顏琳諭，姚玲英，張曉熳，王曉琳

（廣州市廣東第二師范學(xué)院，廣東廣州，510300）

0 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，雙職工家庭在不斷增多，人們渴望追求更加美好的生活，外出就餐的需求也越來越大。傳統(tǒng)餐飲行業(yè)依靠純?nèi)斯c菜、記賬與送餐，存在記錄修改不便、成本高、利潤低等劣勢，已經(jīng)逐步退出市場，取而代之的是手機(jī)掃碼點餐的普及，掃碼點餐雖節(jié)省了點餐的流程，但仍需要人力送餐。此外，三年疫情警示人們，日常生活中應(yīng)該盡量減少不必要的接觸，這也促使了智能送餐小車逐步走入人們的視野。無接觸式智能送餐小車不但節(jié)省了人力成本，減少了人員之間的接觸，為顧客提供了更加安全、便捷的服務(wù)，幫助企業(yè)節(jié)約了成本，而且，相比人工送餐服務(wù)更能得到人們的青睞，有效提高了企業(yè)的競爭力，需求量也在逐步增加，市場前景廣闊。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

■1.1 系統(tǒng)總體模塊

智能送餐小車的硬件系統(tǒng)主要是由STM32F103ZET6芯片、Open MV4plus 智能攝像頭、矩陣鍵盤、OLED 液晶顯示模塊、ESP8266 無線收發(fā)模塊、五路循跡傳感器、紅外模塊、超聲波模塊、語音播報模塊、霧化器消毒模塊、L298N 直流電機(jī)驅(qū)動模塊以及3W/4R 喇叭等組成，系統(tǒng)總體設(shè)計模塊框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計模塊框圖

■1.2 系統(tǒng)功能概述

智能小車系統(tǒng)以STM32F103ZET6 為核心，通過ESP8266 無線收發(fā)模塊搭建無線網(wǎng)絡(luò)，并設(shè)計APP 與無線網(wǎng)絡(luò)相互配合。顧客連接無線網(wǎng)絡(luò)登錄APP 進(jìn)行線上下單，送餐小車接收到顧客的下單信息后在OLED 顯示端顯示，實現(xiàn)控制端到小車間的遠(yuǎn)程信息交互。將餐品放入放餐臺后按下對應(yīng)的按鍵，送餐開始。小車以O(shè)pen MV 作為視覺系統(tǒng)核心，采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對數(shù)字和字母進(jìn)行模型訓(xùn)練，將訓(xùn)練模型導(dǎo)入Open MV，調(diào)用內(nèi)部神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)庫進(jìn)行識別，配合紅外和超聲波等多種模塊，設(shè)計了線上點餐、巡線避障、定點送餐、語音播報、自動消毒等功能，實現(xiàn)無接觸式智能送餐。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

■2.1 總控制器STM32F103ZET6

系統(tǒng)采用STM32F103ZET6 作為主控芯片，實現(xiàn)對整個智能送餐小車的運行管理。

■2.2 巡線避障電路設(shè)計

紅外循跡采用的模塊是TCRT5000L 紅外線反射式光電開關(guān)板，這是專門設(shè)計用作復(fù)雜黑白線、交叉黑白線檢測的傳感器，因此在小車送餐的過程中主要使用5 路巡線傳感器進(jìn)行巡線。避障電路采用超聲波傳感器HC-SR04，它的最大射程為4m，最小射程為2cm，測距精度可達(dá)3mm。程序開始時，先開啟超聲波模塊的外設(shè)時鐘，通過單片機(jī)I/O 控制啟動超聲波模塊發(fā)送頻率為40kHz 的方波并接收到高電平，記錄總時間再通過公式計算出障礙物的距離[1]。在巡線過程中一旦檢測到障礙物在系統(tǒng)設(shè)定的60cm 范圍內(nèi)時，就執(zhí)行停止巡線指令，并進(jìn)行語音播報行人避開，從而實現(xiàn)巡線避障的功能。五路巡線電路原理圖如圖2 所示，超聲波避障電路原理圖如圖3 所示。

圖2 五路巡線電路原理圖

圖3 超聲波避障電路原理圖

■2.3 直流電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計

電機(jī)的驅(qū)動芯片是雙L298N，L298N 是一款高電壓、大電流輸出的電機(jī)驅(qū)動芯片，其驅(qū)動電壓可以在6V～36V 內(nèi)正常工作，單個L298N 輸出電流能力可達(dá)2A，芯片內(nèi)部集成了雙H 橋電路結(jié)構(gòu)[2]，能使單片機(jī)方便操控所輸入的TTL 電平，滿足了小車電機(jī)運行所需要的驅(qū)動要求。在設(shè)計電路中，通過改變連接單片機(jī)IO 口控制電機(jī)兩個端子的高低電平，來切換電機(jī)正、反轉(zhuǎn)及停止，通過調(diào)節(jié)PWM 脈寬調(diào)制波的占空比來控制小車行進(jìn)的速度，脈寬調(diào)制的頻率范圍保持在0～40kHz 以內(nèi)，從而實現(xiàn)小車的運動控制。L298N 電路原理圖如圖4 所示。

圖4 L298N 電路原理圖

■2.4 無線網(wǎng)絡(luò)電路設(shè)計

ESP8266 是一款超低功耗的UART-WiFi 透傳模塊，作為高度集成的WiFi SoC[2]解決方案，具有功耗低、穩(wěn)定性高的優(yōu)勢。其CPU 時鐘速度在80MHz～160MHz 之間，支持實時操作系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于各種移動設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)中。

智能小車上搭載的ESP8266 模塊充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)通信中的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器端，手機(jī)充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)客戶端，ESP8266 和單片機(jī)兩者之間直接通過串口交互，網(wǎng)絡(luò)客戶端給ESP8266 模塊發(fā)送相應(yīng)AT 指令就能間接控制STM32F103ZET6 單片機(jī)外圍器件。ESP8266 電路原理圖如圖5 所示。

圖5 ESP8266 電路原理圖

■2.5 視覺識別系統(tǒng)電路設(shè)計

視覺識別系統(tǒng)由攝像頭模塊和云臺共同搭建完成。攝像頭模塊使用的是Open MV4 H7 Plus，它是一款開源、小巧、低功耗、功能強(qiáng)大的機(jī)器視覺模塊，以STM32H743 處理器為核心，集成了OV7725 攝像頭芯片[4]，模塊上的Python編程接口方便使用者開發(fā)更多功能。而云臺的模型可根據(jù)智能送餐小車的高度和觀測傾斜度設(shè)計，再3D 打印成型。將它們組合并搭建在小車的前面，云臺用來架高Open MV 并固定傾斜角度，Open MV 主要是用來在巡線過程中識別數(shù)字和字母，從而完成視覺識別系統(tǒng)的電路設(shè)計。Open MV電路接口圖如圖6 所示。

圖6 Open MV 電路接口圖

■2.6 語音播報電路設(shè)計

JQ8900-16P 語音播報模塊的工作電壓在3.3～5.5V之間，滿足單片機(jī)IO 對硬件的供電要求，還能夠靈活地更換SPI-flash 內(nèi)的語音內(nèi)容。在電路設(shè)計中先將需要播報的語音轉(zhuǎn)換成MP3文件，再把它們儲存在SPIFLASH 中，該語音播報模塊有三種控制模式，分別是多種控制模式、兩線串口控制模式、一線串口控制模式，智能送餐小車使用的是最簡單的一線串口控制模式。這種模式是SDA 為數(shù)據(jù)發(fā)送端口，先發(fā)送低位，再發(fā)送需要播報的語音地址，簡單易控制，在送餐過程中便于播報各種情況和提醒顧客取餐。JQ8900-16P 電路原理圖如圖7 所示。

圖7 JQ8900-16P 電路原理圖

■2.7 顯示電路設(shè)計

0.96 寸的4 針OLED顯示屏小巧精致、用軟件模擬I2C 接口的操作方式極為便利、顯示可以多樣化。在智能送餐小車的顯示電路設(shè)計中，OLED 屏不僅顯示餐位號，還顯示語音播報的內(nèi)容。選用4×4矩陣鍵盤搭配OLED 屏實現(xiàn)餐位號的顯示，矩陣鍵盤可以減小單片機(jī)IO 口的使用，有效提高單片機(jī)系統(tǒng)中I/O口的利用率，按下按鍵后單片機(jī)對其進(jìn)行行列掃描，從而確定按鍵值并顯示在OLED 屏中。顯示電路原理圖如圖8 所示。

圖8 顯示電路原理圖

■2.8 消毒電路設(shè)計

利用USB 霧化器進(jìn)行消毒，用杜邦線將霧化器正負(fù)極與芯片的引腳相連接，便于單片機(jī)直接控制開關(guān)。小車在顧客取餐后接收指令，啟動霧化器噴出消毒液對放餐臺進(jìn)行消毒，延時5s 后關(guān)閉霧化器，實現(xiàn)自動消毒功能。USB 霧化器電路原理圖如圖9所示。

圖9 USB 霧化器電路原理圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

■3.1 點餐程序設(shè)計

點餐程序由ESP8266 無線收發(fā)模塊、矩陣鍵盤、OLED 屏幕和手機(jī)APP 共同完成的。首先通過串口對ESP8266 模塊進(jìn)行使用模式配置，再與單片機(jī)的串口引腳相連接，相當(dāng)于將ESP8266 作為單片機(jī)和手機(jī)通訊的橋梁，而手機(jī)APP 在MIT APP Inventor 中制作，點餐界面如圖10 所示。開啟送餐模式時，OLED 屏幕上會顯示顧客下單的餐位號，在矩陣鍵盤上按下相應(yīng)的數(shù)字，小車自動執(zhí)行送餐指令。

圖10 手機(jī)APP 控制界面

■3.2 視覺識別程序設(shè)計

小車使用最新的機(jī)器視覺模塊Open MV 來做數(shù)字自動識別[4]，實現(xiàn)了一個完全自動化的識別控制管理。在智能送餐小車的設(shè)計中可以根據(jù)特定視覺特征的需要，運用Python 設(shè)計合理的算法，進(jìn)而得到穩(wěn)定可靠的輸出，再配合單片機(jī)交互，有機(jī)統(tǒng)一地完成對應(yīng)數(shù)字和字母的識別，相當(dāng)于給Open MV 提供機(jī)器視覺的功能，指引小車完成送餐任務(wù)。

送餐過程中，Open MV是處于數(shù)字識別和字母識別的狀態(tài)中，此時Open MV 進(jìn)入GRAYSCALE灰度模式，識別地面左右的數(shù)字和字母并發(fā)送給單片機(jī)。當(dāng)識別出的指定字母時進(jìn)入轉(zhuǎn)彎程序，之后識別數(shù)字。當(dāng)識別到的數(shù)字與指定餐位號相同時，則執(zhí)行語音播報取餐指令，提醒顧客取餐，否則繼續(xù)前進(jìn)。小車送餐流程圖如圖11 所示。

圖11 小車送餐流程圖

4 系統(tǒng)功能測試

■4.1 點餐功能測試

點餐功能測試主要由測試者連接局域網(wǎng)登錄手機(jī)APP，然后隨機(jī)挑選一桌進(jìn)行點餐。點餐后無線模塊能接收到下單信號并反饋，OLED 屏可以正確顯示訂餐信息以及餐位號，再將餐品放入餐臺，隨后在矩陣鍵盤按下對應(yīng)的數(shù)值，小車順利進(jìn)入送餐程序。測試過程中監(jiān)測到局域網(wǎng)絡(luò)的最大范圍是10m，在10m 內(nèi)顧客連接無線網(wǎng)絡(luò)成功后可迅速進(jìn)入手機(jī)APP，網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定，手機(jī)APP 內(nèi)容清晰明了，OLED 屏顯示點餐信息無誤，按鍵功能正常，智能送餐小車的點餐功能符合預(yù)期測試結(jié)果。

■4.2 送餐功能測試

進(jìn)行測試時，選擇位于設(shè)計圖紙上第二個十字路口左邊盡頭的D4 號餐桌，并在小車的行進(jìn)路線上放置障礙物。小車在巡線過程中離障礙物60cm 處原地停止并播報語音提醒，拿走障礙物后小車?yán)^續(xù)巡線來到第二個十字路口，Open MV 識別D 字母并進(jìn)行右轉(zhuǎn)彎，直行至餐桌前識別數(shù)字，識別成功后播報語音提醒顧客取餐。在顧客取餐后播報“開啟消毒模式”的語音，然后開啟霧化器，噴出消毒液，5s 后結(jié)束消毒模式，小車調(diào)頭原路巡線返回。測試過程中小車各項指標(biāo)正常，對指令反應(yīng)迅速，巡線避障無偏差，符合預(yù)期設(shè)計要求。記錄小車的實際運行狀態(tài)如表1 所示。

表1 小車實際運行狀態(tài)

5 結(jié)語

傳統(tǒng)的餐飲行業(yè)想要在未來的競爭中取得優(yōu)勢，除了要在菜品的質(zhì)量和口味上下功夫，更重要的要讓客人獲得舒適的服務(wù)體驗。為了能夠讓客人獲得用餐時的舒適感，服務(wù)人員應(yīng)該減少一些不必要的工作，多把時間用在回應(yīng)客人的更多需求中，以提高客人的滿意度，增加回頭客的數(shù)量。本文介紹了一種基于STM32 控制芯片的智能送餐小車的設(shè)計，采用ESP8266 模塊進(jìn)行局域通信，實現(xiàn)送餐小車的循跡、避障、語音播報、消毒等功能，減少服務(wù)人員簡單重復(fù)的送餐工作，把精力和時間更多地投入到客戶的個人需求中，達(dá)到降低餐廳運營成本、提高餐廳整體競爭力的目的。