壽司制售一體機(jī)及其后臺(tái)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張澤光，羌予踐，華 亮

（南通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，江蘇南通 226000）

0 引言

自動(dòng)售貨機(jī)因其方便快捷的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于人們的生活中。近年來，關(guān)于制售一體機(jī)方面的設(shè)計(jì)層出不窮。張操等提出了2種制售一體機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制方案，但所售食品種類有限[1-2]。梅文娟等[3]設(shè)計(jì)了一種生鮮食品包裝機(jī)。周波等[4]設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)貼標(biāo)封箱機(jī)。在食品對(duì)顧客健康狀況影響的研究上，GONG等[5]指出糖尿病的嚴(yán)重性以及控制飲食對(duì)糖尿病的影響。通過查閱文獻(xiàn)[6-8]可知，目前售貨機(jī)所銷售的商品種類大多為冷食食品，鮮有用于制作熟食的售貨機(jī)方面的研究，也沒有根據(jù)顧客健康狀況進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)配餐的先例。對(duì)于售貨機(jī)后臺(tái)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，王曉等設(shè)計(jì)了具有信息采集功能的后臺(tái)管理系統(tǒng)[9-10]，劉羽嘉等[11]基于線性 SVM（Support Vector Machine，支持向量機(jī)）學(xué)習(xí)算法的 RFID檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)無人民宿系統(tǒng)進(jìn)行人員檢測(cè)。對(duì)于自動(dòng)售貨機(jī)的后臺(tái)管理系統(tǒng)，未曾在檢測(cè)系統(tǒng)中加入SVM，也不具備鑒定制作情況的功能。

針對(duì)以上現(xiàn)狀，本文提出了一種壽司制售一體機(jī)及其后臺(tái)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)壽司從原材料加工到成品售賣的全自動(dòng)化操作，設(shè)有標(biāo)準(zhǔn)配餐和營(yíng)養(yǎng)配餐2種方式，可滿足不同健康狀況的顧客對(duì)壽司的需求，并且搭配具有識(shí)別壽司制作情況功能的后臺(tái)管理系統(tǒng)，減少商客發(fā)生矛盾的幾率。

1 總體方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

研究的一體機(jī)系統(tǒng)主要包括壽司的制作、出售和管理3部分，主控制器選擇PLC，通信方式采用CC-Link，具體包括1個(gè)主站和2個(gè)從站。其中，從站1PLC負(fù)責(zé)顧客的指紋信息識(shí)別、交易操作和壽司的自動(dòng)制作；從站2PLC負(fù)責(zé)控制相機(jī)拍攝制作完成的壽司并接收壽司的識(shí)別情況；主站PLC負(fù)責(zé)溫濕度檢測(cè)、加熱、加濕、制冷、人機(jī)交互以及與上位機(jī)的通信，系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案Fig.1 Overall system design scheme

1.2 工作流程

具體的工作流程：首先對(duì)所有部件進(jìn)行初始化，之后根據(jù)顧客所選擇的配餐模式進(jìn)行后續(xù)操作。在營(yíng)養(yǎng)配餐模式下，顧客的指紋識(shí)別成功后，從站1PLC將對(duì)應(yīng)的姓名信息發(fā)送給主站PLC，然后主站PLC將姓名信息通過4G網(wǎng)絡(luò)模塊發(fā)送給后臺(tái)管理系統(tǒng)，后臺(tái)管理系統(tǒng)在數(shù)據(jù)庫(kù)中查詢對(duì)應(yīng)的配餐建議并返回給主站PLC，觸摸屏顯示對(duì)應(yīng)的配餐建議，顧客根據(jù)配餐建議選擇對(duì)應(yīng)的壽司套餐類型后進(jìn)行付款操作，在付款成功后從站1PLC驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，開始制作相應(yīng)的壽司。壽司制作完成后，NI設(shè)備控制相機(jī)對(duì)一體機(jī)取物處進(jìn)行拍照，對(duì)照片中的壽司分類識(shí)別后得到壽司的制作情況并通過串口發(fā)送給從站2PLC，從站2PLC將制作情況信息發(fā)送給主站PLC，最后主站PLC將各食材余量、溫濕度值、營(yíng)業(yè)額、姓名信息和壽司制作情況等信息通過4G網(wǎng)絡(luò)模塊發(fā)送給后臺(tái)管理系統(tǒng)。壽司制售一體機(jī)的工作流程如圖2所示。

圖2 工作流程圖Fig.2 Work flow chart

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 總體機(jī)械結(jié)構(gòu)

如圖3所示，整體機(jī)械結(jié)構(gòu)將壽司的制作過程分步實(shí)現(xiàn)，各個(gè)裝置之間相互配合，結(jié)構(gòu)緊湊，空間利用率高。圖4為箱體內(nèi)部裝置，其中海苔投放裝置包括海苔存放筒和切割刀，米飯?zhí)砑友b置包括推板、隔板和米飯存放箱，壽司卷合裝置包括塑形框和卷合筒。

圖3 整體機(jī)械結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Overall mechanical structure diagram

圖4 箱體內(nèi)部裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of part of the device in the box

壽司制售一體機(jī)的內(nèi)部裝置初始狀態(tài)如圖4所示，PLC依次驅(qū)動(dòng)各功能模塊的電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，完成壽司制作的海苔投放、米飯?zhí)砑雍蛪鬯揪砗喜僮鳌?/p>

海苔投放裝置、米飯?zhí)砑友b置和壽司卷合裝置主要特點(diǎn)：

（1）采用筒式結(jié)構(gòu)存放海苔片，通過旋轉(zhuǎn)電機(jī)配合切割刀實(shí)現(xiàn)海苔片的重復(fù)投放，既可保證海苔片的定量投放，又保證海苔片的清潔衛(wèi)生。

（2）采用帶塑性框的壽司卷合裝置，保證卷合筒可重復(fù)進(jìn)行卷合和展開操作，并且卷合后的壽司形狀美觀。

2.2 米飯?zhí)砑友b置結(jié)構(gòu)

在壽司制售一體機(jī)的箱體內(nèi)表面安裝真空絕熱板，當(dāng)沒有顧客選購(gòu)壽司時(shí)，主站PLC控制制冷器工作將箱內(nèi)溫度維持在5 ℃，保持食材的新鮮度。為了保證顧客的健康和食用口感，在制作壽司前需要對(duì)米飯存放箱中的米飯進(jìn)行適度的加熱和加濕，同時(shí)對(duì)米飯進(jìn)行攪拌，防止米飯結(jié)塊。圖5為米飯?zhí)砑友b置結(jié)構(gòu)圖，加熱板安裝在米飯存放箱內(nèi)表面，加濕器安裝在米飯存放箱中間空心圓柱體中，攪拌桿通過軸承安裝在旋轉(zhuǎn)電機(jī)輸出軸上。

圖5 米飯?zhí)砑友b置結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure diagram of rice adding device

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 電控系統(tǒng)

由于4G網(wǎng)絡(luò)模塊、STM32和NI設(shè)備均需要采用RS485進(jìn)行通信，因此采用3臺(tái)三菱公司的PLC搭建壽司制售一體機(jī)的電控系統(tǒng)，主站PLC通過RS422與GS2110-WTBD連接，通過FX3U-485BD與USR-G780連接，通過擴(kuò)展模塊FX2N-4AD-PT與PT100連接，輸出點(diǎn)連接加熱器、加濕器和制冷器；從站1PLC通過FX3U-485BD與STM32連接，輸入點(diǎn)接多個(gè)檢測(cè)開關(guān)，輸出點(diǎn)接步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)、直線推桿電機(jī)和蜂鳴器等操作裝置，STM32連接紙、硬幣器和ATKAS608；從站2PLC通過FX3U-485BD與NI設(shè)備連接，NI設(shè)備連接相機(jī)；從站1PLC和從站2PLC所接的FX2N-16CCL通訊模塊分別與主站PLC所接的FX2N-16CCL-M通訊模塊通過CC-Link總線連接。

3.2 圖像識(shí)別系統(tǒng)

圖像識(shí)別系統(tǒng)的相機(jī)安裝在壽司制售一體機(jī)的取物處，通過LabVIEW程序控制相機(jī)拍攝照片，之后使用SVM算法，對(duì)所存儲(chǔ)的照片進(jìn)行識(shí)別分類，鑒定壽司的制作情況。壽司的制作包括制作成功、米飯缺失、輔食缺失3種制作情況。

對(duì)壽司制作情況識(shí)別的具體步驟：（1）分別選取10張3種制作情況的圖片；（2）將樣本圖片像素縮小至[256 256]；（3）對(duì)照片進(jìn)行灰度轉(zhuǎn)化，根據(jù)閾值將圖片二值化；（4）提取每張圖片的 GLCM（Gray-level co-occurrence matrix，灰度共生矩陣）特征；（5）將制作情況和特征作為訓(xùn)練集導(dǎo)入SVM模型進(jìn)行訓(xùn)練，生成SVM分類器。

假設(shè)訓(xùn)練集表示為{(xi, yi)}，其中xi表示特征，yi表示標(biāo)簽，i=1，2，…，N。SVM 模型建立的具體步驟：

（1）選擇合適的懲罰參數(shù)C，建立如下公式：

式中，α表示單個(gè)最優(yōu)解，根據(jù)上式求得最優(yōu)解α*=[α1*，α2*，…，αN*]T；

（2）分別計(jì)算分離超平面的法向量以及超平面與原點(diǎn)之間的距離，計(jì)算公式：

其中 wi*（i=1，2，…，N）的計(jì)算公式：

提取最優(yōu)解α*中滿足0＜α*＜C的分量，計(jì)算bk*，公式如下：

（3）得到分離超平面w*x+b*=0以及對(duì)應(yīng)的分類決策函數(shù) f（x）=sign（w*x+b*）。

對(duì)3種不同制作情況各取1張照片進(jìn)行如上操作，對(duì)圖像進(jìn)行降噪和灰度化處理后，對(duì)灰度圖像采用最大類間方差法確定閾值，根據(jù)閾值將圖像二值化，提取圖片的GLCM特征。圖6所示為圖片的 GLCM 特征信息，循環(huán)計(jì)算 0°、45°、90°和135°方向的灰度共生矩陣，保證不丟失圖片的紋理特征。

圖6 圖片中的GLCM特征信息Fig.6 GLCM feature information in the picture

對(duì)3種制作情況各另取5張照片，對(duì)每張圖片進(jìn)行制作情況預(yù)測(cè)，結(jié)合實(shí)際制作情況生成如表1所示的混淆矩陣，此SVM分類器具有較好的分類效果。

表1 SVM的實(shí)際識(shí)別情況Tab.1 Actual recognition of SVM

3.3 后臺(tái)管理系統(tǒng)

后臺(tái)管理系統(tǒng)設(shè)置于阿里云服務(wù)器，包括基于C#語言的上位機(jī)和數(shù)據(jù)庫(kù)SQL Sever。其中，上位機(jī)負(fù)責(zé)接收主站發(fā)送的設(shè)備信息，以自定義的數(shù)據(jù)協(xié)議解析后將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)中，表2為主站與后臺(tái)管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)協(xié)議。

表2 主站與后臺(tái)管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)協(xié)議Tab.2 Data protocol between master station and background management system

在上位機(jī)的顧客健康信息界面，可以對(duì)顧客的健康信息進(jìn)行增刪改查操作。顧客的健康信息包括空腹血糖值和過敏物，以及根據(jù)其健康信息給出對(duì)應(yīng)的配餐建議等信息。

壽司制售一體機(jī)中的食材有米飯、海苔片、黃瓜、肉松、鱈魚、三文魚、魚子醬、沙拉醬和番茄醬，米飯、肉松、魚子醬、沙拉醬和番茄醬為糖分含量較高的食材，海苔、黃瓜、鱈魚和三文魚為高蛋白低糖分食材。給出配餐建議前先檢查顧客的過敏物，若過敏物為米飯和海苔片等必要食材，提示無法制作壽司，否則根據(jù)顧客的血糖信息進(jìn)行配餐。根據(jù)FPG和健康狀況的關(guān)系[12]，具體的配餐建議如下：（1）FPG 小于 6.1 mmol/L，配餐建議為所有種類的壽司均可食用；（2）FPG 處于 6.1～7.0 mmol/L，配餐建議為鱈魚壽司和三文魚壽司，少量的米飯和醬料；（3）FPG 大于 7.0 mmol/L，配餐建議為鱈魚壽司和三文魚壽司，少量的米飯無醬料。

4 結(jié)語

壽司制售一體機(jī)及其后臺(tái)管理系統(tǒng)完成了機(jī)械本體結(jié)構(gòu)和電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，集成PLC、CCLink總線和多電機(jī)協(xié)同等關(guān)鍵技術(shù)，加入營(yíng)養(yǎng)配餐模式，針對(duì)顧客的健康狀況給出不同的配餐建議，同時(shí)具有識(shí)別壽司制作情況的功能。經(jīng)研究分析，整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理，所識(shí)別的壽司制作情況全面且準(zhǔn)確性高，可以進(jìn)行大量的推廣，具有很高的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。