基于ARM和WinCE平臺(tái)稱量銷(xiāo)售式 自助售飯機(jī)的設(shè)計(jì)

韓春暉 梁西銀

摘? 要： 為解決傳統(tǒng)一卡通售飯方式弊端，提高餐廳售飯的自助化和智能化，提出一種基于ARM和WinCE平臺(tái)的稱量銷(xiāo)售式自助售飯系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。首先，運(yùn)用傳感器、RFID、ARM、語(yǔ)音播放、無(wú)線WiFi等技術(shù)構(gòu)建自助售飯機(jī)硬件系統(tǒng);其次，在WINCE操作環(huán)境下，采用C++ 和SQL設(shè)計(jì)售飯機(jī)人機(jī)交互、數(shù)據(jù)上傳和后臺(tái)數(shù)據(jù)監(jiān)管部分軟件系統(tǒng);此外，為提高整機(jī)稱量性能，采用穩(wěn)定識(shí)別算法對(duì)DL101傳感器模/數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)進(jìn)行穩(wěn)定識(shí)別處理，采用最小二乘法對(duì)稱重?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行非線性校正。測(cè)試分析表明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，稱量精度高，支付便捷，操作簡(jiǎn)單，具有較好的實(shí)用性。

關(guān)鍵詞： 自助售飯機(jī); 稱量銷(xiāo)售; 人機(jī)交互; 系統(tǒng)設(shè)計(jì); 數(shù)據(jù)處理; 測(cè)試分析

中圖分類(lèi)號(hào)： TN603?34? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1004?373X（2020）06?0043?04

Design of weighing and selling self?service rice vending machine

based on ARM and WinCE platform

HAN Chunhui， LIANG Xiyin

（College of Physics and Electronic Engineering， Northwest Normal University， Lanzhou 730070， China）

Abstract： A design method of weighing and selling self?service rice vending system based on ARM and WinCE platform is proposed， to solve the shortcomings of the traditional way of rice vending with one card and increase the self?service and intelligent restaurant sales vending. The hardware system of self?service rice vending machine is composed of the sensors， RFID， ARM， voice playing， wireless WiFi and other technologies. In the WINCE operating environment， the software systems of human?computer interaction， data uploading and background data monitoring parts of the self?service rice vending machine is designed by means of the C++ and SQL. The stable identification processing of the DL101 sensor′s analog?to?digital conversion data is performed by means of the stable identification algorithm， and the nonlinear correction of the weighting data is conducted by means of the least square method， after which the weighting performance of the whole machine is improved. The testing analyzes show that the system runs stably， and has high weighing accuracy， convenient payment and simple operation， which has a certain practicability.

Keywords： self?service rice vending machine; weighing selling; human?computer interaction; system design; data processing; testing analysis

0? 引? 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，自助生活順勢(shì)而為，陸續(xù)出現(xiàn)了許多自助式的售飯機(jī)設(shè)計(jì)方案[1?9]。文獻(xiàn)[1?5]所提出的售餐機(jī)設(shè)計(jì)方案，效仿自助售貨機(jī)原理對(duì)不同種類(lèi)的飯菜進(jìn)行組合售賣(mài)，該方案按份銷(xiāo)售，總額收費(fèi)，飯菜重量相對(duì)固定，購(gòu)買(mǎi)者所買(mǎi)到的飯菜難以合乎自己的飯量，極易造成浪費(fèi)。文獻(xiàn)[6?8]所設(shè)計(jì)的售飯機(jī)采用稱量銷(xiāo)售，自動(dòng)化打飯?jiān)O(shè)計(jì)，計(jì)量精確，提高了打飯效率，但僅適用于出售米飯，且機(jī)械設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，造價(jià)較高。實(shí)地考察文獻(xiàn)[9]所提的自助打飯式售飯機(jī)，雖有效杜絕“阿姨手抖”人情打飯，減少浪費(fèi)，節(jié)約人力資源，但僅限于校內(nèi)人員刷卡消費(fèi)，支付方式單一，“立柜式”售飯機(jī)，體積較大。

綜合以上考慮，本文提出了一種基于ARM和WINCE（Windows Compact Eidition）平臺(tái)的減法式稱量銷(xiāo)售自助售飯機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。一飯一機(jī)，消費(fèi)者自助打飯，通過(guò)微信掃碼或刷卡按飯量消費(fèi)，有效杜絕人情打飯和浪費(fèi)，支付便捷。售飯機(jī)通過(guò)WiFi連接后臺(tái)管理數(shù)據(jù)庫(kù)，簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)售飯系統(tǒng)網(wǎng)線布線的繁瑣，方便消費(fèi)信息管理。售飯機(jī)托盤(pán)式設(shè)計(jì)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，節(jié)省餐廳空間，增加了售飯機(jī)移動(dòng)靈活性。

1? 系統(tǒng)基本構(gòu)成

整個(gè)系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)層面可劃分為自助售飯機(jī)終端、網(wǎng)絡(luò)傳輸和后臺(tái)管理三個(gè)部分，如圖1所示。其中，售飯機(jī)終端用于用戶自助購(gòu)飯、顯示消費(fèi)信息、異常報(bào)警、消費(fèi)查詢、獲取消費(fèi)數(shù)據(jù)等，為整個(gè)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持;網(wǎng)絡(luò)傳輸部分通過(guò)WiFi模塊實(shí)現(xiàn)設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)連接，將打包好的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送給云服務(wù)器并保存到對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)中;后臺(tái)管理部分通過(guò)PC機(jī)連接云服務(wù)器，用于查詢遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù)所上傳的相關(guān)信息并進(jìn)行RFID卡的開(kāi)戶、掛失、賬務(wù)結(jié)算、注銷(xiāo)等后臺(tái)監(jiān)管工作。

2? 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

售飯機(jī)系統(tǒng)硬件由WiFi模塊、加熱模塊、語(yǔ)音模塊、主控模塊、帶觸控輸入顯示模塊、射頻讀寫(xiě)模塊、稱重模塊和電源管理模塊等部分組成。

圖2為售飯機(jī)硬件結(jié)構(gòu)框圖。主控模塊的中央處理器為主頻高達(dá)1 GHz的Cortex A8嵌入式ARM低功耗CPU。在本設(shè)計(jì)中主控模塊主要負(fù)責(zé)邏輯運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理和用戶指令的執(zhí)行等任務(wù)，并且通過(guò)與各個(gè)模塊間的互相通信，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體的功能。稱重模塊內(nèi)部包含量程0～40 kg的電阻應(yīng)變式稱重傳感器和DL101模/數(shù)轉(zhuǎn)換傳感器，電阻應(yīng)變式稱重傳感器受飯重作用發(fā)生彈性變形，通過(guò)內(nèi)部惠斯登電橋電路完成飯重信號(hào)到電壓變量的轉(zhuǎn)換，DL101模/數(shù)轉(zhuǎn)換傳感器內(nèi)置24位精度的A/D采樣模塊，可對(duì)微小的電壓變量進(jìn)行放大、模/數(shù)轉(zhuǎn)換等操作，實(shí)現(xiàn)飯菜稱重模擬量轉(zhuǎn)換為能夠被主控制器處理的數(shù)字量。語(yǔ)音模塊采用MY1690?SOP16 MP3主控芯片、PAM8302A功率放大芯片和SD卡的組合設(shè)計(jì)，用于售飯?zhí)崾竞彤惓?bào)警。WiFi模塊選用普聯(lián)技術(shù)有限公司生產(chǎn)的TL?WN725N微小型集成模塊，數(shù)據(jù)傳輸速度高達(dá)150 Mb/s，支持WinCE 6.0操作系統(tǒng)，用于售飯機(jī)聯(lián)網(wǎng)通信。此外，射頻讀寫(xiě)模塊用于對(duì)消費(fèi)者RFID卡數(shù)據(jù)信息讀取和更新，帶觸控輸入顯示模塊用于人機(jī)交互，加熱模塊和電源管理模塊分別用于飯菜的加熱及系統(tǒng)供電。

3? 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1? 軟件設(shè)計(jì)總體概述

售飯機(jī)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括基于售飯機(jī)終端的人機(jī)交互、數(shù)據(jù)上傳部分和基于后臺(tái)監(jiān)管端的數(shù)據(jù)監(jiān)管部分。人機(jī)交互部分用于實(shí)現(xiàn)售飯機(jī)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、飯菜稱重、支付等信息采集、處理和顯示;數(shù)據(jù)上傳用于將售飯信息上傳到遠(yuǎn)程服務(wù)器中的數(shù)據(jù)庫(kù)中;數(shù)據(jù)監(jiān)管部分通過(guò)程序和數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，用于消費(fèi)記錄的查看和售飯管理。此外，軟件開(kāi)發(fā)工作是在Microsoft Visual Studio 2008編程開(kāi)發(fā)環(huán)境中進(jìn)行，使用的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言分別為適用面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)語(yǔ)言C++和方便對(duì)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)進(jìn)行管理操作的SQL結(jié)構(gòu)化查詢語(yǔ)言，軟件的運(yùn)行環(huán)境為具有可定制性、開(kāi)放性的32位嵌入式操作系統(tǒng)WINCE 6.0。售飯機(jī)軟件系統(tǒng)工作流程如圖3所示。

3.2? 觸發(fā)消費(fèi)

觸發(fā)消費(fèi)是依據(jù)售飯機(jī)飯菜載重的減少實(shí)現(xiàn)銷(xiāo)售重量和銷(xiāo)售金額等消費(fèi)信息采集與計(jì)算的過(guò)程。用戶消費(fèi)顯示界面如圖4a）所示。管理者可通過(guò)觸控圖4a）中“設(shè)置”選項(xiàng)輸入管理密碼完成“菜品”“單價(jià)”初始“銷(xiāo)售重量”校零等系統(tǒng)設(shè)置操作?！霸O(shè)置”操作界面如圖4b）所示。

3.3? 支付模式

用戶自助獲取飯菜后，不僅能夠通過(guò)后臺(tái)已授權(quán)的RFID卡進(jìn)行刷卡支付，也可以使用微信進(jìn)行掃碼支付。用戶刷卡支付界面如圖5a）所示，用戶刷卡扣費(fèi)成功后，系統(tǒng)顯示用戶卡號(hào)和余額，此時(shí)銷(xiāo)售重量和銷(xiāo)售金額清零。當(dāng)用戶采用微信支付時(shí)，點(diǎn)擊圖4a）中用戶消費(fèi)界面“網(wǎng)付”按鍵，系統(tǒng)調(diào)用微信支付服務(wù)商所提供的API接口程序，按照微信支付的規(guī)則彈出如圖5b）所示包含消費(fèi)信息的二維碼供用戶微信掃碼支付，支付完成后微信支付系統(tǒng)發(fā)送異步消息給自助售飯機(jī)反饋支付結(jié)果。

3.4? 數(shù)據(jù)上傳和查詢

為加強(qiáng)用戶消費(fèi)信息查詢及后臺(tái)的監(jiān)管工作，售飯機(jī)通過(guò)WiFi模塊連接到互聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)遠(yuǎn)程的服務(wù)器，將消費(fèi)數(shù)據(jù)上傳到遠(yuǎn)程服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫(kù)中。本設(shè)計(jì)使用的服務(wù)器為騰訊云端服務(wù)器，在該服務(wù)器中安裝了 SQL Server 2008 R2 版本的數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)環(huán)境，數(shù)據(jù)庫(kù)中建立了適用于后臺(tái)監(jiān)管工作數(shù)據(jù)表，程序通過(guò)調(diào)用 ADO 接口連接數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)售飯機(jī)上傳信息的實(shí)時(shí)分類(lèi)存儲(chǔ)。以4號(hào)售飯機(jī)上傳數(shù)據(jù)為例，監(jiān)管端人員通過(guò)PC機(jī)聯(lián)網(wǎng)查詢數(shù)據(jù)存儲(chǔ)情況如圖6所示。

4? 稱重算法分析

售飯機(jī)稱重原理就是把從稱重傳感器獲得的模擬信號(hào)量，通過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換模塊得到數(shù)字信號(hào)量并送達(dá)CPU，然后CPU通過(guò)穩(wěn)定識(shí)別算法對(duì)其進(jìn)行數(shù)字濾波并篩選出穩(wěn)定的數(shù)字信號(hào)量，最后將這些穩(wěn)定的數(shù)字信號(hào)量代入相應(yīng)的稱重校準(zhǔn)算法公式，得到載重?cái)?shù)據(jù)。

4.1? 穩(wěn)定識(shí)別算法

受打飯環(huán)境影響，高精度DL101模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊數(shù)據(jù)輸出時(shí)不可避免地會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)，這時(shí)系統(tǒng)需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，并對(duì)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性進(jìn)行識(shí)別。鑒于文獻(xiàn)[10]中對(duì)常用數(shù)字濾波算法優(yōu)缺點(diǎn)的分析，本文運(yùn)用去極值濾波算法思想對(duì)模/數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)進(jìn)行前期濾波處理，后期采用限幅濾波算法快速篩選出穩(wěn)定數(shù)據(jù)，提出一種適用于售飯機(jī)系統(tǒng)的快速穩(wěn)定識(shí)別算法。算法流程如下：

1） 連續(xù)采集DL101模塊輸出的K個(gè)數(shù)據(jù)，對(duì)這K個(gè)數(shù)據(jù)排序，去除排序隊(duì)列中的最大值和最小值，然后對(duì)剩余K-2個(gè)數(shù)據(jù)先求和再取平均，得到前期濾波處理后相對(duì)穩(wěn)定的采樣數(shù)據(jù)。

2） 將上述濾波處理后數(shù)據(jù)輸入到長(zhǎng)度為N的數(shù)據(jù)穩(wěn)定判別隊(duì)列當(dāng)中，將每次采集到的一個(gè)新數(shù)據(jù)放到隊(duì)列末尾，并去掉隊(duì)首的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)列的實(shí)時(shí)更新。

3） 設(shè)定一個(gè)用于判斷數(shù)據(jù)穩(wěn)定的閾值，作為判斷數(shù)據(jù)是否穩(wěn)定的依據(jù)。

4） 每更新一次數(shù)據(jù)，系統(tǒng)就將穩(wěn)定判別隊(duì)列中的數(shù)據(jù)逐項(xiàng)作差，同時(shí)將差值與閾值進(jìn)行比較，如果差值絕對(duì)值小于允許的最大偏差值，即視為本次采樣數(shù)據(jù)穩(wěn)定，否則無(wú)效，待數(shù)列中的所有數(shù)據(jù)判斷完成后輸出穩(wěn)定A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。

上述算法優(yōu)點(diǎn)在于能有效抑制周期性干擾、隨機(jī)性脈沖干擾，避免需要占用較多運(yùn)行時(shí)間的浮點(diǎn)運(yùn)算，提高數(shù)據(jù)穩(wěn)定識(shí)別速度。

4.2? 稱重校正算法

為改善稱重傳感器因受材質(zhì)、工藝以及外界環(huán)境影響所存在非線性特性，需要對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行校正以提高售飯機(jī)稱重精度。在綜合考慮售飯機(jī)稱重量程、穩(wěn)定性及實(shí)時(shí)性后采用最小二乘法擬合方程對(duì)稱重?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行校正處理，核心是對(duì)經(jīng)過(guò)上述穩(wěn)定識(shí)別算法輸出的A/D 轉(zhuǎn)換值與實(shí)際重量關(guān)系曲線的擬合，使得測(cè)試所得數(shù)值與所擬合曲線上對(duì)應(yīng)值的殘差平方和最小，算法實(shí)現(xiàn)如下：

1） 讓售飯機(jī)承受不同的標(biāo)準(zhǔn)重量，記錄不同重量下A/D轉(zhuǎn)換值，令A(yù)/D轉(zhuǎn)換值為自變量[x]，對(duì)應(yīng)實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)重量為因變量[y]，對(duì)于測(cè)量所得到的一組樣本數(shù)據(jù)（[xi]，[yi]），i=0，1，2，…，[m]中，設(shè)[xi]是準(zhǔn)確的，[yi]可能含有不可避免的誤差;

2） 在線性無(wú)關(guān)的函數(shù)類(lèi)Φ=span{[φ0（x）]，[φ1（x）]，[φ2（x）]，…，[φn（x）]}中，尋找一個(gè)函數(shù)[f（x）]，使其盡可能的靠近樣本點(diǎn)，記作：

3） 令[f（xi）-yi]為殘差，依據(jù)最小二乘法擬合原理，當(dāng)其加權(quán)平方和為最小值時(shí)，[f（x）]即為樣本數(shù)據(jù)（[xi]，[yi]）的擬合曲線，其殘差加權(quán)平方和可寫(xiě)為：

通過(guò)對(duì)式（2）中[a0，a1，a2，…，an]求偏導(dǎo)，令其偏導(dǎo)為0，此時(shí)式（2）殘差加權(quán)平方和即為最小值，得到方程組：

4） 解方程組（3）得到多項(xiàng)式系數(shù)[a0，a1，a2，…，an]，即可求得最小二乘法擬合方程[f（x）]，將這個(gè)擬合方程固定到程序設(shè)計(jì)中，便可利用該方程式實(shí)現(xiàn)對(duì)售飯機(jī)的稱量值進(jìn)行校正。

圖7為實(shí)驗(yàn)測(cè)試15組稱重?cái)?shù)據(jù)擬合前后實(shí)測(cè)重量與標(biāo)準(zhǔn)重量絕對(duì)誤差對(duì)比曲線。從圖中可以看出，經(jīng)過(guò)最小二乘法擬合后數(shù)據(jù)的絕對(duì)誤差曲線的波動(dòng)幅度整體明顯較小，稱重?cái)?shù)據(jù)更為貼近真實(shí)值，有助于提高售飯機(jī)稱重的精度。

5? 結(jié)? 語(yǔ)

本文提出并實(shí)現(xiàn)了一種基于ARM和WinCE 6.0平臺(tái)稱量銷(xiāo)售式自助售飯機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。該設(shè)計(jì)借助現(xiàn)有物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了售飯機(jī)自助式稱量售飯、刷卡及微信掃碼支付、上傳消費(fèi)數(shù)據(jù)到云服務(wù)器等功能，有效杜絕人情打飯，減少浪費(fèi)，方便后臺(tái)監(jiān)管人員遠(yuǎn)程訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行售飯信息的管理，降低了監(jiān)管人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。該方案為自助式售飯機(jī)系統(tǒng)進(jìn)一步的研究和設(shè)計(jì)做出了合理參考，具有一定的應(yīng)用和推廣價(jià)值。

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