工作。用戶移動(dòng)終端將Socket技術(shù)和HTTP協(xié)議相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)推送、按時(shí)更新等功能，為互聯(lián)網(wǎng)用戶提供便捷服務(wù)[10]。網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊如圖9所示。

圖9 網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊

6 系統(tǒng)測(cè)試

本設(shè)計(jì)目前處于實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)階段，已制作出手機(jī)APP界面，可以顯示用戶當(dāng)前的位置信息。當(dāng)用戶點(diǎn)擊“點(diǎn)單”選項(xiàng)后，APP會(huì)根據(jù)用戶當(dāng)前所在位置提供最近的豆?jié){機(jī)信息，接著用戶可以根據(jù)豆?jié){機(jī)的信息進(jìn)行選擇，挑選適合自己口味的豆?jié){，控制豆?jié){機(jī)制作。制作完成后，豆?jié){機(jī)通過手機(jī)提醒用戶取餐。同時(shí)，服務(wù)器會(huì)收集各豆?jié){機(jī)的經(jīng)緯度信息并通過TCP協(xié)議傳輸至用戶手機(jī)，同時(shí)選擇性提供導(dǎo)航功能。經(jīng)過多次測(cè)試，手機(jī)APP操作簡(jiǎn)單，情感體驗(yàn)良好，反應(yīng)靈活，暫未出現(xiàn)異常實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。手機(jī)APP界面設(shè)計(jì)以及服務(wù)器經(jīng)緯度數(shù)據(jù)如圖10、圖11所示。

圖10 服務(wù)器經(jīng)緯度數(shù)據(jù)

圖11 手機(jī)APP界面設(shè)計(jì)

7 結(jié) 語

本設(shè)計(jì)采用了性能強(qiáng)大的STM32芯片和SIM868模塊，設(shè)計(jì)了一款基于移動(dòng)終端的自助豆?jié){機(jī)系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程操控，減少了用戶的等待時(shí)間，并滿足了用戶對(duì)豆?jié){不同口味的需求。經(jīng)試驗(yàn)，豆?jié){機(jī)各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)要求。