基于鴻蒙Hi3861和STM32雙控的智能餐廳系統設計

張 洋，劉建粉

（平頂山學院，河南 平頂山 467000）

0 引 言

近年來，我國物聯網技術得到快速發展，人們的生活也變得越來越智能和高效。隨著我國經濟的高速發展，越來越多的人更愿意去餐廳就餐或依靠外賣，很多年輕人家里廚房的使用率非常低。目前，中國的餐飲市場正在進入一個飛速發展的階段。據相關數據顯示，2021年餐飲收入46 895億元，增長了18.6%。傳統餐飲行業在高速發展的同時，仍普遍采用人工管理方式。隨著餐廳規模和顧客數量增加，餐飲業人力成本大幅增加[1]。目前餐飲行業的人工管理模式無論是在工作效率還是成本上都難以適應現代化的企業發展需要[2]。為此，本設計結合MQTT協議、NFC技術和數據庫技術，實現了刷卡消費、實時監測環境數據和靈活控制餐廳設備等功能，提升了餐廳的消費體驗，具有較強的安全性和實用性。

1 總體設計

1.1 系統需求分析

伴隨著科技的進步和社會的發展，人們對餐廳就餐的消費需求越來越高。傳統的餐廳往往存在收銀系統繁瑣、排隊消費效率低下，無法實時保持舒適的就餐環境，無法對顧客的信息進行收集與整合進而經營消費人群等痛點。因此，傳統的餐廳已無法滿足人們的需求，餐廳管理需要進一步高效化和智能化。本設計中的智能餐廳能夠普遍應用于現代餐廳的運營中，集安全性和智能化于一身。基于物聯網技術實時采集餐廳環境數據并進行智能改變，利用NFC技術輔以數據庫技術，把傳統的消費模式變成以經營餐廳消費人群為主的新時代餐廳消費模式。本設計符合當今消費者對智能化就餐的需求，具有一定的實用性。

1.2 總體設計思路

本設計采用NFC技術對工作人員和消費人員進行管理，同時與物聯網智能控制相結合，對餐廳環境的安全舒適程度進行監測控制。系統總體設計如圖1所示。基于NFC應用的會員卡消費模式，更有利于餐廳的正常運營發展。在餐廳開業之初，給每一位顧客發放裝有NFC電子標簽的會員卡，并提前初始化會員卡的信息，對顧客信息進行錄入。收銀臺裝有NFC讀寫器對每一個顧客的會員卡進行讀寫錄入，改變傳統的以現金支付為主的繁瑣方式，并為每個餐廳員工下發身份卡，只有通過員工的身份卡才能進入餐廳的控制臺。采用NFC技術，明顯更利于餐廳未來的智能化和高效化發展。通過無線模塊聯網獲取控制中樞的命令，可以對室內的風扇、加濕器、照明燈、窗戶等進行遙控開關。在餐廳中安放多種傳感器對餐廳內環境進行測量，檢測餐廳當前的溫度、濕度、可燃氣體濃度，并進行實時顯示；系統還可進入智能調控安全模式，根據室內有無火焰、有無煙霧等情況，自動選擇是否打開消防噴頭、窗戶等，從而構建一個安全、高效、智能的餐廳環境。

圖1 系統總體框架

1.3 功能介紹

1.3.1 身份識別與系統登錄

與智能餐廳相關的人員根據需要分別配備不同類別的NFC電子標簽，標簽類別不同，對應數據操作權限亦不同。顧客為A類權限，A類權限用戶只具備讀取、支付功能。工作人員具備B類標簽，此類用戶具備訪問收銀端系統的權限。發放每一類權限的卡片時就在餐廳數據庫進行了登記。

智能餐廳通過識別相應人員的身份卡來確定人員類別，如果是A類權限身份卡（消費者），那么就不能進入到智能餐廳收銀端的頁面；如果是B類權限身份卡（工作人員），將會進入到智能餐廳登錄頁面，工作人員輸入密碼即可進入到餐廳收銀端操作界面，如果密碼有誤，會進行提示；如果錯誤次數超過三次[3]，將會自動進行拍照，防止有人非法登錄餐廳收銀界面。智能餐廳系統登錄功能設計如圖2所示。

圖2 智能餐廳系統登錄功能設計

1.3.2 會員卡消費與充值

本設計中通過NFC技術和數據庫技術實現智能餐廳消費者的消費與充值服務。智能餐廳系統需要對進入餐廳消費的消費者辦理會員卡，每一個會員卡有一個獨有的會員卡號，此卡號以NFC電子標簽的UID充當。在智能餐廳的后臺數據庫中存儲著每一個會員卡號對應的消費者的一系列信息，如手機號、家庭住址、性別、姓名等。顧客需要結賬或充值時，工作人員可以通過收銀臺的NFC讀寫器對會員卡進行識別，通過收銀端上位機對數據庫進行查看和更改，進而對消費者持有的會員卡進行結賬與充值。顧客還可自主查詢余額，使消費變得高效快捷。當顧客信息有變化時，管理人員可以通過系統對信息進行修改等操作[4]。

1.3.3 環境控制與安全防護

智能餐廳環境控制首先需要連接到華為云IoT云平臺，之后有兩種模式控制餐廳內的環境：手動遙控和自動調控。在手動模式中，可對智能餐廳的照明系統、風扇、報警器和加濕裝置進行遠程控制。在自動調控模式下，當室內的溫度過高時，會自動打開排風扇；當濕度過低時，會自動打開加濕器，以此對室內的環境進行調控。在餐廳遇到火災等安全事故時，室內的報警器會自動報警，并向餐廳管理人員發送電子郵件，進而保障餐廳內人員的安全。這種自動調控裝置，不需要人員調控，就能自主進行反應，大大地增加了餐廳的安全性和智能性。在數據檢測方面，通過智能餐廳內安裝的溫濕度傳感器[5]、煙霧傳感器等收集環境數據，并在餐廳安裝的OLED顯示屏上實時顯示室內溫度、濕度和煙霧濃度，便于工作人員及時調控室內環境，為消費者提供更加舒適的消費環境，提高消費者體驗度，促進消費和推廣。自動調控模式功能架構如圖3所示。

圖3 自動調控模式功能架構示意圖

1.3.4 無線點單

本設計通過Socket通信技術實現無線點單功能，主要分成收銀端和客戶點單端兩個部分。客戶點單端通過點單端軟件進行相應產品的選擇，然后選擇自己的座位號進行發送；收銀端接收到客戶點單端發來的消息后，工作人員向客戶點單端發送一個響應，告知消費者：工作人員已經收到了顧客點單的信息，最后通過此信息的內容進行備餐和送餐[6]。

2 硬件設計

本系統的硬件結構主要分成兩個部分：一個是用于實現身份卡識別與消費充值的收銀端，通過將基于ST25R3916芯片的NFC讀寫器與STM32相連接，再將其通過串口與上位機進行通信和電子標簽的識別；另一部分是用于餐廳環境數據采集和調控的餐廳環境控制端，將OLED顯示屏、可燃氣體傳感器、蜂鳴器、溫濕度傳感器和WiFi模塊與Hi3861控制芯片相連，實現環境數據的采集和上傳，并將直流電機、照明模塊、WiFi模塊、蜂鳴器和自制加濕器等模塊與STM32控制芯片相連，實現環境的調控[7]。系統硬件結構如圖4所示。

圖4 系統硬件結構

3 軟件設計

3.1 系統軟件總體流程

根據智能餐廳的具體情況，本文設計出既滿足餐廳的功能需求，又安全可靠的軟件程序。整體上可以將軟件的設計細分為四個部分，分別是身份卡識別、收銀端上位機、餐廳環境數據采集與上報、執行器接收命令與執行。通過編寫識別身份卡的相關程序使得系統可以檢測每一張卡的卡號，進而在C#編寫的收銀端上位機上進行相關功能的開發。通過編寫餐廳環境數據采集與上報和執行器接受命令與執行這兩個程序，實現環境控制與安全防護等功能。本設計采用的是結構化和模塊化設計方法，便于程序的擴展和調試。

3.2 數據庫設計

智能餐廳系統中使用SQL Server數據庫來實現數據的增、刪、改、查。數據庫包含兩個數據表：工作人員信息表和顧客信息表。工作人員信息表是一張用于儲存A類（工作人員）卡片系統登錄賬號和密碼的表單，該表單以工作人員的UID為主鍵，每個工作人員UID對應一條不重復的記錄，智能餐廳系統必須使用數據庫中的A類卡片的UID和對應密碼才能登錄系統進行管理、控制，具體設計見表1所列。顧客信息表是一個用于存放顧客信息的表單，該表單以顧客UID為主鍵，每個顧客UID對應一條不重復的記錄，每一個表項包括顧客會員卡UID、用戶余額、地址、手機號等數據[8]，具體設計見表2所列。

表1 工作人員信息

表2 顧客信息

3.3 身份識別與系統登錄程序設計

身份識別的軟件設計主要分為獲取電子標簽UID和身份判別兩部分。獲取電子標簽UID是通過編寫MCU程序，使系統可以檢測到正在刷卡人的卡號，運用了NFC讀寫器。具體軟件實現流程為：首先進行初始化操作，當電子標簽靠近NFC讀卡器時，進行觸發中斷，打開NFC讀寫器，尋找天線區內所有卡，得到卡類型；當檢測到電子標簽時[9]，進行防沖突操作，進而選定身份卡。選擇身份卡后，讀取電子標簽的UID，最后將電子標簽的UID通過串口發送出來，為后續上位機的使用做準備。獲取電子標簽UID的程序流程如圖5所示。

圖5 身份卡識別程序流程

身份判別的實現流程：上位機讀取由串口發來的身份卡的UID，將此身份卡的UID與SQL Server數據庫表中的主鍵信息相對應，找到對應表項后，讀取此表項的身份類型，判斷此電子標簽的權限類型，從而進行此身份權限的后續操作。讀取身份卡的UID主要使用串口通信技術，首先需要在程序中設置校驗位、數據位、停止位和串口數據緩沖等待時間等參數，串口號、波特率在頁面中進行設置；然后打開串口，檢測串口是否發來了數據，如果有數據，則將數據暫時放在緩沖區，接收完畢后將數據顯示出來。此數據就是系統需要的電子標簽的UID，隨后系統將此值和數據庫中的身份信息進行比對。如果是管理員身份的UID，將自動跳轉到工作人員登錄界面；如果是消費者身份的UID，則此身份卡只具備在收銀臺消費和充值的權限。

系統登錄部分主要是由密碼比對和預警拍照組成。登錄者在系統登錄界面輸入密碼，系統會將這個密碼與后臺數據庫中UID對應的密碼進行比對，如果正確，則進入到管理功能界面；如果錯誤則會進行提示。當錯誤次數超過三次時，系統會自動調用電腦的攝像頭進行拍照，保障餐廳財產安全[10]。

3.4 智能環境控制

首先編寫相關程序獲取AHT20溫濕度傳感器采集到的餐廳溫濕度數據和MQ-2可燃氣體傳感器采集到的室內可燃氣體濃度數據；之后基于MQTT消息協議將數據上傳到華為云IoT云平臺上并實時顯示出來；經過數據分析，終端自主進行反應，并發送到執行器上，進行控制操作，從而實現智能環境控制。

控制器Hi3861獲取溫濕度值是通過I2C和AHT20進行通信的，軟件實現流程為：

（1）配置I2C接口，并在讀取溫濕度數據前，首先發送獲取狀態命令，獲取一個字節的狀態字。

（2）發送出測試命令。

（3）在測量完成后，通過發送獲取狀態命令獲取狀態，當讀取到狀態字的Bit[7]為0時，就可以繼續讀取5個字節的溫濕度數據了。

（4）將接收的測量結果拼接轉換為標準值，計算出溫濕度數據。

獲取可燃氣體濃度主要是通過讀取MQ-2可燃氣體傳感器的ADC值實現的，將讀取到的ADC值轉換為對應的可燃氣體濃度數值。

數據上傳的流程為：首先啟動STA模式，連接到指定的接入點，通過DHCP向接入點請求獲取Wlan0的IP地址；然后連接到MQTT服務器（華為云平臺），向華為云IoT云平臺上傳溫濕度數據，平臺將這些數據解析出來并顯示。

執行器接受命令與執行功能的實現主要分為控制器STM32接收命令和執行器執行相關操作兩部分。MCU首先通過ESP8266 WiFi模塊連接上網絡，并通過MQTT消息協議技術訂閱云平臺下發的命令，具體流程為：（1）連接指定的熱點；（2）連接華為云平臺的接入TCP地址；（3）連接MQTT服務器；（4）訂閱主題，用來接收云平臺的消息；（5）解析云平臺發送來的消息，并執行相應操作。

解析云平臺發送來的信息的流程為：STM32通過WiFi模塊接收到每一次華為云IoT云平臺發送的命令后，使用串匹配算法檢索出是否有提前設定的“開風扇”“開燈”等命令語句。如果有，執行相應命令；如果沒有，丟棄這一次命令。循環上述流程，即可解析云平臺發來的數據并執行。

4 結 語

本文基于物聯網思維，將NFC、MQTT、數據庫等技術相融合，使用搭載鴻蒙操作系統的Hi3861和STM32為雙控制器，設計出一個兼具高效性和舒適性的智能餐廳，解決了目前餐廳普遍存在的安全性低、效率低、舒適性差的痛點，從而為用戶帶來全新的智能餐廳體驗。