帶有預(yù)約功能的自助洗衣機(jī)集中控制器的設(shè)計(jì)

馮 超，魏晉宏

（太原理工大學(xué) 新型傳感器與智能控制教育部與山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030024）

1 引言

隨著國內(nèi)居住環(huán)境逐步的國際化，自助洗衣房作為一種會(huì)所、高校、社區(qū)配套形式的出現(xiàn)使得其具有廣闊的市場(chǎng)和發(fā)展空間。進(jìn)入21世紀(jì)來，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)高效、便捷、無時(shí)間地域限制的特點(diǎn)已經(jīng)被眾人所認(rèn)同，同時(shí)也為商家提供了無限的商機(jī)，電子商務(wù)因而獲得蓬勃發(fā)展，進(jìn)而推動(dòng)著網(wǎng)絡(luò)支付和網(wǎng)上金融服務(wù)的快速發(fā)展，使得電子商務(wù)進(jìn)入一個(gè)全新的發(fā)展階段[1-2]。隨著這種線上支付模式的出現(xiàn)，將其應(yīng)用在自助洗衣機(jī)上便成為可能。為此，提出了集中控制器的設(shè)計(jì)思路來對(duì)接線上服務(wù)器與線下洗衣機(jī)。由于自助洗衣機(jī)的使用頻率高，難免會(huì)造成用戶漫長的等待時(shí)間，在實(shí)現(xiàn)了線上服務(wù)器與線下洗衣機(jī)對(duì)接的同時(shí)，提出了預(yù)約洗衣服務(wù)的思路，并對(duì)預(yù)約排隊(duì)算法進(jìn)行分析與研究，并選出最優(yōu)的預(yù)約排隊(duì)算法。

2 自助洗衣服務(wù)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

針對(duì)目前洗衣房自助洗衣機(jī)的單獨(dú)管理與操作，在線上服務(wù)日益完善的同時(shí)，設(shè)計(jì)了基于嵌入式Linux的集中控制器來對(duì)自助洗衣機(jī)進(jìn)行集中的管理和操作，方便實(shí)現(xiàn)洗衣機(jī)與線上服務(wù)器的對(duì)接和預(yù)約洗衣的功能。集中控制器以S3C2440作為核心，通過CAN總線將多臺(tái)洗衣機(jī)接入控制器中，將洗衣機(jī)的實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送給控制器系統(tǒng)，經(jīng)由液晶屏進(jìn)行顯示，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于SD卡上；服務(wù)器在完成線上支付、線上預(yù)約等功能后，通過WIFI將操作指令發(fā)送給集中控制器進(jìn)而對(duì)洗衣機(jī)進(jìn)行操作，集中控制器完成預(yù)約排隊(duì)優(yōu)化后將預(yù)約排隊(duì)信息發(fā)送給服務(wù)器，服務(wù)器通過短信等方式通知用戶的預(yù)約情況，自助洗衣機(jī)服務(wù)系統(tǒng)框圖，如圖1所示。

圖1 自助洗衣服務(wù)系統(tǒng)框圖Fig.1 Systematic Theory of Diagram

3 集中控制器的設(shè)計(jì)

3.1 硬件選型

為了實(shí)現(xiàn)控制器與洗衣機(jī)的數(shù)據(jù)通信、控制器與服務(wù)器的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信以及控制器對(duì)洗衣機(jī)狀態(tài)的監(jiān)控，在硬件方面主要介紹了對(duì)主控模塊、人機(jī)交互模塊、CAN模塊、WIFI模塊的選型。

3.1.1 主控模塊

采用三星公司生產(chǎn)的嵌入式芯片S3C2440A作為主控核心。該芯片采用ARM920T內(nèi)核，功耗低、具有高速的處理計(jì)算能力、可以運(yùn)行在400MHz的時(shí)鐘頻率下[3]。芯片的設(shè)計(jì)采用MMU、AMBA總線體系結(jié)構(gòu)和哈佛結(jié)構(gòu)，集成了SDRAM控制器、FLASH控制器、LCD控制器、SPI控制器等硬件外設(shè)，方便搭建外圍功能模塊，大大簡化了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

3.1.2 人機(jī)交互模塊

觸摸屏（touch screen）又稱為“觸控屏”，是一種可接收觸頭等輸入訊號(hào)的感應(yīng)式液晶顯示裝置，是目前最簡單、方便、自然的一種人機(jī)交互方式[4]。故而，設(shè)計(jì)采用AT070TN83型的7寸四線式電阻觸摸屏作為系統(tǒng)監(jiān)控和查詢的操作平臺(tái)。

3.1.3 WIFI模塊

隨著WIFI技術(shù)的不斷完善，在解決了傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)布線繁瑣的同時(shí)，其傳輸速率和穩(wěn)定性也逐步提高，故而，采用ESP8266作為WIFI數(shù)據(jù)收發(fā)的主要芯片。ESP8266是一款超低功耗的UART-WiFi透傳模塊，具有支持無線802.11b/g/n標(biāo)準(zhǔn)、內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧、支持豐富的Socket AT指令、支持UART/GPIO數(shù)據(jù)通信接口、支持Smart Link智能聯(lián)網(wǎng)功能、超低能耗等多種優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)以廣泛被應(yīng)用于智能電網(wǎng)、智能交通、智能家具、手持設(shè)備、工業(yè)控制等領(lǐng)域。

3.1.4 CAN模塊

由于CAN總線具有穩(wěn)定可靠、連線簡單（就兩根線）、組網(wǎng)消費(fèi)低、速度快、能長距離傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)[5-6]，故而，采用CAN總線方式將洗衣機(jī)接入集中控制器實(shí)現(xiàn)洗衣機(jī)與集中控制器的數(shù)據(jù)通信。

CAN模塊主要由CAN控制器和CAN收發(fā)器組成。其中CAN控制器是用來執(zhí)行CAN總線協(xié)議和控制管理CAN總線的，而CAN收發(fā)器的作用是增強(qiáng)總線驅(qū)動(dòng)能力并建立CAN控制器以及物理總線之間的連接。由于S3C2440主控芯片并不含有CAN控制器，因此，選用SJA1000型的CAN控制器和PCA82 C250型的CAN收發(fā)器來實(shí)現(xiàn)CAN通信功能。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

3.2.1 應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)

（1）主程序的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的主程序設(shè)計(jì)主要包括系統(tǒng)的初始化、WIFI數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送、CAN總線數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送、數(shù)據(jù)顯示和存儲(chǔ)、預(yù)約排隊(duì)算法等，主程序流程圖，如圖2所示。

圖2 主程序流程圖Fig.2 Flow Chart of Main Program

（2）WIFI程序的設(shè)計(jì)

圖3 WIFI連接子程序Fig.3 Subroutine of WIFI Connection

初始化完成后，經(jīng)由WIFI將集中控制器和遠(yuǎn)程服務(wù)器進(jìn)行連接，WIFI連接過程，如圖3所示。當(dāng)WIFI模塊收到遠(yuǎn)程服務(wù)器的指令后對(duì)其進(jìn)行判斷，進(jìn)而去執(zhí)行發(fā)送洗衣機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)、對(duì)洗衣機(jī)進(jìn)行各種功能操作以及對(duì)預(yù)約信息進(jìn)行排隊(duì)優(yōu)化等，控制器通過預(yù)約排隊(duì)算法將最優(yōu)的預(yù)約排隊(duì)情況通過WIFI發(fā)送遠(yuǎn)程服務(wù)器方便服務(wù)器通過短信等方式通知用戶。

（3）CAN程序的設(shè)計(jì)

控制器與線下洗衣機(jī)是通過CAN總線進(jìn)行連接的，數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)接收、總線錯(cuò)誤等都需要通過CAN中斷服務(wù)程序。當(dāng)判斷為發(fā)送中斷時(shí)，將所要發(fā)送的數(shù)據(jù)打包進(jìn)行發(fā)送，發(fā)送成功后置CAN成功發(fā)送標(biāo)志位；當(dāng)判斷為接收中斷時(shí)，讀取CAN消息對(duì)象中的數(shù)據(jù)并置CAN成功接收標(biāo)志位；而當(dāng)既非發(fā)送中斷又非接收中斷時(shí)，置CAN出錯(cuò)標(biāo)志位。

控制器通過CAN總線將接收到的報(bào)文分離出來的洗衣機(jī)的狀態(tài)數(shù)據(jù)傳送給主控芯片，主控芯片對(duì)其進(jìn)行分析，進(jìn)而將數(shù)據(jù)中所包含的洗衣機(jī)的實(shí)時(shí)狀態(tài)等顯示在液晶屏上，并將數(shù)據(jù)整理存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中以方便調(diào)取和查詢。

3.2.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

系統(tǒng)采用qtopia所支持的sqlite3數(shù)據(jù)庫對(duì)洗衣機(jī)經(jīng)由CAN總線發(fā)送而來的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。SQLite數(shù)據(jù)庫采用了模塊化、層次化的思想，由數(shù)據(jù)庫接口、編譯器、虛擬機(jī)與后端四個(gè)部分組成。其中數(shù)據(jù)庫接口（各種API）是系統(tǒng)的入口，中間經(jīng)過編譯器（分詞器、語法分析器、代碼生成器），將API中傳入的SQL語句或各種操作編譯成數(shù)據(jù)庫引擎可以解析的解釋性代碼，虛擬機(jī)按照解釋性的代碼流調(diào)用其下層的索引、表、頁面緩存模塊協(xié)同來完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)[7-8]。

在數(shù)據(jù)庫中創(chuàng)建表格，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的管理，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)方式，如表1所示。

表1 狀態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式Tab.1 Storage of State Data

4 預(yù)約排隊(duì)算法的優(yōu)化

為了減少用戶漫長的等待時(shí)間，在自助洗衣機(jī)中引入預(yù)約功能，并提出三種不同的預(yù)約排隊(duì)算法，通過計(jì)算得出最高的“用戶滿意度”，即在一段時(shí)間內(nèi)所有用戶對(duì)洗衣服務(wù)的滿意程度，從而選出最佳的預(yù)約排隊(duì)算法[9-10]。

4.1 用戶滿意度模型的搭建

根據(jù)“用戶滿意度”建立模型并進(jìn)行研究。影響“用戶滿意度”的因素主要有接待用戶人數(shù)（假設(shè)為S）、平均等待時(shí)間（假設(shè)為H）和用戶消費(fèi)金額（假設(shè)為L）。構(gòu)建“用戶滿意度”模型：

式中：H1、H2、H3—未預(yù)約用戶平均等待時(shí)間、普通預(yù)約用戶平均等待時(shí)間和加急預(yù)約用戶平均等待時(shí)間；L1、L2—未預(yù)約用戶和普通預(yù)約用戶的消費(fèi)金額和加急預(yù)約用戶的消費(fèi)金額；M1、M2、M3—未預(yù)約用戶滿意度、普通預(yù)約用戶的滿意度和加急預(yù)約用戶的滿意度；M—用戶平均滿意度。

假設(shè)用戶的平均下單率為μ，系統(tǒng)中共有n臺(tái)洗衣機(jī)，單個(gè)洗衣機(jī)的平均服務(wù)率（即單位時(shí)間內(nèi)被服務(wù)的用戶數(shù)）為λ，服務(wù)強(qiáng)度ρ=μ/nλ，Pm（n）為n臺(tái)洗衣機(jī)中任意時(shí)刻有m個(gè)用戶的概率，有：

當(dāng)達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，平均對(duì)長為：

用戶的平均等待時(shí)間為：

4.2 預(yù)約排隊(duì)策略的設(shè)計(jì)

4.2.1 先到先得型

按照預(yù)約用戶下單時(shí)間的先后順序進(jìn)行排隊(duì)，當(dāng)預(yù)約用戶在預(yù)約規(guī)定時(shí)間內(nèi)沒有使用洗衣機(jī)，則由下一位預(yù)約用戶進(jìn)行預(yù)約使用，以此類推。這種策略會(huì)導(dǎo)致未使用預(yù)約服務(wù)的用戶長時(shí)間無法使用洗衣機(jī)。假設(shè)當(dāng)天排隊(duì)的總?cè)藬?shù)為S，其中未預(yù)約用戶數(shù)為S1，預(yù)約用戶數(shù)為S2。在第一位預(yù)約用戶使用的同時(shí)，其后預(yù)約用戶的等候時(shí)間要加上這位預(yù)約用戶的使用時(shí)間，對(duì)于未預(yù)約用戶生成隨機(jī)的使用時(shí)間并加上所有預(yù)約用戶的使用時(shí)間，最后根據(jù)“用戶滿意度”模型計(jì)算出用戶的滿意度得分。

4.2.2 規(guī)律使用型

按照預(yù)約用戶下單時(shí)間的先后順序進(jìn)行排隊(duì)，每完成P（P≥2）次預(yù)約服務(wù)后，等待半小時(shí)的時(shí)間供沒有使用預(yù)約服務(wù)的客戶使用，當(dāng)該客戶使用完成后，繼續(xù)執(zhí)行預(yù)約排隊(duì)序列，以此類推。相對(duì)于先到先得型預(yù)約服務(wù)，這種模式顧及到了未使用預(yù)約服務(wù)客戶對(duì)洗衣機(jī)的使用。假設(shè)當(dāng)天排隊(duì)的總?cè)藬?shù)為S，其中未預(yù)約用戶數(shù)為S1，預(yù)約用戶數(shù)為S2。不失一般性的令P=2，即每有兩位預(yù)約用戶使用完成后，等待一位未預(yù)約用戶進(jìn)行使用，對(duì)于預(yù)約用戶而言，在加上之前的預(yù)約用戶的使用時(shí)間后，還需要加上一位未預(yù)約用戶的使用時(shí)間（如果未預(yù)約用戶沒有使用，則該時(shí)間為半小時(shí)），最后根據(jù)“用戶滿意度”模型計(jì)算出用戶的滿意度得分。

4.2.3 高價(jià)優(yōu)先型

在規(guī)律使用型預(yù)約模式的基礎(chǔ)上，對(duì)于著急使用洗衣機(jī)的用戶，可以在正常洗衣消費(fèi)的基礎(chǔ)上增加一定的額外費(fèi)用來實(shí)現(xiàn)優(yōu)先排隊(duì)使用，即每當(dāng)有高于基礎(chǔ)消費(fèi)的預(yù)約用戶進(jìn)入預(yù)約排隊(duì)的隊(duì)列后，根據(jù)總費(fèi)用的高低插入到隊(duì)列前，費(fèi)用越高越靠前，相同費(fèi)用下按照下單時(shí)間順序排隊(duì)插入隊(duì)列前。這種模型綜合考慮到了未使用預(yù)約服務(wù)的客戶以及著急使用預(yù)約服務(wù)的客戶。

假設(shè)當(dāng)天排隊(duì)的總?cè)藬?shù)為S，其中未預(yù)約用戶數(shù)為S1，預(yù)約用戶數(shù)為S2，普通預(yù)約用戶數(shù)為S2，加急預(yù)約用戶數(shù)為S3。不失一般性的令P=2，即每有兩位預(yù)約用戶使用完成后，等待一位未預(yù)約用戶進(jìn)行使用。對(duì)于加急用戶而言，需要加上之前的加急用戶的使用時(shí)間以及每兩位預(yù)約用戶后的一位未預(yù)約用戶的使用時(shí)間（如果未預(yù)約用戶沒有使用，則該時(shí)間為半小時(shí)），而對(duì)于普通預(yù)約用戶而言，除了要加上之前的普通預(yù)約用戶的使用時(shí)間以及每兩位預(yù)約用戶后的一位未預(yù)約用戶的使用時(shí)間，還需要加上加急用戶的使用時(shí)間，最后根據(jù)“用戶滿意度”模型計(jì)算出用戶的滿意度得分。

4.3 預(yù)約排隊(duì)策略的測(cè)試

根據(jù)表2中的測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)三種不同的排隊(duì)策略進(jìn)行滿意度計(jì)算。通過“用戶滿意度”模型對(duì)三種不同的排隊(duì)策略計(jì)算出用戶的滿意度得分，如表3所示。由測(cè)試可知，策略二改進(jìn)了對(duì)未預(yù)約用戶使用洗衣機(jī)的排隊(duì)方式，使得未預(yù)約用的滿意度大幅提高，而對(duì)于加急預(yù)約用戶而言，付出了相對(duì)較高的費(fèi)用，但是卻沒有排隊(duì)的優(yōu)勢(shì)，因此滿意度較低；而策略三針對(duì)加急用戶改善了排隊(duì)方式，雖然加急用戶付出了相對(duì)較高的費(fèi)用，但是獲得了更有利的排隊(duì)方式，因此滿意度提高較大；對(duì)于三種不同的排隊(duì)方式，均對(duì)于普通的預(yù)約用戶相對(duì)有利，因此，用戶的滿意度基本不變并維持在一個(gè)相對(duì)較高的程度上。綜合分析得出，在引入了預(yù)約服務(wù)后，采用第三種排隊(duì)策略得到最高的滿意度，能夠最優(yōu)的服務(wù)各種用戶。

表2 待測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.2 Data to be Tested

表3 測(cè)試結(jié)果Tab.3 Results of Test

5 系統(tǒng)測(cè)試

測(cè)試采用PC機(jī)作為上位機(jī)，并通過VB設(shè)計(jì)了監(jiān)控界面對(duì)控制器進(jìn)行測(cè)試，系統(tǒng)的測(cè)試平臺(tái)，如圖4所示。登錄監(jiān)控系統(tǒng)后首先建立TCP連接服務(wù)器，然后啟動(dòng)控制器通過WIFI與PC機(jī)進(jìn)行連接，最后啟動(dòng)洗衣機(jī)，得到的控制器監(jiān)控畫面，如圖5所示。此時(shí)，上位機(jī)得到的監(jiān)控畫面，如圖6所示。

圖4 測(cè)試平臺(tái)Fig.4 Testing Platform

圖5 實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控Fig.5 Real-Time Status Monitoring

圖6 PC機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控Fig.6 Remote Monitoring of PC

由測(cè)試可知，控制器對(duì)洗衣機(jī)狀態(tài)監(jiān)控的準(zhǔn)確性，與PC機(jī)通信的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)了線上PC機(jī)與線下洗衣機(jī)的對(duì)接。

6 結(jié)束語

采用S3C2440作為控制器的核心，以嵌入式Linux作為操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了線上服務(wù)器與線下洗衣機(jī)的對(duì)接。系統(tǒng)搭建成本較低，但能滿足我們對(duì)設(shè)計(jì)的需求。同時(shí)，為了解決用戶漫長等待時(shí)間而引入了預(yù)約洗衣的功能，并對(duì)預(yù)約排隊(duì)算法進(jìn)行了研究，選出了最優(yōu)的預(yù)約排隊(duì)算法，使用戶對(duì)于自助洗衣服務(wù)更加的滿意。未來，我們還可以提出與完善更多的線上服務(wù)來滿足用戶的需求，使自助洗衣服務(wù)更加的智能化。

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