寿司制售一体机及其后台管理系统的设计

张泽光，羌予践，华 亮

（南通大学 电气工程学院，江苏南通 226000）

0 引言

自动售货机因其方便快捷的特点，被广泛应用于人们的生活中。近年来，关于制售一体机方面的设计层出不穷。张操等提出了2种制售一体机的机械结构和控制方案，但所售食品种类有限[1-2]。梅文娟等[3]设计了一种生鲜食品包装机。周波等[4]设计了一种自动贴标封箱机。在食品对顾客健康状况影响的研究上，GONG等[5]指出糖尿病的严重性以及控制饮食对糖尿病的影响。通过查阅文献[6-8]可知，目前售货机所销售的商品种类大多为冷食食品，鲜有用于制作熟食的售货机方面的研究，也没有根据顾客健康状况进行营养配餐的先例。对于售货机后台管理系统的设计，王晓等设计了具有信息采集功能的后台管理系统[9-10]，刘羽嘉等[11]基于线性 SVM（Support Vector Machine，支持向量机）学习算法的 RFID检测系统对无人民宿系统进行人员检测。对于自动售货机的后台管理系统，未曾在检测系统中加入SVM，也不具备鉴定制作情况的功能。

针对以上现状，本文提出了一种寿司制售一体机及其后台管理系统，实现寿司从原材料加工到成品售卖的全自动化操作，设有标准配餐和营养配餐2种方式，可满足不同健康状况的顾客对寿司的需求，并且搭配具有识别寿司制作情况功能的后台管理系统，减少商客发生矛盾的几率。

1 总体方案设计

1.1 系统结构

研究的一体机系统主要包括寿司的制作、出售和管理3部分，主控制器选择PLC，通信方式采用CC-Link，具体包括1个主站和2个从站。其中，从站1PLC负责顾客的指纹信息识别、交易操作和寿司的自动制作；从站2PLC负责控制相机拍摄制作完成的寿司并接收寿司的识别情况；主站PLC负责温湿度检测、加热、加湿、制冷、人机交互以及与上位机的通信，系统总体设计方案如图1所示。

图1 系统总体设计方案Fig.1 Overall system design scheme

1.2 工作流程

具体的工作流程：首先对所有部件进行初始化，之后根据顾客所选择的配餐模式进行后续操作。在营养配餐模式下，顾客的指纹识别成功后，从站1PLC将对应的姓名信息发送给主站PLC，然后主站PLC将姓名信息通过4G网络模块发送给后台管理系统，后台管理系统在数据库中查询对应的配餐建议并返回给主站PLC，触摸屏显示对应的配餐建议，顾客根据配餐建议选择对应的寿司套餐类型后进行付款操作，在付款成功后从站1PLC驱动电机运转，开始制作相应的寿司。寿司制作完成后，NI设备控制相机对一体机取物处进行拍照，对照片中的寿司分类识别后得到寿司的制作情况并通过串口发送给从站2PLC，从站2PLC将制作情况信息发送给主站PLC，最后主站PLC将各食材余量、温湿度值、营业额、姓名信息和寿司制作情况等信息通过4G网络模块发送给后台管理系统。寿司制售一体机的工作流程如图2所示。

图2 工作流程图Fig.2 Work flow chart

2 系统硬件设计

2.1 总体机械结构

如图3所示，整体机械结构将寿司的制作过程分步实现，各个装置之间相互配合，结构紧凑，空间利用率高。图4为箱体内部装置，其中海苔投放装置包括海苔存放筒和切割刀，米饭添加装置包括推板、隔板和米饭存放箱，寿司卷合装置包括塑形框和卷合筒。

图3 整体机械结构图Fig.3 Overall mechanical structure diagram

图4 箱体内部装置结构图Fig.4 Structure diagram of part of the device in the box

寿司制售一体机的内部装置初始状态如图4所示，PLC依次驱动各功能模块的电机运转，完成寿司制作的海苔投放、米饭添加和寿司卷合操作。

海苔投放装置、米饭添加装置和寿司卷合装置主要特点：

（1）采用筒式结构存放海苔片，通过旋转电机配合切割刀实现海苔片的重复投放，既可保证海苔片的定量投放，又保证海苔片的清洁卫生。

（2）采用带塑性框的寿司卷合装置，保证卷合筒可重复进行卷合和展开操作，并且卷合后的寿司形状美观。

2.2 米饭添加装置结构

在寿司制售一体机的箱体内表面安装真空绝热板，当没有顾客选购寿司时，主站PLC控制制冷器工作将箱内温度维持在5 ℃，保持食材的新鲜度。为了保证顾客的健康和食用口感，在制作寿司前需要对米饭存放箱中的米饭进行适度的加热和加湿，同时对米饭进行搅拌，防止米饭结块。图5为米饭添加装置结构图，加热板安装在米饭存放箱内表面，加湿器安装在米饭存放箱中间空心圆柱体中，搅拌杆通过轴承安装在旋转电机输出轴上。

图5 米饭添加装置结构图Fig.5 Structure diagram of rice adding device

3 系统软件设计

3.1 电控系统

由于4G网络模块、STM32和NI设备均需要采用RS485进行通信，因此采用3台三菱公司的PLC搭建寿司制售一体机的电控系统，主站PLC通过RS422与GS2110-WTBD连接，通过FX3U-485BD与USR-G780连接，通过扩展模块FX2N-4AD-PT与PT100连接，输出点连接加热器、加湿器和制冷器；从站1PLC通过FX3U-485BD与STM32连接，输入点接多个检测开关，输出点接步进电机驱动器、步进电机、直线推杆电机和蜂鸣器等操作装置，STM32连接纸、硬币器和ATKAS608；从站2PLC通过FX3U-485BD与NI设备连接，NI设备连接相机；从站1PLC和从站2PLC所接的FX2N-16CCL通讯模块分别与主站PLC所接的FX2N-16CCL-M通讯模块通过CC-Link总线连接。

3.2 图像识别系统

图像识别系统的相机安装在寿司制售一体机的取物处，通过LabVIEW程序控制相机拍摄照片，之后使用SVM算法，对所存储的照片进行识别分类，鉴定寿司的制作情况。寿司的制作包括制作成功、米饭缺失、辅食缺失3种制作情况。

对寿司制作情况识别的具体步骤：（1）分别选取10张3种制作情况的图片；（2）将样本图片像素缩小至[256 256]；（3）对照片进行灰度转化，根据阈值将图片二值化；（4）提取每张图片的 GLCM（Gray-level co-occurrence matrix，灰度共生矩阵）特征；（5）将制作情况和特征作为训练集导入SVM模型进行训练，生成SVM分类器。

假设训练集表示为{(xi, yi)}，其中xi表示特征，yi表示标签，i=1，2，…，N。SVM 模型建立的具体步骤：

（1）选择合适的惩罚参数C，建立如下公式：

式中，α表示单个最优解，根据上式求得最优解α*=[α1*，α2*，…，αN*]T；

（2）分别计算分离超平面的法向量以及超平面与原点之间的距离，计算公式：

其中 wi*（i=1，2，…，N）的计算公式：

提取最优解α*中满足0＜α*＜C的分量，计算bk*，公式如下：

（3）得到分离超平面w*x+b*=0以及对应的分类决策函数 f（x）=sign（w*x+b*）。

对3种不同制作情况各取1张照片进行如上操作，对图像进行降噪和灰度化处理后，对灰度图像采用最大类间方差法确定阈值，根据阈值将图像二值化，提取图片的GLCM特征。图6所示为图片的 GLCM 特征信息，循环计算 0°、45°、90°和135°方向的灰度共生矩阵，保证不丢失图片的纹理特征。

图6 图片中的GLCM特征信息Fig.6 GLCM feature information in the picture

对3种制作情况各另取5张照片，对每张图片进行制作情况预测，结合实际制作情况生成如表1所示的混淆矩阵，此SVM分类器具有较好的分类效果。

表1 SVM的实际识别情况Tab.1 Actual recognition of SVM

3.3 后台管理系统

后台管理系统设置于阿里云服务器，包括基于C#语言的上位机和数据库SQL Sever。其中，上位机负责接收主站发送的设备信息，以自定义的数据协议解析后将数据存储于数据库中，表2为主站与后台管理系统的数据协议。

表2 主站与后台管理系统的数据协议Tab.2 Data protocol between master station and background management system

在上位机的顾客健康信息界面，可以对顾客的健康信息进行增删改查操作。顾客的健康信息包括空腹血糖值和过敏物，以及根据其健康信息给出对应的配餐建议等信息。

寿司制售一体机中的食材有米饭、海苔片、黄瓜、肉松、鳕鱼、三文鱼、鱼子酱、沙拉酱和番茄酱，米饭、肉松、鱼子酱、沙拉酱和番茄酱为糖分含量较高的食材，海苔、黄瓜、鳕鱼和三文鱼为高蛋白低糖分食材。给出配餐建议前先检查顾客的过敏物，若过敏物为米饭和海苔片等必要食材，提示无法制作寿司，否则根据顾客的血糖信息进行配餐。根据FPG和健康状况的关系[12]，具体的配餐建议如下：（1）FPG 小于 6.1 mmol/L，配餐建议为所有种类的寿司均可食用；（2）FPG 处于 6.1～7.0 mmol/L，配餐建议为鳕鱼寿司和三文鱼寿司，少量的米饭和酱料；（3）FPG 大于 7.0 mmol/L，配餐建议为鳕鱼寿司和三文鱼寿司，少量的米饭无酱料。

4 结语

寿司制售一体机及其后台管理系统完成了机械本体结构和电控系统的设计，集成PLC、CCLink总线和多电机协同等关键技术，加入营养配餐模式，针对顾客的健康状况给出不同的配餐建议，同时具有识别寿司制作情况的功能。经研究分析，整个系统的结构简单合理，所识别的寿司制作情况全面且准确性高，可以进行大量的推广，具有很高的经济效益和社会效益。