基于移動終端的自助豆?jié){機設計

劉羅臻翰，張 城，陳 聰，朱湘萍，楊環(huán)俊，包本剛

（1.湖南科技學院 理學院，湖南 永州 425199；2.湖南科技學院 科技處，湖南 永州 425199）

0 引 言

隨著時代的高速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術在商業(yè)和城市中被廣泛應用[1]，人們在追求綠色、健康生活的同時也越來越追求便利化、智能化的生活方式。而豆?jié){是我國的傳統(tǒng)食品，因其富含蛋白質(zhì)、脂肪、氨基酸、礦物質(zhì)和維生素等人體所需的多種營養(yǎng)成分而被譽為“植物牛奶”[2]。豆?jié){機也因此走進了千家萬戶。然而[3-4]，還有些人因忙于工作沒有時間預定自己喜歡喝的豆?jié){，即便有時間預定卻沒有時間在商店等待。所以本文針對目前市場上存在的智能售賣、遠程控制等功能需求，設計了一款基于移動終端的自助豆?jié){機系統(tǒng)，可滿足用戶在預定時間內(nèi)，根據(jù)預選的風味智能選擇食材并打磨豆?jié){的需求。系統(tǒng)制作和運行成本較低，電機機械結構可靠，操作便捷方便，能夠實現(xiàn)制作、購買豆?jié){等功能，同時也與人們智能化、網(wǎng)絡化、便利化的生活方式契合。

1 系統(tǒng)總體設計

本系統(tǒng)主要由3部分組成：自助豆?jié){機子系統(tǒng)、服務器、用戶手機終端。服務器可收集和存儲各自助豆?jié){機的實時信息，并通過網(wǎng)絡上傳給用戶手機終端。用戶通過手機終端APP、小程序等在線查看自助豆?jié){機的實時狀態(tài)，并可向服務器發(fā)出指令；當服務器收到用戶指令后，自助豆?jié){機會根據(jù)用戶需求完成選材、制作豆?jié){等操作。然后，向終端用戶發(fā)送完成信息，提醒用戶取食，滿足人們實時、遠程、智能制作豆?jié){的需求。自助豆?jié){機原理如圖1所示。

圖1 自助豆?jié){機原理

2 自助豆?jié){機子系統(tǒng)硬件系統(tǒng)設計

豆?jié){機系統(tǒng)主要包括底座、殼體、保溫腔、全自動豆?jié){機、儲物模塊和電源模塊。底座內(nèi)部設有豆?jié){機所需的主控模塊、電源模塊、GPS定位模塊及無線通信模塊[5]。主控制模塊連接電源模塊，同時還與GPS模塊相互連接；電源模塊連接全自動豆?jié){機的電源接口。底座上部設有儲物模塊和保溫腔，儲物模塊包括儲杯箱、儲糖室、儲豆箱和儲水箱。儲豆箱箱底和儲水箱箱底分別連接有豆子輸送管道、水輸送管道等，均直達全自動豆?jié){機的原材料添加口。在保溫腔內(nèi)鑲嵌有可拆卸的若干個豆?jié){保溫箱和一個廢水箱；每個豆?jié){保溫箱和廢水箱的上表面均設置有與全自動出料口相配合的進料口，且豆?jié){保溫箱的側面均設置有感應式豆?jié){出口龍頭，廢水箱側面設置有廢水排出龍頭。同時，每個豆?jié){機的保溫箱和廢水箱中均設有水位傳感器，能夠監(jiān)控剩余水位的變化并及時通知主控模塊，控制豆?jié){機打磨豆?jié){或者通知工作人員清洗豆?jié){機。豆?jié){機結構如圖2所示。

圖2 豆?jié){機結構

2.1 自助豆?jié){機系統(tǒng)核心設計

本設計中利用STM32單片機作為MCU，搭載SIM868模塊，將STM32F103ZET6芯片作為服務器芯片。當電源模塊給系統(tǒng)供電后，SIM868模塊嘗試連接網(wǎng)絡，連接后通過用戶移動終端遠程對系統(tǒng)進行控制。系統(tǒng)接收到顧客的信息后，通過串口傳輸給MCU，MCU解析顧客信息并控制電磁閥添加相應的豆子，再控制水棒自動加入一定量的水，并利用重力傳感器測得一定時間后豆子和水完全加入豆?jié){機后，開始制作豆?jié){。隨后控制溫度傳感器，當溫度達到100 ℃時，豆?jié){制作完成，豆?jié){機停止工作，同時根據(jù)顧客需要將豆?jié){保存到保溫箱內(nèi)，接著通過串口給SIM868傳輸信息。SIM868接收到信息后，通過服務器給用戶的移動終端發(fā)送信息，提醒用戶取走豆?jié){等。在豆?jié){機溫度冷卻，并確保全部豆?jié){轉移到保溫箱后自動清洗豆?jié){機。STM32主芯片、串口電平轉換電路及SIM868模塊電路如圖3、圖4、圖5所示。

圖3 STM32主芯片

圖4 串口電平轉換電路

圖5 SIM868模塊電路

2.2 電源模塊設計

電源模塊包括一級電壓轉換單元、二級電壓轉換單元、三級電壓轉換單元和四級電壓轉換單元。其中，一級電壓轉換單元為AC/DC轉換器；二級電壓轉換單元包括降壓電路、充電保護電路和電源切換電路；三級電壓轉換單元和四級電壓轉換單元均為低壓差線性穩(wěn)壓器。二級電壓轉換單元中降壓電路和充電保護電路均與一級電壓轉換單元、三級電壓轉換單元連接；三級電壓轉換單元與主控模塊連接；四級電壓轉換單元與全自動豆?jié){機連接，同時通過一級電壓轉換單元與城市電源連接。電源模塊能夠為全自動豆?jié){機和主控模塊分開供電，避免因其所需電壓不同而造成電壓供應不準的問題。

3 軟件設計

本設計注重用戶的情感體驗、產(chǎn)品的易操作性、可修改性、可嵌入性。根據(jù)用戶操作習慣的不同，提供便捷的APP、小程序和移動Web等支持，使用混合開發(fā)方式降低開發(fā)成本。系統(tǒng)提供具有可擴展能力的客戶端APP，以支持其他產(chǎn)品接入或附加到其他成熟的平臺。軟件采用三層架構模型，分別是界面層、業(yè)務邏輯層和數(shù)據(jù)訪問層[6]。該軟件包含預定豆?jié){、制定營養(yǎng)計劃、支付功能、消費提醒和導航功能等。軟件設計功能如圖6所示。

圖6 軟件設計功能

3.1 查找和導航模塊設計

服務器收到手機終端的用戶豆?jié){機查詢請求后，訪問數(shù)據(jù)庫查看實時信息。若用戶附近有已知豆?jié){機，服務器便會將這一信息反饋給客戶端，顧客即可從手機中得知豆?jié){機的位置、豆?jié){有無存量、價格等信息。用戶完成支付后，服務器提供給用戶具體的豆?jié){機位置信息并進行導航，提醒用戶前往取食。系統(tǒng)會通過豆?jié){機內(nèi)部的GPS模塊為對講機定位，并通過服務器將位置信息傳遞給用戶移動終端，通過百度地圖顯示豆?jié){機的具體位置。目前，百度地圖已經(jīng)開放，可以為本設計提供多種編程語言、多種平臺，只要按照其提供的API接口規(guī)范構造一條標準URL，即可在移動開發(fā)應用與小程序或瀏覽器中調(diào)用百度地圖產(chǎn)品，快速實現(xiàn)標注位置、分享店鋪、周邊檢索、線路查詢和行駛導航等功能[7]。本設計只需將豆?jié){機的分布信息與已有API對接即可實現(xiàn)導航功能。設計流程如圖7所示。

圖7 設計流程

3.2 查詢與在線支付模塊設計

隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及和數(shù)字技術的廣泛應用，移動支付逐漸占據(jù)了市場，改變了人們的消費習慣、消費內(nèi)容、消費模式，甚至消費理念[8]。為在便利用戶的同時節(jié)省開發(fā)成本，本設計選擇微信支付和支付寶支付作為主要的支付方式。當系統(tǒng)服務商對接后，可以覆蓋線上、線下的支付場景。使用開放平臺提供的接口即可完成對接，快速實現(xiàn)安全便捷的支付。當用戶選擇豆?jié){機查詢時，這一請求會上傳至服務器，服務器訪問數(shù)據(jù)庫。若附近存在豆?jié){機，服務器會將豆?jié){機的信息傳遞給用戶，顧客可從手機中得知豆?jié){的有無以及價格等信息，隨后顯示支付信息。用戶完成支付后，服務器會將信息傳遞給豆?jié){機，豆?jié){機開始工作制作豆?jié){。當豆?jié){機制作完成后，會通過服務器提醒用戶取餐并顯示豆?jié){機的位置，提供導航服務。查詢與在線支付功能模塊流程如圖8所示。

圖8 查詢與在線支付功能模塊流程

4 服務器設計

自助豆?jié){機服務器采用STM32F103ZET6芯片，該芯片是基于ARM Cortex-M3核心的32位微控制器。芯片內(nèi)部集成USB外設，降低了開發(fā)成本，同時提高了設備通信的穩(wěn)定性[9]。通信模塊采用SIM868主模塊，通過4G網(wǎng)絡或WiFi局域網(wǎng)進行數(shù)據(jù)交互。當STM32芯片采集數(shù)據(jù)后會通過串口向SIM868發(fā)出指令，接著通過TCP協(xié)議與APP通信。

5 網(wǎng)絡傳輸設計

用戶移動終端、服務器和豆?jié){機子機之間的通信可以通過多種連接方式進行。本設計可以把豆?jié){機子機傳感器信息、運行狀態(tài)、儲備狀態(tài)及銷售狀態(tài)等通過SIM868傳輸給用戶，實現(xiàn)集中化管理。同時接入地圖系統(tǒng)和支付系統(tǒng)，將用戶使用的豆?jié){機操作結果反饋給豆?jié){機，控制豆?jié){機工作。用戶移動終端將Socket技術和HTTP協(xié)議相結合，以實現(xiàn)實時推送、按時更新等功能，為互聯(lián)網(wǎng)用戶提供便捷服務[10]。網(wǎng)絡傳輸模塊如圖9所示。

圖9 網(wǎng)絡傳輸模塊

6 系統(tǒng)測試

本設計目前處于實驗室試驗階段，已制作出手機APP界面，可以顯示用戶當前的位置信息。當用戶點擊“點單”選項后，APP會根據(jù)用戶當前所在位置提供最近的豆?jié){機信息，接著用戶可以根據(jù)豆?jié){機的信息進行選擇，挑選適合自己口味的豆?jié){，控制豆?jié){機制作。制作完成后，豆?jié){機通過手機提醒用戶取餐。同時，服務器會收集各豆?jié){機的經(jīng)緯度信息并通過TCP協(xié)議傳輸至用戶手機，同時選擇性提供導航功能。經(jīng)過多次測試，手機APP操作簡單，情感體驗良好，反應靈活，暫未出現(xiàn)異常實驗現(xiàn)象。手機APP界面設計以及服務器經(jīng)緯度數(shù)據(jù)如圖10、圖11所示。

圖10 服務器經(jīng)緯度數(shù)據(jù)

圖11 手機APP界面設計

7 結 語

本設計采用了性能強大的STM32芯片和SIM868模塊，設計了一款基于移動終端的自助豆?jié){機系統(tǒng)。實現(xiàn)了遠程操控，減少了用戶的等待時間，并滿足了用戶對豆?jié){不同口味的需求。經(jīng)試驗，豆?jié){機各項指標均達到了預期設計要求。