基于STM32的高校智能取餐系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

楊 晨，黎 斌，葛立明

（蘭州交通大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

0 引 言

隨著高等教育的快速推進(jìn)，高校擴(kuò)招已成必然，學(xué)生食堂所承擔(dān)的人流量與日俱增，就餐高峰成為了考驗(yàn)一個(gè)食堂就餐效率的重要時(shí)期。另外，隨著社會(huì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，師生對(duì)就餐環(huán)境也提出了更高的要求，希望就餐環(huán)境安靜整潔，取餐不必一擁而上，取錯(cuò)餐的情況不會(huì)發(fā)生等[1]。然而據(jù)調(diào)研表明，學(xué)生對(duì)于學(xué)校的餐飲服務(wù)覺得滿意的不多，其原因主要來自“食堂服務(wù)員叫喊式取菜”導(dǎo)致就餐環(huán)境嘈雜，學(xué)生取餐秩序混亂，容易產(chǎn)生取錯(cuò)菜，心情焦躁的狀況。也正是這些原因，影響了食堂的就餐效率。

近幾年隨著“智慧校園”概念的提出，越來越多的人意識(shí)到了建設(shè)“智慧食堂”的重要性。隨著技術(shù)的發(fā)展，將嵌入式技術(shù)運(yùn)用到學(xué)校餐廳的設(shè)計(jì)和應(yīng)用中[2]，打造新型智慧取餐系統(tǒng)，有效解決學(xué)生就餐環(huán)境擁堵和嘈雜的問題，提高學(xué)生就餐效率和用餐質(zhì)量?；趩纹瑱C(jī)取餐系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用具有重要價(jià)值和實(shí)際意義。

本文設(shè)計(jì)了一款基于STM32的高校智能取餐系統(tǒng)。該系統(tǒng)以STM32單片機(jī)為核心，采集和處理點(diǎn)餐數(shù)據(jù)，搭建前臺(tái)、后廚和顧客之間的無線通信網(wǎng)絡(luò)，使這三部分有機(jī)統(tǒng)一，從而有效提高后廚工作效率、學(xué)生就餐效率，有力改善就餐環(huán)境。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。本設(shè)計(jì)主要由前臺(tái)設(shè)備、后廚設(shè)備和用戶端組成[3]。

結(jié)合圖1可知，當(dāng)客人點(diǎn)餐后，收款機(jī)將錄入的點(diǎn)餐信息通過串行通信電路發(fā)送到STM32F103單片機(jī)，而后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理，如數(shù)據(jù)檢索、識(shí)別等，之后將處理的信息通過串口發(fā)送至后廚上位機(jī)軟件[4]。軟件接收到數(shù)據(jù)后，即可在上位機(jī)控制界面上顯示顧客的點(diǎn)餐信息，如所點(diǎn)餐譜、點(diǎn)餐順序等，廚師根據(jù)軟件提示完成飯菜的制作。燒制完成后，即可將菜名在軟件上有選擇地發(fā)送至無線通信模塊。無線模塊對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，把“顧客的取餐信息”以無線通信的方式發(fā)送至移動(dòng)終端，供顧客參考。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

2 系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)硬件由微處理器和各種通信電路組成。

2.1 微處理器

STM32處理器是由意法半導(dǎo)體（ST）公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)，基于Cortex-M3內(nèi)核開發(fā)的新型單片機(jī)[5]。該內(nèi)核是ARM公司設(shè)計(jì)的新一代內(nèi)核，具有高性能、低成本、低功耗、調(diào)試容易等特點(diǎn)。因此采用STM32處理器作為本設(shè)計(jì)的控制處理器方案可行。

STM32F103RCT6屬于中低端32位ARM微控制器，是一種增強(qiáng)型閃存微處理器，其豐富的片上資源可以大大簡(jiǎn)化系統(tǒng)硬件，降低設(shè)計(jì)成本。本設(shè)計(jì)中的微處理器均采用基于Cortex-M3的 STM32F103RCT6。

2.2 RS 232-STM32串行通信電路

顧客在前臺(tái)點(diǎn)餐后，數(shù)據(jù)被點(diǎn)餐機(jī)錄入，并通過RS 232串口傳出。由于STM32處理器的串口為全雙工工作方式，因此可以把發(fā)送與接收獨(dú)立分開，由PA10引腳負(fù)責(zé)接收RS 232通過串行通信電路[6]傳來的數(shù)據(jù)，PA9引腳負(fù)責(zé)發(fā)送STM32單片機(jī)處理后的數(shù)據(jù)，可以只使用單片機(jī)的串口1完成對(duì)數(shù)據(jù)的接收、處理和再發(fā)送，從而大大減小了系統(tǒng)復(fù)雜度，以及I/O口資源的利用。RS 232-STM32串行通信電路如圖2所示。

圖2 RS 232-STM32串行通信電路

2.3 USB接口電路

由于STM32F103RCT6的接口為I/O口，上位機(jī)的接口為USB接口，所以為了解決兩者之間的信息傳輸問題，引入基于CH340設(shè)計(jì)的USB接口電路[7]。CH340是一款USB總線轉(zhuǎn)接芯片，串口為全雙工通信方式，內(nèi)置收發(fā)緩沖區(qū)，支持波特率50 bps～2 Mbps，并且與計(jì)算機(jī)端Windows操作系統(tǒng)下的串口應(yīng)用程序完全兼容。USB接口電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 USB接口電路

2.4 STM32-WiFi串行通信電路

2.4.1 ATK-ESP8266 WiFi模塊

ATK-ESP8266是ALIENTEK生產(chǎn)的一款高性能UARTWiFi（串口-無線）模塊。ATK-ESP8266模塊與MCU（或者其他串口設(shè)備）采用串口（LVTTL）通信，模塊內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，兼容3.3 V和5 V單片機(jī)系統(tǒng)，能夠輕松實(shí)現(xiàn)串口和WiFi之間的轉(zhuǎn)換。若只與傳統(tǒng)串口設(shè)備相連，則只需簡(jiǎn)單配置即可通過網(wǎng)絡(luò)傳輸自身數(shù)據(jù)。另外，模塊支持串口轉(zhuǎn)WiFi STA、串口轉(zhuǎn)AP和WiFi STA+WiFi AP三種模式，可快速構(gòu)建數(shù)據(jù)傳輸方案，方便設(shè)備使用網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)[8]。

2.4.2 電路設(shè)計(jì)

ATK-ESP8266無線WiFi模塊采用串口實(shí)現(xiàn)與MCU之間的通信。通過ATK-ESP8266模塊，傳統(tǒng)的串口設(shè)備只需簡(jiǎn)單的串口配置即可通過網(wǎng)絡(luò)（WiFi）傳輸自身數(shù)據(jù)。即STM32單片機(jī)通過串口與ATK-ESP8266通信時(shí)，只需對(duì)串口進(jìn)行必要的配置即可實(shí)現(xiàn)STM32與外接設(shè)備（手機(jī)）之間的WiFi數(shù)據(jù)傳輸[9]。STM32-WiFi電路設(shè)計(jì)原理如圖4所示。

圖4 STM32-WiFi串行通信電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)可分為前臺(tái)設(shè)備微控制器的程序設(shè)計(jì)、上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)、后廚設(shè)備微控制器程序設(shè)計(jì)以及用戶端APP設(shè)計(jì)。

3.1 前臺(tái)設(shè)備微控制器程序設(shè)計(jì)

前臺(tái)設(shè)備微控制器的程序設(shè)計(jì)主要包括數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)發(fā)送三部分，其程序流程如圖5所示。STM32單片機(jī)的串口1接收點(diǎn)餐機(jī)發(fā)來的顧客點(diǎn)餐信息。數(shù)據(jù)處理和發(fā)送部分負(fù)責(zé)將接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行循環(huán)檢索，翻譯檢測(cè)到的相關(guān)信息，并從串口1輸出。

設(shè)備開始運(yùn)行后，當(dāng)串口1檢測(cè)到有數(shù)據(jù)傳來時(shí)，會(huì)進(jìn)入中斷接收模式，當(dāng)檢測(cè)到幀尾[10]（數(shù)據(jù)0xfe 0x4a），USART_RX_STA置1，說明接收完成，幀尾前的數(shù)據(jù)全部存入U(xiǎn)SART_Rx_BUF[i]數(shù)組。之后在主函數(shù)中，程序自動(dòng)提取相關(guān)信息并輸出。

3.2 基于VB6.0的上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件位于后廚PC機(jī)，基于Visual Basic6.0開發(fā)[11]，其界面布置如圖6所示?？刂平缑娴挠覀?cè)用于顯示時(shí)間和設(shè)置相關(guān)參數(shù)，如串口、波特率等；左側(cè)的文本框用于顯示由前臺(tái)設(shè)備傳來的顧客點(diǎn)餐內(nèi)容以及點(diǎn)餐號(hào)。后廚師傅在接收到信息后，以此為根據(jù)準(zhǔn)備相關(guān)菜肴，完成制作后在左側(cè)文本框中選中完成的菜名，點(diǎn)擊“請(qǐng)選擇已完成的菜單”按鈕，將其移送到右側(cè)區(qū)域，這些為待發(fā)送給顧客手機(jī)APP的信息，如圖7所示。點(diǎn)擊“發(fā)送至APP”按鈕，即可完成對(duì)顧客取餐的提示。軟件操作流程簡(jiǎn)單，可以幫助廚師高效快速地完成相關(guān)信息管理，從而提高就餐效率。

圖5 前臺(tái)微控制器的程序流程圖

圖6 上位機(jī)軟件接收前臺(tái)數(shù)據(jù)界面

圖7 上位機(jī)軟件發(fā)送數(shù)據(jù)界面圖

3.3 后廚設(shè)備微控制器的程序設(shè)計(jì)

基于STM32的后廚微處理器系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)主要解決兩大內(nèi)容。

（1）對(duì)后廚上位機(jī)發(fā)送來的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析和存儲(chǔ)，即將串口1接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；

（2）將經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)通過串口3發(fā)送到WiFi模組，進(jìn)而通過對(duì)WiFi模組的配置，將數(shù)據(jù)通過無線方式發(fā)送到手機(jī)APP上顯示輸出。

在此程序設(shè)計(jì)中，對(duì)于WiFi模塊的驅(qū)動(dòng)通過相應(yīng)的AT指令進(jìn)行端口配置，使相應(yīng)的終端設(shè)備配置于同一局域網(wǎng)下，從而實(shí)現(xiàn)WiFi模塊對(duì)于數(shù)據(jù)的收發(fā)和共享功能。用AT指令對(duì)WiFi模塊進(jìn)行配置[12]，部分配置方式如下：

設(shè)置WiFi模式為STA模式：AT+CWMODE=1；

建立Server，設(shè)置端口號(hào)：AT+CIPSERVER=1,8080；

模塊向指定通道發(fā)送數(shù)據(jù)：AT+CIPSEND=id,size。

后廚微控制器程序設(shè)計(jì)流程如圖8所示。

圖8 后廚微控制器程序流程圖

3.4 移動(dòng)終端的設(shè)計(jì)

移動(dòng)終端的設(shè)計(jì)主要取決于數(shù)據(jù)傳輸方式以及數(shù)據(jù)類型。在經(jīng)過實(shí)際調(diào)研分析后，移動(dòng)終端采用Android系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)[13]，既符合當(dāng)下的時(shí)代潮流，也能方便快捷地實(shí)現(xiàn)有序取餐等目的。手機(jī)在接收到從WiFi模塊發(fā)來的數(shù)據(jù)后，由APP對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析并處理，然后在手機(jī)APP界面上顯示，即顧客的取餐信息[14]。接收信息界面如圖9（a）所示。主要工作流程：?jiǎn)?dòng)應(yīng)用程序后，在APP界面選擇TCP Client模式，接著點(diǎn)擊“連接后廚”按鈕，完成相關(guān)參數(shù)的配置，APP參數(shù)配置界面如圖9（b）所示。其目的是讓手機(jī)和WiFi模塊在同一個(gè)局域網(wǎng)下，將手機(jī)作為客戶端去訪問WiFi網(wǎng)絡(luò)（服務(wù)器），接收從WiFi模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，而這也是多個(gè)終端設(shè)備實(shí)現(xiàn)共享網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的關(guān)鍵。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

系統(tǒng)主要從以下幾個(gè)方面檢測(cè)[15]：

（1）前臺(tái)到后廚設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸是否正常；

（2）后廚到手機(jī)APP數(shù)據(jù)傳輸是否正常；

（3）后廚到手機(jī)APP數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性測(cè)試。

通過前臺(tái)點(diǎn)餐機(jī)輸入點(diǎn)餐信息，處理后發(fā)送到上位機(jī)軟件，作為待處理菜單。后廚做好餐品后，通過上位機(jī)軟件，系統(tǒng)處理后經(jīng)WiFi發(fā)送到手機(jī)APP。實(shí)驗(yàn)過程參考圖6、圖7、圖9。系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1所列。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖9 APP示意圖

5 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了一種新的基于STM32微處理器的高校智能取餐系統(tǒng)。所設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件部分主要由微處理器和各種通信電路組成。軟件部分主要分為前臺(tái)微控制器的程序設(shè)計(jì)、上位機(jī)控制界面的設(shè)計(jì)、后廚微控制器的程序設(shè)計(jì)和用戶端APP的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)結(jié)合嵌入式技術(shù)，建立了從點(diǎn)餐到取餐的一體式高校餐飲服務(wù)架構(gòu)。經(jīng)過對(duì)系統(tǒng)的整體測(cè)試，證明本系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性良好，數(shù)據(jù)傳輸無誤，無遺漏。APP數(shù)據(jù)接收延時(shí)均在1 s內(nèi)，實(shí)時(shí)性能良好，基本達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)，可有效解決高校食堂點(diǎn)取餐效率低，食堂秩序混亂的問題，打造了一個(gè)功能完備的“智慧食堂”服務(wù)系統(tǒng)。