基于STM32的新型自動(dòng)販賣機(jī)設(shè)計(jì)

王子玉，白博文，陳佳星，王玉林

（遼寧工程技術(shù)大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，遼寧葫蘆島，125100）

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等無(wú)人化技術(shù)日趨成熟，無(wú)人零售概念也逐漸被大眾熟知，帶動(dòng)大量資本和企業(yè)的發(fā)展。自動(dòng)售貨機(jī)作為其中重要業(yè)態(tài)之一，具有銷售方式新、市場(chǎng)潛力大等優(yōu)點(diǎn)[1]。但隨著人們生活水平提高，越來(lái)越多商品琳瑯滿目，一定程度上增加了消費(fèi)者對(duì)商品選擇的難度。針對(duì)這一情況，本設(shè)計(jì)添加了智能推薦模塊，結(jié)合消費(fèi)者購(gòu)買習(xí)慣、健康指南，進(jìn)行智能化的商品推薦。對(duì)于一些場(chǎng)景有著十分重要的意義，幫助消費(fèi)者更加快捷地完成購(gòu)買，具有不可替代的實(shí)際作用。

1 整體方案設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)選擇STM32 為主控，制作了一款能夠便捷購(gòu)物的自動(dòng)販賣機(jī)，主要包括了三個(gè)主要功能：商品選擇、貨幣識(shí)別和商品輸出。

為更貼近于消費(fèi)者日常生活習(xí)慣，增加了移動(dòng)支付的功能。消費(fèi)者在移動(dòng)設(shè)備上下單后，此信號(hào)通過(guò)Wi-Fi 模塊傳送給單片機(jī)控制直流電機(jī)進(jìn)行商品輸出。針對(duì)現(xiàn)代消費(fèi)者選擇困難的問(wèn)題，該設(shè)計(jì)拓展了智能化推薦功能，結(jié)合商品自身屬性和銷售情況進(jìn)行推薦，很大程度上緩解選擇焦慮，具體方案流程圖如圖1 所示。

圖1 方案流程圖

2 基礎(chǔ)電路

2.1 商品選擇設(shè)計(jì)

考慮到按鍵在商品選擇功能的不適性，該系統(tǒng)采用LCD觸摸屏代替按鍵完成商品選擇的功能。LCD 觸摸屏可以提供更直觀、靈活、交互性強(qiáng)的用戶界面，提升購(gòu)物體驗(yàn)，同時(shí)也方便運(yùn)營(yíng)商進(jìn)行定制和更新，滿足不斷變化的市場(chǎng)需求。它通過(guò)在液晶顯示屏表面添加一層透明導(dǎo)電薄膜，實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶觸摸操作的感應(yīng)和響應(yīng)[2]。

該設(shè)計(jì)采用ZJY180S0800TG01，它是一款128×160 點(diǎn)矩陣TFT(Thin-Film Transistor)液晶顯示模塊。TFT 面板由384 個(gè)源極和160 個(gè)柵極組成。LCM(Liquid Crystal Module)可通過(guò)微控制器輕松訪問(wèn)，和單片機(jī)適應(yīng)性高，完全滿足設(shè)計(jì)需要，LCD 觸摸屏電路如圖2 所示。

圖2 LCD 觸摸屏電路

2.2 貨幣識(shí)別設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)采用了高頻反射式電磁傳感器、低頻透射式電磁傳感器和激光傳感器進(jìn)行對(duì)硬幣的辨識(shí)，分別針對(duì)硬幣的材質(zhì)、厚度和直徑進(jìn)行判別，只有完全達(dá)到了三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，才可識(shí)別出硬幣的金額。具體貨幣識(shí)別設(shè)計(jì)流程圖如圖3 所示。

圖3 貨幣識(shí)別流程圖

（1）高頻反射式電磁傳感器

金屬硬幣經(jīng)過(guò)高頻反射式電磁傳感器時(shí)，金屬硬幣的表面會(huì)由于集膚效應(yīng)產(chǎn)生渦流。相對(duì)地，這個(gè)渦流產(chǎn)生磁場(chǎng)反作用于線圈L，將會(huì)引起線圈自感和阻抗的變化，該變化與硬幣的材質(zhì)、磁導(dǎo)率等都有關(guān)系[3]。投入硬幣的方式一定，此時(shí)只與硬幣的材質(zhì)有關(guān)系，因此記錄下金屬硬幣對(duì)應(yīng)的數(shù)值變化，便實(shí)現(xiàn)了硬幣材質(zhì)的檢測(cè)，以防假幣泛濫。

（2）低頻透射式電磁傳感器

金屬硬幣經(jīng)過(guò)低頻透射式電磁傳感器時(shí)，會(huì)受到低頻電壓E1 在L1 上產(chǎn)生的磁場(chǎng)影響而產(chǎn)生渦流[3]。此時(shí)的材質(zhì)已經(jīng)確定，即金屬硬幣的電阻率一定，不同厚度金屬硬幣產(chǎn)生的渦流將會(huì)不同，記錄不同數(shù)值對(duì)應(yīng)的金屬硬幣厚度，自此便實(shí)現(xiàn)了金屬硬幣厚度的測(cè)量。

（3）激光傳感器

激光傳感器是利用激光技術(shù)進(jìn)行測(cè)量的傳感器。它的主要組成部分由激光器、激光檢測(cè)器和測(cè)量電路組成，它被稱為新型的測(cè)量?jī)x表[4]。金屬硬幣投入機(jī)器后，會(huì)受到激光二極管的照射，此時(shí)在接收端會(huì)接收到一個(gè)金屬硬幣直徑的陰影，這個(gè)數(shù)值便是金屬硬幣的直徑。

自此，整體的貨幣識(shí)別功能完成，即能夠分辨出投入硬幣的材質(zhì)，厚度和直徑，進(jìn)而確定硬幣的金額—一角、五角和一元。若投入金屬硬幣符合三個(gè)條件的情況下，金額將會(huì)存入單片機(jī)存儲(chǔ)器，完成下一步的找零判斷，否則該設(shè)計(jì)會(huì)自動(dòng)吐出此硬幣。

2.3 找零判斷設(shè)計(jì)

在單片機(jī)內(nèi)部預(yù)存了商品對(duì)應(yīng)的金額，此時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比判斷即可，將識(shí)別到貨幣金額與所選購(gòu)的商品金額比對(duì)。若低于商品金額將不輸出商品，屏幕將提示繼續(xù)投幣；若等于商品金額將輸出商品，無(wú)其他操作；若大于商品金額將輸出商品，并且將多余的硬幣吐出。實(shí)現(xiàn)這三種情況便將完成了找零判斷功能。

2.4 商品輸出設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)采用HS-F04 直流電機(jī)模塊實(shí)現(xiàn)商品輸出功能，該模塊具有兩個(gè)TTL/CMOS 兼容輸入端子，兩個(gè)輸出端子可以直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)。當(dāng)單片機(jī)接收到相應(yīng)商品輸出信息時(shí)，將會(huì)控制此模塊工作，將對(duì)應(yīng)的商品輸出。電機(jī)將會(huì)把商品推出貨物槽，進(jìn)入到待取凹槽，自此商品輸出功能完成，消費(fèi)者便可把商品取出。直流電機(jī)電路圖如圖4 所示。

圖4 直流電機(jī)電路圖

圖5 移動(dòng)支付工作流程圖

3 拓展功能

3.1 移動(dòng)支付設(shè)計(jì)

進(jìn)入信息爆炸時(shí)代，移動(dòng)設(shè)備無(wú)處不見(jiàn)，手機(jī)支付成為主流。為此，該系統(tǒng)裝備了移動(dòng)支付功能，滿足和方便更多消費(fèi)者。在移動(dòng)支付功能設(shè)計(jì)中，利用了ESP-8266Wi-Fi模塊進(jìn)行與單片機(jī)的信息傳遞。該模塊在遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控終端與數(shù)據(jù)傳輸端進(jìn)行交互時(shí)有著極其重要的作用。且該模塊價(jià)格低、穩(wěn)定性高、串口速率可達(dá) 4Mbps，可支持 STA、AP以及 AP 和 STA 共存的多種工作模式[5]，有著十分完備且靈活的屬性。在本系統(tǒng)中，從以上的工作模式中選擇 STA 模式作為Wi-Fi 模塊的工作模式，完成訂單信息與Wi-Fi 模塊的數(shù)據(jù)通信。消費(fèi)者先掃描機(jī)器上的二維碼，在手機(jī)上進(jìn)行自助下單，Wi-Fi 模塊將接收到訂單信息。Wi-Fi 通訊模塊與單片機(jī)利用串口進(jìn)行連接，自此便利用串口將獲取到的信息傳遞到單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)行指定貨物的輸出即可。

3.2 商品智能化推薦

相對(duì)于傳統(tǒng)的無(wú)智能推薦功能的自動(dòng)販賣機(jī)，具備智能推薦功能的自動(dòng)販賣機(jī)在提供個(gè)性化購(gòu)物體驗(yàn)、增加銷售額、進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和預(yù)測(cè)、開(kāi)展?fàn)I銷和促銷活動(dòng)以及提高用戶體驗(yàn)等方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)。隨著時(shí)間的推移，數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)量增加，導(dǎo)致算法對(duì)不同數(shù)據(jù)的適應(yīng)性不同。因此，該設(shè)計(jì)采用多種智能算法相互比較，對(duì)各個(gè)算法進(jìn)行賦權(quán)，最終輸出最佳推薦結(jié)果。這種方法提高了模型整體的適應(yīng)性，能更好地提供推薦結(jié)果。主要流程如圖6 所示。

圖6 加權(quán)新算法流程圖

（1）參數(shù)準(zhǔn)備

系統(tǒng)初始化時(shí)，由管理員手動(dòng)導(dǎo)入初始數(shù)據(jù)，隨后每次顧客通過(guò)自動(dòng)販賣機(jī)購(gòu)買商品后，系統(tǒng)將自動(dòng)存儲(chǔ)該次購(gòu)買信息，并將其導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)中，作為模型的訓(xùn)練數(shù)據(jù)。此外，為了提高顧客體驗(yàn)，顧客可以自行選擇所需商品的屬性，例如商品種類、商品價(jià)格等。然后，這些選擇將用于對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步篩選，并作為模型的輸入?yún)?shù)。

（2）智能算法選取

隨機(jī)森林是一種集成學(xué)習(xí)算法，它通過(guò)構(gòu)建多個(gè)決策樹(shù)模型并采用投票或平均的方式進(jìn)行預(yù)測(cè)[6]。相對(duì)于傳統(tǒng)的決策樹(shù)算法，隨機(jī)森林在處理高維數(shù)據(jù)等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。但該算法對(duì)輸入?yún)?shù)的要求較苛刻，如決策樹(shù)數(shù)量等。在不同的數(shù)據(jù)集和問(wèn)題，參數(shù)的選擇可能會(huì)有所不同，因此需要進(jìn)行一定的實(shí)驗(yàn)和調(diào)優(yōu)，增加了算法的復(fù)雜性。

Adaboost(Adaptive Boosting)是一種集成學(xué)習(xí)算法，其通過(guò)串行訓(xùn)練一系列弱分類器，并根據(jù)每個(gè)分類器的表現(xiàn)調(diào)整樣本權(quán)重，最終將這些弱分類器組合成一個(gè)強(qiáng)分類器[7]。Adaboost 具有較好的泛化能力，能夠有效地避免過(guò)擬合問(wèn)題。然而，Adaboost 算法對(duì)噪聲和異常值比較敏感，使得容易被錯(cuò)誤分類的樣本在后續(xù)的迭代中得到更多地關(guān)注。

GBDT(Gradient Boosting Decision Tree)是一種集成學(xué)習(xí)算法，它通過(guò)迭代的方式構(gòu)建多個(gè)決策樹(shù)模型，并通過(guò)梯度下降的方法逐步優(yōu)化模型的預(yù)測(cè)能力[8]。GBDT 相較于隨機(jī)森林算法在預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性方面具有優(yōu)勢(shì)。然而，GBDT 算法的訓(xùn)練過(guò)程相對(duì)較慢，需要較多的計(jì)算資源和時(shí)間。

BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，全稱為反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，是一種有監(jiān)督，并可以用于解決預(yù)測(cè)分析等問(wèn)題的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型[9]。該算法具有很強(qiáng)的學(xué)習(xí)能力，但是訓(xùn)練過(guò)程依賴于梯度下降算法 ，極其容易陷入局部最優(yōu)解。

（3）加權(quán)新算法

盡管所選擇的四種智能算法本身功能強(qiáng)大，但它們或多或少都存在不同的限制條件，這些條件可能會(huì)影響算法的效果。該設(shè)計(jì)通過(guò)綜合考慮不同算法的預(yù)測(cè)誤差、訓(xùn)練得分，為每個(gè)基算法分配權(quán)重，并剔除效果較差的算法。最終，綜合考慮剩余算法的權(quán)重輸出，得到最終的商品推薦結(jié)果。通過(guò)該方法，可以有效地弱化各個(gè)基算法存在的限制條件，更好地應(yīng)對(duì)模型在進(jìn)行商品推薦時(shí)的實(shí)際情況，從而提升用戶體驗(yàn)。

4 測(cè)試結(jié)果

本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基本的消費(fèi)者自助購(gòu)買功能，利用LCD屏幕進(jìn)行挑選，投幣進(jìn)行購(gòu)買，一切功能正常。設(shè)計(jì)的移動(dòng)支付模塊也正常工作，消費(fèi)者在手機(jī)上自助下單，訂單信息將會(huì)傳送到單片機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)購(gòu)買。本設(shè)計(jì)根據(jù)購(gòu)買情況與健康指南進(jìn)行智能化推薦，利用此算法分別對(duì)商品進(jìn)行模擬推薦，對(duì)比其他算法具體結(jié)果如圖7 ～圖9 所示。

圖7 兩種商品推薦效果對(duì)比圖

圖8 十種商品推薦效果對(duì)比圖

圖9 二十九種商品推薦效果對(duì)比圖

由圖可見(jiàn)，加權(quán)新算法在處理多種商品進(jìn)行推薦的情況下效果最好。除此之外，依據(jù)每天各時(shí)間段購(gòu)買情況和季節(jié)的差別，算法將結(jié)合多種因素持續(xù)優(yōu)化，不斷推出更加優(yōu)化的推薦選項(xiàng)供給選擇。

5 結(jié)束語(yǔ)

該設(shè)計(jì)完成了對(duì)商品購(gòu)買的基礎(chǔ)功能，幫助消費(fèi)者更加快捷地自助購(gòu)買。此外，該設(shè)計(jì)裝配Wi-Fi 模塊實(shí)現(xiàn)訂單信息的傳遞，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)移動(dòng)支付功能。相較于傳統(tǒng)自動(dòng)販賣機(jī)，該設(shè)計(jì)增加了智能推薦功能，極大程度地解決了傳統(tǒng)自動(dòng)販賣機(jī)給消費(fèi)者帶來(lái)的選擇困難的難題。后期完善此設(shè)計(jì)，投入市場(chǎng)可以幫助更多人便捷購(gòu)買和“買有所值”。