基于無線網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)售貨機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（武夷學(xué)院 電子工程系，福建 武夷山 354300）

引言

自上個(gè)世紀(jì)自動(dòng)售貨機(jī)誕生以來，自動(dòng)售貨機(jī)便得到了迅速的發(fā)展，特別是在日本、歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家，自動(dòng)售貨機(jī)已有相當(dāng)?shù)陌l(fā)展。從開始時(shí)只識(shí)別硬幣，到后來可以識(shí)別紙幣，到再后來可以支持IC卡，自動(dòng)售貨機(jī)正在一步一步完善，使得人們用起來越來越方便。但其依然存在著一些問題，隨著電子商務(wù)、移動(dòng)電子商務(wù)及物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，相比之下自動(dòng)售貨機(jī)的問題也便凸顯了。首先其無法像電子商務(wù)那樣實(shí)現(xiàn)商家和客戶的互動(dòng)，其次商家對(duì)自動(dòng)售貨機(jī)的貨物無法進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，這也影響了自動(dòng)售貨機(jī)在我國(guó)的進(jìn)一步推廣。由于通信技術(shù)和電子技術(shù)的迅速發(fā)展，自動(dòng)售貨機(jī)走向互聯(lián)網(wǎng)成為了可能，這將大大提高商家對(duì)他們的自動(dòng)售貨機(jī)的管理效率，大大加快商家掌握市場(chǎng)信息的速度，商家將可以更加快速的對(duì)市場(chǎng)做出自已的反應(yīng)，同時(shí)商家也將可以同客戶進(jìn)行互動(dòng)，不定期地進(jìn)行各種自動(dòng)售貨機(jī)的自動(dòng)促銷活動(dòng)。這將大大提高消費(fèi)者對(duì)自動(dòng)售貨機(jī)的興趣，大大提高商家對(duì)自動(dòng)售貨機(jī)的認(rèn)可度，讓商家的各種商業(yè)模式得以實(shí)現(xiàn)，將讓科學(xué)技術(shù)與商業(yè)進(jìn)行更大程度上的結(jié)合，這將大大加快自動(dòng)售貨機(jī)的發(fā)展。本文將對(duì)整個(gè)系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)選擇進(jìn)行簡(jiǎn)要描述，并對(duì)選用的無線網(wǎng)絡(luò)的軟硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的分析，在本文的最后還將對(duì)此系統(tǒng)進(jìn)行展望，對(duì)此系統(tǒng)的未來應(yīng)用與設(shè)計(jì)提出了一些設(shè)想。

1 系統(tǒng)組成及工作流程

整個(gè)系統(tǒng)主要由主控制器、執(zhí)行元件、收付設(shè)備、無線網(wǎng)絡(luò)、顯示和音頻設(shè)備、遠(yuǎn)程監(jiān)控終端等部分組成。主控制器用于控制和協(xié)調(diào)其它各部分并能通過無線網(wǎng)絡(luò)接收遠(yuǎn)程監(jiān)控終端的指令，遠(yuǎn)程監(jiān)控終端則接收從主控制器經(jīng)無線網(wǎng)絡(luò)傳回來的各種數(shù)據(jù)，并可以通過無線網(wǎng)絡(luò)向主控制器發(fā)送商家的各種命令。收付設(shè)備用于進(jìn)行IC卡檢測(cè)、硬幣及紙幣檢測(cè)，執(zhí)行元件則負(fù)責(zé)各種執(zhí)行命令的最終執(zhí)行如出貨、進(jìn)貨、收錢、找零等，顯示和音頻設(shè)備則負(fù)責(zé)各種界面顯示及音頻的輸出。系統(tǒng)中各部分的交互如圖1所示。

2 無線網(wǎng)絡(luò)的選擇

在我國(guó)，比較常用的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)主要有以下幾種：WIFI、藍(lán)牙、ZIGBEE、GSM 、CDMA、GPRS、3G 技術(shù)[1]。

Wi-Fi是一種可以將個(gè)人電腦、手持設(shè)備 （如PDA、手機(jī)）等終端以無線方式互相連接的技術(shù)，目的是改善基于IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)的無線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品之間的互通性[2]。其通信速率非常高，無線聯(lián)網(wǎng)的能力非常強(qiáng)，是現(xiàn)在無線網(wǎng)卡的首選，不過其通信距離有限，一個(gè)WIFI接收設(shè)備的覆蓋范圍也有限，所以如果有要想讓所有用WIFI的設(shè)備聯(lián)成一個(gè)網(wǎng)，則需要有足夠高的WIFI覆蓋率，或是部分WIFI設(shè)備組成一個(gè)局域網(wǎng)后用其它方式進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)（如用有線的方式聯(lián)入互聯(lián)網(wǎng)）。考慮到我國(guó)WIFI的覆蓋率較低，所以此種方案在我國(guó)的可行性不高。

藍(lán)牙是一種支持設(shè)備短距離通信的無線電技術(shù)。其采用分散式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及快跳頻技術(shù)，支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)及點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信，工作在全球通用的2.4GHz ISM（即工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)）頻段[3]。采用時(shí)分雙工傳輸方案實(shí)現(xiàn)全雙工傳輸。ZIGBEE是IEEE802.15.4協(xié)議的代名詞，是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)。其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本。它們都和WIFI一樣，需要一定的覆蓋率才能方便地聯(lián)入互聯(lián)網(wǎng)，但我國(guó)這兩種無線電的覆蓋率較低，因此這兩種無線組網(wǎng)方式在我國(guó)可行性也不高。

GSM全名為：Global System for Mobile Communications，中文為全球移動(dòng)通訊系統(tǒng)，俗稱“全球通”，是一種起源于歐洲的移動(dòng)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，是第二代移動(dòng)通信技術(shù)，其傳輸距離遠(yuǎn)，是各大手機(jī)品牌主要采用的一種技術(shù)[4]。GPRS則是通用分組無線服務(wù)技術(shù)（General Packet Radio Service)的簡(jiǎn)稱，它是GSM 移動(dòng)電話用戶可用的一種移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。GPRS可說是GSM的延續(xù)。GPRS和以往連續(xù)在頻道傳輸?shù)姆绞讲煌?，是以封包（Packet）式來傳輸，因此使用者所負(fù)擔(dān)的費(fèi)用是以其傳輸資料單位計(jì)算，并非使用其整個(gè)頻道。GPRS經(jīng)常被描述成“2.5G”，也就是說這項(xiàng)技術(shù)位于第二代（2G）和第三代（3G）移動(dòng)通訊技術(shù)之間[5]。它通過利用GSM網(wǎng)絡(luò)中未使用的TDMA信道，提供中速的數(shù)據(jù)傳遞。GPRS突破了GSM網(wǎng)只能提供電路交換的思維方式，只通過增加相應(yīng)的功能實(shí)體和對(duì)現(xiàn)有的基站系統(tǒng)進(jìn)行部分改造來實(shí)現(xiàn)分組交換，這種改造的投入相對(duì)來說并不大，但得到的用戶數(shù)據(jù)速率卻相當(dāng)可觀，其的傳輸速率可提升至56甚至114Kbps，并且只要中國(guó)移動(dòng)的無線網(wǎng)絡(luò)能覆蓋到的地方就可以用其聯(lián)入互聯(lián)網(wǎng)。第三代移動(dòng)通信技術(shù)（3G），是指支持高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆涓C移動(dòng)通訊技術(shù)。3G服務(wù)能夠同時(shí)傳送聲音及數(shù)據(jù)信息，速率一般在幾百kbps以上。目前3G 存在四種標(biāo)準(zhǔn)：CDMA2000，WCDMA，TDSCDMA，WIMAX。其的性能比GPRS更佳，但其的成本也比GPRS增加很多。同時(shí)考慮到自動(dòng)售貨機(jī)對(duì)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性要求并不是很高，所以采用GPRS來組建此系統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)。

3 GPRS模塊的硬件電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中的GPRS模塊選用的是明基公司的M22，此模塊已將高頻部分封裝在了鐵盒里，對(duì)其的操作只是通過其引出的通信接口，因此方便了對(duì)其的二次開發(fā)應(yīng)用。M22支持半串口，也支持全串口，全串口主要用在把M22接在電腦上，用其當(dāng)GPRS無線上網(wǎng)模塊時(shí)才需要，本文中將用半串口對(duì)M22進(jìn)行控制。具體電路如圖2所示，從中看出M22的外圍通訊電路相對(duì)簡(jiǎn)單，這是因?yàn)槠浞庋b性較好，因此也為它的穩(wěn)定打下了基礎(chǔ)。圖中的按鍵是用來啟動(dòng)M22用的，這個(gè)按鍵接在M22模塊中的PWON引腳中，在沒按下按鍵時(shí)此引腳經(jīng)外部上拉電阻上拉到高電平，當(dāng)按鍵按下時(shí)，此引腳為低電平，M22模塊便開始檢測(cè)SIM卡，檢測(cè)到SIM后就將進(jìn)行無線連接，成功連入中國(guó)移動(dòng)的無線網(wǎng)絡(luò)后圖2中的D1（LED燈）將被點(diǎn)亮，并且在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)此燈會(huì)閃爍。SIM卡的檢測(cè)電路如圖2中所示。SIM卡用SIM卡座引出，SIM卡座一般有兩個(gè)封裝形式的，一種是6個(gè)腳的其封裝如圖2中（JSIM）所示，另一種是8腳的，其封裝圖如圖3中所示。從圖3中可以看出這兩種卡座只是8腳的比6腳的多了一個(gè)GND和一個(gè)SIM_CD，而SIM_CD在此系統(tǒng)中是無需連接的，所以用這兩種卡座在此系統(tǒng)中沒有什么不一樣。

值得注意的是M22模塊的供電電路，M22的供電壓較寬，在3.2V到4.2V之間都可以進(jìn)行工作，但其較穩(wěn)定的工作電壓為3.6V到3.8V，同時(shí)其要求工作時(shí)的電壓波動(dòng)不能太大，否則其通訊質(zhì)量將大受影響。然而M22工作時(shí)的電流的變化非常大，在連接上GPRS后的電流變化為100mA到1.7A，并是一直這樣變化著，這就為電源的設(shè)計(jì)及PCB布線帶來了難度。首先選用的穩(wěn)壓芯片必須能供應(yīng)1.7A以上的電流，其次布線時(shí)的線寬不能太窄，不然在導(dǎo)線上的壓降將較大，并可能會(huì)將PCB板的導(dǎo)線燒毀，同時(shí)應(yīng)在上下層鋪地上多放過孔，使上下層的導(dǎo)通性更佳。本文中選用的穩(wěn)壓芯片是LT1085CM-3.6，其可穩(wěn)定輸出3.6V的電壓，最大輸出電流為3A，其標(biāo)稱在輸出最大電流時(shí)電壓波動(dòng)正負(fù)40mV，本系統(tǒng)中實(shí)際測(cè)得的波動(dòng)電壓為0到負(fù)70mV，在M22的電源要求中完全滿足要求，在實(shí)際測(cè)試中也未發(fā)現(xiàn)此波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成影響。在此電源電路設(shè)計(jì)中必須注意的另一個(gè)問題就是在穩(wěn)壓芯片的輸入級(jí)和輸出級(jí)都應(yīng)加上電感進(jìn)行電流濾波，輸入級(jí)的電感是為了使穩(wěn)定芯片有足夠的輸入電壓，其要求輸入電壓為5V到15V，輸出級(jí)的電感是為了使在輸出電流在較大幅度中跳變時(shí)，輸出電壓能盡可能穩(wěn)定，此外在電感選擇時(shí)也應(yīng)注意，電感能容吶的電流必須超過1.7A，否則將可能會(huì)出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，那樣電感將暫時(shí)斷路。具體的電路如圖4所示。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要分為兩部分，一部分是主控制器控制GPRS傳輸?shù)?，此部分主要是?duì)GPRS的AT指令操作；另一個(gè)部分則是遠(yuǎn)程監(jiān)控終端的，此部分主要是進(jìn)行TCP/IP協(xié)議的操作，下面分別對(duì)這兩部分的主要部分進(jìn)行描述。

4.1 GPRS的AT指令

AT指令集是一種從終端設(shè)備或數(shù)據(jù)終端設(shè)備向終端適配器或數(shù)據(jù)電路終端適配器發(fā)送數(shù)據(jù)的命令集的總稱，每個(gè)GPRS模塊的廠家都有著自已的命令集。下面就本文中要應(yīng)用到的一些指令作簡(jiǎn)要介紹（以下每條指令的背后都要加回車，在介紹中不再單獨(dú)提回車，同時(shí)將指令用“”包括在其中）。

在GPRS連接上網(wǎng)絡(luò)后，先要向M22模塊發(fā)送“AT”，等待 1 秒鐘，如果模塊回復(fù)“OK”，說明通信已經(jīng)成功，否則繼續(xù)發(fā)送“AT”直到返回“OK”，才可以進(jìn)行其它命令操作。在通信成功后應(yīng)對(duì)M22模塊進(jìn)行一些初始化的命令，此系統(tǒng)中必須的初始化命令有以下兩條：

（1）向 M22 模塊發(fā)送“AT$NOSLEEP=1”，此命令是用來設(shè)置M22模塊不進(jìn)入睡眠狀態(tài)的，否則，如果長(zhǎng)時(shí)間不對(duì)模塊進(jìn)行操作，模塊將自動(dòng)進(jìn)入睡眠狀態(tài)，M22接收指令成功后將返回“OK”，否則說明設(shè)置不成功。

（2）向 M22 模塊發(fā)送“AT$TIMEOUT=2000”，此命令是用來設(shè)置M22模塊發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的延時(shí)時(shí)間的，“2000”是一個(gè)參數(shù)，是指2000ms，M22模塊成功接收完此命令后將返回

否則說明設(shè)置不成功。

接著便可進(jìn)行GPRS的連接，在進(jìn)行GPRS連接的第一步是設(shè)置運(yùn)營(yíng)商，具體設(shè)置的指令是“AT+CGDCONT=1，“IP”，“APN””，其中 APN 指的是具體的運(yùn)營(yíng)商的APN，如本系統(tǒng)中使用的是中國(guó)移動(dòng)，其APN是“CMNET”。然后要進(jìn)行用戶名和密碼的驗(yàn)證設(shè)置，具體的指令是“AT%CGPCO=1，“PAP，，”，1”，其中有兩處為空的就是指定用戶名和密碼的，GPRS也支持空的用戶名和密碼。PAP為驗(yàn)證方式，也可以使用CHAP驗(yàn)證方式。設(shè)置完用戶名和密碼驗(yàn)證之后便可設(shè)定指定的遠(yuǎn)端的公網(wǎng)IP，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式和端口號(hào)，具體的指令是 “AT$DESTINFO=“XX.XX.XX.XX”，（1，2），PORT”，(1,2)中若是選擇1則表明使用TCP的格式傳輸數(shù)據(jù)，若是選擇2則表明使用UDP格式傳輸數(shù)據(jù)，PORT為遠(yuǎn)端公網(wǎng)IP的端口號(hào)，一般的端口號(hào)在1000到5000之間，因?yàn)橛?jì)算機(jī)的前1000個(gè)端口號(hào)已經(jīng)基本被計(jì)算機(jī)應(yīng)用了，如果強(qiáng)行使用，可能會(huì)發(fā)生沖突。此外還需注意的一點(diǎn)是遠(yuǎn)端公網(wǎng)的IP，如果是一些局域網(wǎng)內(nèi)的上網(wǎng)IP，將可能無法實(shí)現(xiàn)連接。本系統(tǒng)中使用的是M22模塊的TCP模式，M22的嵌入式TCP/IP是透明傳輸模式，所謂透明傳輸就是接收數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)不用進(jìn)行解包和打包，而是直接發(fā)送需要發(fā)送的數(shù)據(jù)和接收需要接收的數(shù)據(jù)。完成以上操作后便可進(jìn)行撥號(hào)了，撥號(hào)的具體指令是“ATD*99#”，這里需要注意的一點(diǎn)是，在撥號(hào)的過程中，遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的相應(yīng)端口必須處于監(jiān)聽狀態(tài)，否則無法撥通。以上每條指令成功設(shè)置后都將返回“OK”指令。以上整個(gè)流程成功發(fā)送的指令和返回如下所示：

經(jīng)過上述過程，M22模塊進(jìn)入數(shù)據(jù)模式，如果想從數(shù)據(jù)模式切入命令模式單獨(dú)給M22發(fā)送 “+++”字符串即可。要想又從命令模式回到數(shù)據(jù)模式只需發(fā)送“ATO”。如果想徹底斷開數(shù)據(jù)模式則需發(fā)送“ATH”，在此種情況下如果想再回到數(shù)據(jù)模式則需重新連接。

由于是透明傳輸，所以在協(xié)議的處理上就不可能通過字符串標(biāo)志來確認(rèn)一組數(shù)據(jù)發(fā)送完畢。有兩種情況會(huì)確認(rèn)一組數(shù)據(jù)發(fā)送完畢并馬上將數(shù)據(jù)打包發(fā)送出去。第一種情況是在一組數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后延時(shí)一定時(shí)間，在這延時(shí)期間模塊若是沒有接收到其它的數(shù)據(jù)，則模塊把當(dāng)前接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送出去。第二種情況是若是模塊接收的數(shù)據(jù)總量超出了模塊的緩存空間，則模塊自動(dòng)將數(shù)據(jù)打包發(fā)送出去。

在數(shù)據(jù)通訊的時(shí)候還應(yīng)對(duì)模塊是否在線進(jìn)行判斷，一般有三種判斷方式：

1.如果網(wǎng)絡(luò)斷開了，模塊會(huì)返回“NO CARRIER”字符串，通過這個(gè)字符串則可以判斷出模塊已經(jīng)掉線。

2.在模塊和遠(yuǎn)端控制中心建立一種定時(shí)握手機(jī)制，若是模塊長(zhǎng)時(shí)間無法和遠(yuǎn)端握手則表明模塊已經(jīng)掉線。

3.利用DCD腳，在正常情況下，DCD為高電平，一旦開始撥ATD*97#的時(shí)候，DCD變?yōu)榈碗娖?，然后持續(xù)一段時(shí)間后變?yōu)楦唠娖剑羰堑艟€，則DCD會(huì)有一個(gè)下降沿，可利用這個(gè)下降沿作為中斷源判斷模塊掉線。

4.2 遠(yuǎn)程監(jiān)控終端的TCP/IP介紹

本文基于VC++6.0的MFC進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控終端的開發(fā)，在本文中可以使用UDP也可以使用TCP報(bào)文進(jìn)行傳輸，考慮到傳輸?shù)臄?shù)據(jù)并不多，而對(duì)可靠性則要求較高，所以本文采用TCP報(bào)文傳輸。在介紹程序之前必須了解的一個(gè)名詞就是套接字，套接字是通信的基石，是支持TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)通信的基本操作單元，可以將套接字看作是不同主機(jī)間的進(jìn)程進(jìn)行雙向通信的端點(diǎn)。一個(gè)套接口是通信的一端，在另一端上可以找到與其對(duì)應(yīng)的一個(gè)名字。每一個(gè)正在被使用的套接口都有它的類型和與其相關(guān)的進(jìn)程。進(jìn)行TCP/IP開發(fā)的流程如圖5所示：

5 自動(dòng)售貨機(jī)的展望

根據(jù)自動(dòng)售貨機(jī)在日本、歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家的發(fā)展及現(xiàn)代商務(wù)、電子信息技術(shù)的發(fā)展，可以預(yù)測(cè)自動(dòng)售機(jī)將可能會(huì)出現(xiàn)如下趨勢(shì)

（1）智能化：隨著自動(dòng)售貨機(jī)的發(fā)展，當(dāng)銷售量上到一定程度，要用人力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析將是一件非常花費(fèi)人力的事情。如果將現(xiàn)代的智能學(xué)習(xí)算法引進(jìn)此系統(tǒng)中，用智能學(xué)習(xí)算法進(jìn)行商品的分析，總結(jié)出相應(yīng)的銷售策略，將可以很大程度上省去商家的人力成本，也能幫助商家快速地做出決策。比如說根據(jù)每一臺(tái)自動(dòng)售貨機(jī)每天每種商品的出貨信息自動(dòng)統(tǒng)計(jì)出哪種商品在哪？什么時(shí)間賣得好，然后給出策略讓商家做出調(diào)整，在合適的時(shí)間送出合適的數(shù)量的貨到合適的地點(diǎn)。同時(shí)哪個(gè)地方的貨不夠了，馬上給出反應(yīng)，讓商家能及時(shí)給補(bǔ)上。這將能大大提高商家對(duì)市場(chǎng)的反應(yīng)速率。

（2）互聯(lián)網(wǎng)化：隨著互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，將來人家的各種消費(fèi)方式都將很大程度上和互聯(lián)網(wǎng)有關(guān)，這也給自動(dòng)售貨機(jī)提出更高的要求。自動(dòng)售貨機(jī)的各種信息也將在網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)透明化，可以在網(wǎng)上查到售貨機(jī)上的產(chǎn)品信息，如產(chǎn)品名稱、生產(chǎn)日期、保質(zhì)期等，還能在線實(shí)時(shí)地查看到各個(gè)自動(dòng)售貨機(jī)的銷售活動(dòng)情況（如打折信息等）。同時(shí)商家則可以實(shí)時(shí)地往自動(dòng)售貨機(jī)中傳輸自己更新的打折信息和廣告。這一切對(duì)通信速率和通信質(zhì)量提出較高要求，然而隨著通信技術(shù)的發(fā)展，這將成為可能。

（3）可回收物回收：隨著環(huán)保的普及，將來將越來越注意可回收物的回收（如飲料瓶的回收），可回收物的回收對(duì)識(shí)別技術(shù)有相當(dāng)高的要求，然而隨著圖像識(shí)別技術(shù)的發(fā)展，這將會(huì)成為可能。

6 結(jié)束語

本系統(tǒng)采用成熟的GPRS技術(shù)解決自動(dòng)售貨機(jī)存在的無法像電子商務(wù)那樣實(shí)行商家和客戶的互動(dòng)以及商家對(duì)自動(dòng)售貨機(jī)的貨物無法進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控的缺陷，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)售貨機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。目前此系統(tǒng)在我國(guó)尚處于研究階段，尚未成功地用于實(shí)際的售貨機(jī)，然而可以預(yù)見此系統(tǒng)將在不久的未來廣泛地應(yīng)用在自動(dòng)售貨機(jī)上。

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