基于移动终端的自助豆浆机设计

2023-03-06刘罗臻翰朱湘萍杨环俊包本刚

物联网技术 2023年2期

刘罗臻翰，张城，陈聪，朱湘萍，杨环俊，包本刚

（1.湖南科技学院理学院，湖南永州 425199；2.湖南科技学院科技处，湖南永州 425199）

0 引言

随着时代的高速发展，物联网技术在商业和城市中被广泛应用[1]，人们在追求绿色、健康生活的同时也越来越追求便利化、智能化的生活方式。而豆浆是我国的传统食品，因其富含蛋白质、脂肪、氨基酸、矿物质和维生素等人体所需的多种营养成分而被誉为“植物牛奶”[2]。豆浆机也因此走进了千家万户。然而[3-4]，还有些人因忙于工作没有时间预定自己喜欢喝的豆浆，即便有时间预定却没有时间在商店等待。所以本文针对目前市场上存在的智能售卖、远程控制等功能需求，设计了一款基于移动终端的自助豆浆机系统，可满足用户在预定时间内，根据预选的风味智能选择食材并打磨豆浆的需求。系统制作和运行成本较低，电机机械结构可靠，操作便捷方便，能够实现制作、购买豆浆等功能，同时也与人们智能化、网络化、便利化的生活方式契合。

1 系统总体设计

本系统主要由3部分组成：自助豆浆机子系统、服务器、用户手机终端。服务器可收集和存储各自助豆浆机的实时信息，并通过网络上传给用户手机终端。用户通过手机终端APP、小程序等在线查看自助豆浆机的实时状态，并可向服务器发出指令；当服务器收到用户指令后，自助豆浆机会根据用户需求完成选材、制作豆浆等操作。然后，向终端用户发送完成信息，提醒用户取食，满足人们实时、远程、智能制作豆浆的需求。自助豆浆机原理如图1所示。

图1 自助豆浆机原理

2 自助豆浆机子系统硬件系统设计

豆浆机系统主要包括底座、壳体、保温腔、全自动豆浆机、储物模块和电源模块。底座内部设有豆浆机所需的主控模块、电源模块、GPS定位模块及无线通信模块[5]。主控制模块连接电源模块，同时还与GPS模块相互连接；电源模块连接全自动豆浆机的电源接口。底座上部设有储物模块和保温腔，储物模块包括储杯箱、储糖室、储豆箱和储水箱。储豆箱箱底和储水箱箱底分别连接有豆子输送管道、水输送管道等，均直达全自动豆浆机的原材料添加口。在保温腔内镶嵌有可拆卸的若干个豆浆保温箱和一个废水箱；每个豆浆保温箱和废水箱的上表面均设置有与全自动出料口相配合的进料口，且豆浆保温箱的侧面均设置有感应式豆浆出口龙头，废水箱侧面设置有废水排出龙头。同时，每个豆浆机的保温箱和废水箱中均设有水位传感器，能够监控剩余水位的变化并及时通知主控模块，控制豆浆机打磨豆浆或者通知工作人员清洗豆浆机。豆浆机结构如图2所示。

图2 豆浆机结构

2.1 自助豆浆机系统核心设计

本设计中利用STM32单片机作为MCU，搭载SIM868模块，将STM32F103ZET6芯片作为服务器芯片。当电源模块给系统供电后，SIM868模块尝试连接网络，连接后通过用户移动终端远程对系统进行控制。系统接收到顾客的信息后，通过串口传输给MCU，MCU解析顾客信息并控制电磁阀添加相应的豆子，再控制水棒自动加入一定量的水，并利用重力传感器测得一定时间后豆子和水完全加入豆浆机后，开始制作豆浆。随后控制温度传感器，当温度达到100 ℃时，豆浆制作完成，豆浆机停止工作，同时根据顾客需要将豆浆保存到保温箱内，接着通过串口给SIM868传输信息。SIM868接收到信息后，通过服务器给用户的移动终端发送信息，提醒用户取走豆浆等。在豆浆机温度冷却，并确保全部豆浆转移到保温箱后自动清洗豆浆机。STM32主芯片、串口电平转换电路及SIM868模块电路如图3、图4、图5所示。

图3 STM32主芯片

图4 串口电平转换电路

图5 SIM868模块电路

2.2 电源模块设计

电源模块包括一级电压转换单元、二级电压转换单元、三级电压转换单元和四级电压转换单元。其中，一级电压转换单元为AC/DC转换器；二级电压转换单元包括降压电路、充电保护电路和电源切换电路；三级电压转换单元和四级电压转换单元均为低压差线性稳压器。二级电压转换单元中降压电路和充电保护电路均与一级电压转换单元、三级电压转换单元连接；三级电压转换单元与主控模块连接；四级电压转换单元与全自动豆浆机连接，同时通过一级电压转换单元与城市电源连接。电源模块能够为全自动豆浆机和主控模块分开供电，避免因其所需电压不同而造成电压供应不准的问题。

3 软件设计

本设计注重用户的情感体验、产品的易操作性、可修改性、可嵌入性。根据用户操作习惯的不同，提供便捷的APP、小程序和移动Web等支持，使用混合开发方式降低开发成本。系统提供具有可扩展能力的客户端APP，以支持其他产品接入或附加到其他成熟的平台。软件采用三层架构模型，分别是界面层、业务逻辑层和数据访问层[6]。该软件包含预定豆浆、制定营养计划、支付功能、消费提醒和导航功能等。软件设计功能如图6所示。

图6 软件设计功能

3.1 查找和导航模块设计

服务器收到手机终端的用户豆浆机查询请求后，访问数据库查看实时信息。若用户附近有已知豆浆机，服务器便会将这一信息反馈给客户端，顾客即可从手机中得知豆浆机的位置、豆浆有无存量、价格等信息。用户完成支付后，服务器提供给用户具体的豆浆机位置信息并进行导航，提醒用户前往取食。系统会通过豆浆机内部的GPS模块为对讲机定位，并通过服务器将位置信息传递给用户移动终端，通过百度地图显示豆浆机的具体位置。目前，百度地图已经开放，可以为本设计提供多种编程语言、多种平台，只要按照其提供的API接口规范构造一条标准URL，即可在移动开发应用与小程序或浏览器中调用百度地图产品，快速实现标注位置、分享店铺、周边检索、线路查询和行驶导航等功能[7]。本设计只需将豆浆机的分布信息与已有API对接即可实现导航功能。设计流程如图7所示。

图7 设计流程

3.2 查询与在线支付模块设计

随着互联网的普及和数字技术的广泛应用，移动支付逐渐占据了市场，改变了人们的消费习惯、消费内容、消费模式，甚至消费理念[8]。为在便利用户的同时节省开发成本，本设计选择微信支付和支付宝支付作为主要的支付方式。当系统服务商对接后，可以覆盖线上、线下的支付场景。使用开放平台提供的接口即可完成对接，快速实现安全便捷的支付。当用户选择豆浆机查询时，这一请求会上传至服务器，服务器访问数据库。若附近存在豆浆机，服务器会将豆浆机的信息传递给用户，顾客可从手机中得知豆浆的有无以及价格等信息，随后显示支付信息。用户完成支付后，服务器会将信息传递给豆浆机，豆浆机开始工作制作豆浆。当豆浆机制作完成后，会通过服务器提醒用户取餐并显示豆浆机的位置，提供导航服务。查询与在线支付功能模块流程如图8所示。

图8 查询与在线支付功能模块流程

4 服务器设计

自助豆浆机服务器采用STM32F103ZET6芯片，该芯片是基于ARM Cortex-M3核心的32位微控制器。芯片内部集成USB外设，降低了开发成本，同时提高了设备通信的稳定性[9]。通信模块采用SIM868主模块，通过4G网络或WiFi局域网进行数据交互。当STM32芯片采集数据后会通过串口向SIM868发出指令，接着通过TCP协议与APP通信。

5 网络传输设计

用户移动终端、服务器和豆浆机子机之间的通信可以通过多种连接方式进行。本设计可以把豆浆机子机传感器信息、运行状态、储备状态及销售状态等通过SIM868传输给用户，实现集中化管理。同时接入地图系统和支付系统，将用户使用的豆浆机操作结果反馈给豆浆机，控制豆浆机工作。用户移动终端将Socket技术和HTTP协议相结合，以实现实时推送、按时更新等功能，为互联网用户提供便捷服务[10]。网络传输模块如图9所示。

图9 网络传输模块

6 系统测试

本设计目前处于实验室试验阶段，已制作出手机APP界面，可以显示用户当前的位置信息。当用户点击“点单”选项后，APP会根据用户当前所在位置提供最近的豆浆机信息，接着用户可以根据豆浆机的信息进行选择，挑选适合自己口味的豆浆，控制豆浆机制作。制作完成后，豆浆机通过手机提醒用户取餐。同时，服务器会收集各豆浆机的经纬度信息并通过TCP协议传输至用户手机，同时选择性提供导航功能。经过多次测试，手机APP操作简单，情感体验良好，反应灵活，暂未出现异常实验现象。手机APP界面设计以及服务器经纬度数据如图10、图11所示。