基于移動終端的自助豆漿機設計

劉羅臻翰，張 城，陳 聰，朱湘萍，楊環俊，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

隨著時代的高速發展，物聯網技術在商業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。而豆漿是我國的傳統食品，因其富含蛋白質、脂肪、氨基酸、礦物質和維生素等人體所需的多種營養成分而被譽為“植物牛奶”[2]。豆漿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漿，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漿機系統，可滿足用戶在預定時間內，根據預選的風味智能選擇食材并打磨豆漿的需求。系統制作和運行成本較低，電機機械結構可靠，操作便捷方便，能夠實現制作、購買豆漿等功能，同時也與人們智能化、網絡化、便利化的生活方式契合。

1 系統總體設計

本系統主要由3部分組成：自助豆漿機子系統、服務器、用戶手機終端。服務器可收集和存儲各自助豆漿機的實時信息，并通過網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漿機的實時狀態，并可向服務器發出指令；當服務器收到用戶指令后，自助豆漿機會根據用戶需求完成選材、制作豆漿等操作。然后，向終端用戶發送完成信息，提醒用戶取食，滿足人們實時、遠程、智能制作豆漿的需求。自助豆漿機原理如圖1所示。

圖1 自助豆漿機原理

2 自助豆漿機子系統硬件系統設計

豆漿機系統主要包括底座、殼體、保溫腔、全自動豆漿機、儲物模塊和電源模塊。底座內部設有豆漿機所需的主控模塊、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漿機的電源接口。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，均直達全自動豆漿機的原材料添加口。在保溫腔內鑲嵌有可拆卸的若干個豆漿保溫箱和一個廢水箱；每個豆漿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，且豆漿保溫箱的側面均設置有感應式豆漿出口龍頭，廢水箱側面設置有廢水排出龍頭。同時，每個豆漿機的保溫箱和廢水箱中均設有水位傳感器，能夠監控剩余水位的變化并及時通知主控模塊，控制豆漿機打磨豆漿或者通知工作人員清洗豆漿機。豆漿機結構如圖2所示。

圖2 豆漿機結構

2.1 自助豆漿機系統核心設計

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。當電源模塊給系統供電后，SIM868模塊嘗試連接網絡，連接后通過用戶移動終端遠程對系統進行控制。系統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漿機后，開始制作豆漿。隨后控制溫度傳感器，當溫度達到100 ℃時，豆漿制作完成，豆漿機停止工作，同時根據顧客需要將豆漿保存到保溫箱內，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送信息，提醒用戶取走豆漿等。在豆漿機溫度冷卻，并確保全部豆漿轉移到保溫箱后自動清洗豆漿機。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漿機連接，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漿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、產品的易操作性、可修改性、可嵌入性。根據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，使用混合開發方式降低開發成本。系統提供具有可擴展能力的客戶端APP，以支持其他產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、業務邏輯層和數據訪問層[6]。該軟件包含預定豆漿、制定營養計劃、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漿機查詢請求后，訪問數據庫查看實時信息。若用戶附近有已知豆漿機，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漿機的位置、豆漿有無存量、價格等信息。用戶完成支付后，服務器提供給用戶具體的豆漿機位置信息并進行導航，提醒用戶前往取食。系統會通過豆漿機內部的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漿機的具體位置。目前，百度地圖已經開放，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接口規范構造一條標準URL，即可在移動開發應用與小程序或瀏覽器中調用百度地圖產品，快速實現標注位置、分享店鋪、周邊檢索、線路查詢和行駛導航等功能[7]。本設計只需將豆漿機的分布信息與已有API對接即可實現導航功能。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

隨著互聯網的普及和數字技術的廣泛應用，移動支付逐漸占據了市場，改變了人們的消費習慣、消費內容、消費模式，甚至消費理念[8]。為在便利用戶的同時節省開發成本，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，快速實現安全便捷的支付。當用戶選擇豆漿機查詢時，這一請求會上傳至服務器，服務器訪問數據庫。若附近存在豆漿機，服務器會將豆漿機的信息傳遞給用戶，顧客可從手機中得知豆漿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漿機，豆漿機開始工作制作豆漿。當豆漿機制作完成后，會通過服務器提醒用戶取餐并顯示豆漿機的位置，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

自助豆漿機服務器采用STM32F103ZET6芯片，該芯片是基于ARM Cortex-M3核心的32位微控制器。芯片內部集成USB外設，降低了開發成本，同時提高了設備通信的穩定性[9]。通信模塊采用SIM868主模塊，通過4G網絡或WiFi局域網進行數據交互。當STM32芯片采集數據后會通過串口向SIM868發出指令，接著通過TCP協議與APP通信。

5 網絡傳輸設計

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

圖9 網絡傳輸模塊

6 系統測試

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會根據用戶當前所在位置提供最近的豆漿機信息，接著用戶可以根據豆漿機的信息進行選擇，挑選適合自己口味的豆漿，控制豆漿機制作。制作完成后，豆漿機通過手機提醒用戶取餐。同時，服務器會收集各豆漿機的經緯度信息并通過TCP協議傳輸至用戶手機，同時選擇性提供導航功能。經過多次測試，手機APP操作簡單，情感體驗良好，反應靈活，暫未出現異常實驗現象。手機APP界面設計以及服務器經緯度數據如圖10、圖11所示。

圖10 服務器經緯度數據

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漿機系統。實現了遠程操控，減少了用戶的等待時間，并滿足了用戶對豆漿不同口味的需求。經試驗，豆漿機各項指標均達到了預期設計要求。