基于ARM和WinCE平台称量销售式 自助售饭机的设计

韩春晖 梁西银

摘  要： 为解决传统一卡通售饭方式弊端，提高餐厅售饭的自助化和智能化，提出一种基于ARM和WinCE平台的称量销售式自助售饭系统设计方法。首先，运用传感器、RFID、ARM、语音播放、无线WiFi等技术构建自助售饭机硬件系统;其次，在WINCE操作环境下，采用C++ 和SQL设计售饭机人机交互、数据上传和后台数据监管部分软件系统;此外，为提高整机称量性能，采用稳定识别算法对DL101传感器模/数转换数据进行稳定识别处理，采用最小二乘法对称重数据进行非线性校正。测试分析表明，系统运行稳定，称量精度高，支付便捷，操作简单，具有较好的实用性。

关键词： 自助售饭机; 称量销售; 人机交互; 系统设计; 数据处理; 测试分析

中图分类号： TN603?34                             文献标识码： A                      文章编号： 1004?373X（2020）06?0043?04

Design of weighing and selling self?service rice vending machine

based on ARM and WinCE platform

HAN Chunhui， LIANG Xiyin

（College of Physics and Electronic Engineering， Northwest Normal University， Lanzhou 730070， China）

Abstract： A design method of weighing and selling self?service rice vending system based on ARM and WinCE platform is proposed， to solve the shortcomings of the traditional way of rice vending with one card and increase the self?service and intelligent restaurant sales vending. The hardware system of self?service rice vending machine is composed of the sensors， RFID， ARM， voice playing， wireless WiFi and other technologies. In the WINCE operating environment， the software systems of human?computer interaction， data uploading and background data monitoring parts of the self?service rice vending machine is designed by means of the C++ and SQL. The stable identification processing of the DL101 sensor′s analog?to?digital conversion data is performed by means of the stable identification algorithm， and the nonlinear correction of the weighting data is conducted by means of the least square method， after which the weighting performance of the whole machine is improved. The testing analyzes show that the system runs stably， and has high weighing accuracy， convenient payment and simple operation， which has a certain practicability.

Keywords： self?service rice vending machine; weighing selling; human?computer interaction; system design; data processing; testing analysis

0  引  言

随着物联网技术的发展，自助生活顺势而为，陆续出现了许多自助式的售饭机设计方案[1?9]。文献[1?5]所提出的售餐机设计方案，效仿自助售货机原理对不同种类的饭菜进行组合售卖，该方案按份销售，总额收费，饭菜重量相对固定，购买者所买到的饭菜难以合乎自己的饭量，极易造成浪费。文献[6?8]所设计的售饭机采用称量销售，自动化打饭设计，计量精确，提高了打饭效率，但仅适用于出售米饭，且机械设计结构较为复杂，造价较高。实地考察文献[9]所提的自助打饭式售饭机，虽有效杜绝“阿姨手抖”人情打饭，减少浪费，节约人力资源，但仅限于校内人员刷卡消费，支付方式单一，“立柜式”售饭机，体积较大。

综合以上考虑，本文提出了一种基于ARM和WINCE（Windows Compact Eidition）平台的减法式称量销售自助售饭机系统设计方法。一饭一机，消费者自助打饭，通过微信扫码或刷卡按饭量消费，有效杜绝人情打饭和浪费，支付便捷。售饭机通过WiFi连接后台管理数据库，简化了传统售饭系统网线布线的繁琐，方便消费信息管理。售饭机托盘式设计，系统结构简单，成本低廉，节省餐厅空间，增加了售饭机移动灵活性。

1  系统基本构成

整个系统从结构层面可划分为自助售饭机终端、网络传输和后台管理三个部分，如图1所示。其中，售饭机终端用于用户自助购饭、显示消费信息、异常报警、消费查询、获取消费数据等，为整个系统提供数据支持;网络传输部分通过WiFi模块实现设备与网络连接，将打包好的数据实时发送给云服务器并保存到对应数据库中;后台管理部分通过PC机连接云服务器，用于查询远程数据库所上传的相关信息并进行RFID卡的开户、挂失、账务结算、注销等后台监管工作。

2  系统硬件设计

售饭机系统硬件由WiFi模块、加热模块、语音模块、主控模块、带触控输入显示模块、射频读写模块、称重模块和电源管理模块等部分组成。

图2为售饭机硬件结构框图。主控模块的中央处理器为主频高达1 GHz的Cortex A8嵌入式ARM低功耗CPU。在本设计中主控模块主要负责逻辑运算、数据处理和用户指令的执行等任务，并且通过与各个模块间的互相通信，实现系统整体的功能。称重模块内部包含量程0～40 kg的电阻应变式称重传感器和DL101模/数转换传感器，电阻应变式称重传感器受饭重作用发生弹性变形，通过内部惠斯登电桥电路完成饭重信号到电压变量的转换，DL101模/数转换传感器内置24位精度的A/D采样模块，可对微小的电压变量进行放大、模/数转换等操作，实现饭菜称重模拟量转换为能够被主控制器处理的数字量。语音模块采用MY1690?SOP16 MP3主控芯片、PAM8302A功率放大芯片和SD卡的组合设计，用于售饭提示和异常报警。WiFi模块选用普联技术有限公司生产的TL?WN725N微小型集成模块，数据传输速度高达150 Mb/s，支持WinCE 6.0操作系统，用于售饭机联网通信。此外，射频读写模块用于对消费者RFID卡数据信息读取和更新，带触控输入显示模块用于人机交互，加热模块和电源管理模块分别用于饭菜的加热及系统供电。

3  系统软件设计

3.1  软件设计总体概述

售饭机系统软件设计主要包括基于售饭机终端的人机交互、数据上传部分和基于后台监管端的数据监管部分。人机交互部分用于实现售饭机系统参数设置、饭菜称重、支付等信息采集、处理和显示;数据上传用于将售饭信息上传到远程服务器中的数据库中;数据监管部分通过程序和数据库进行数据传输，用于消费记录的查看和售饭管理。此外，软件开发工作是在Microsoft Visual Studio 2008编程开发环境中进行，使用的开发语言分别为适用面向对象的程序设计语言C++和方便对关系数据库系统进行管理操作的SQL结构化查询语言，软件的运行环境为具有可定制性、开放性的32位嵌入式操作系统WINCE 6.0。售饭机软件系统工作流程如图3所示。

3.2  触发消费

触发消费是依据售饭机饭菜载重的减少实现销售重量和销售金额等消费信息采集与计算的过程。用户消费显示界面如图4a）所示。管理者可通过触控图4a）中“设置”选项输入管理密码完成“菜品”“单价”初始“销售重量”校零等系统设置操作。“设置”操作界面如图4b）所示。

3.3  支付模式

用户自助获取饭菜后，不仅能够通过后台已授权的RFID卡进行刷卡支付，也可以使用微信进行扫码支付。用户刷卡支付界面如图5a）所示，用户刷卡扣费成功后，系统显示用户卡号和余额，此时销售重量和销售金额清零。当用户采用微信支付时，点击图4a）中用户消费界面“网付”按键，系统调用微信支付服务商所提供的API接口程序，按照微信支付的规则弹出如图5b）所示包含消费信息的二维码供用户微信扫码支付，支付完成后微信支付系统发送异步消息给自助售饭机反馈支付结果。

3.4  数据上传和查询

为加强用户消费信息查询及后台的监管工作，售饭机通过WiFi模块连接到互联网访问远程的服务器，将消费数据上传到远程服务器的数据库中。本设计使用的服务器为腾讯云端服务器，在该服务器中安装了 SQL Server 2008 R2 版本的数据库开发环境，数据库中建立了适用于后台监管工作数据表，程序通过调用 ADO 接口连接数据库，实现数据库对售饭机上传信息的实时分类存储。以4号售饭机上传数据为例，监管端人员通过PC机联网查詢数据存储情况如图6所示。

4  称重算法分析

售饭机称重原理就是把从称重传感器获得的模拟信号量，通过 A/D 转换模块得到数字信号量并送达CPU，然后CPU通过稳定识别算法对其进行数字滤波并筛选出稳定的数字信号量，最后将这些稳定的数字信号量代入相应的称重校准算法公式，得到载重数据。

4.1  稳定识别算法

受打饭环境影响，高精度DL101模数转换模块数据输出时不可避免地会出现抖动，这时系统需要对数据进行滤波处理，并对数据的稳定性进行识别。鉴于文献[10]中对常用数字滤波算法优缺点的分析，本文运用去极值滤波算法思想对模/数转换数据进行前期滤波处理，后期采用限幅滤波算法快速筛选出稳定数据，提出一种适用于售饭机系统的快速稳定识别算法。算法流程如下：

1） 连续采集DL101模块输出的K个数据，对这K个数据排序，去除排序队列中的最大值和最小值，然后对剩余K-2个数据先求和再取平均，得到前期滤波处理后相对稳定的采样数据。

2） 将上述滤波处理后数据输入到长度为N的数据稳定判别队列当中，将每次采集到的一个新数据放到队列末尾，并去掉队首的数据，实现数列的实时更新。

3） 设定一个用于判断数据稳定的阈值，作为判断数据是否稳定的依据。

4） 每更新一次数据，系统就将稳定判别队列中的数据逐项作差，同时将差值与阈值进行比较，如果差值绝对值小于允许的最大偏差值，即视为本次采样数据稳定，否则无效，待数列中的所有数据判断完成后输出稳定A/D转换数据。

上述算法优点在于能有效抑制周期性干扰、随机性脉冲干扰，避免需要占用较多运行时间的浮点运算，提高数据稳定识别速度。

4.2  称重校正算法

为改善称重传感器因受材质、工艺以及外界环境影响所存在非线性特性，需要对测量数据进行校正以提高售饭机称重精度。在综合考虑售饭机称重量程、稳定性及实时性后采用最小二乘法拟合方程对称重数据进行校正处理，核心是对经过上述稳定识别算法输出的A/D 转换值与实际重量关系曲线的拟合，使得测试所得数值与所拟合曲线上对应值的残差平方和最小，算法实现如下：

1） 让售饭机承受不同的标准重量，记录不同重量下A/D转换值，令A/D转换值为自变量[x]，对应实际标准重量为因变量[y]，对于测量所得到的一组样本数据（[xi]，[yi]），i=0，1，2，…，[m]中，设[xi]是准确的，[yi]可能含有不可避免的误差;

2） 在线性无关的函数类Φ=span{[φ0（x）]，[φ1（x）]，[φ2（x）]，…，[φn（x）]}中，寻找一个函数[f（x）]，使其尽可能的靠近样本点，记作：

3） 令[f（xi）-yi]为残差，依据最小二乘法拟合原理，当其加权平方和为最小值时，[f（x）]即为样本数据（[xi]，[yi]）的拟合曲线，其残差加权平方和可写为：

通过对式（2）中[a0，a1，a2，…，an]求偏导，令其偏导为0，此时式（2）残差加权平方和即为最小值，得到方程组：

4） 解方程组（3）得到多项式系数[a0，a1，a2，…，an]，即可求得最小二乘法拟合方程[f（x）]，将这个拟合方程固定到程序设计中，便可利用该方程式实现对售饭机的称量值进行校正。

图7为实验测试15组称重数据拟合前后实测重量与标准重量绝对误差对比曲线。从图中可以看出，经过最小二乘法拟合后数据的绝对误差曲线的波动幅度整体明显较小，称重数据更为贴近真实值，有助于提高售饭机称重的精度。

5  结  语

本文提出并实现了一种基于ARM和WinCE 6.0平台称量销售式自助售饭机系统设计方法。该设计借助现有物联网技术实现了售饭机自助式称量售饭、刷卡及微信扫码支付、上传消费数据到云服务器等功能，有效杜绝人情打饭，减少浪费，方便后台监管人员远程访问数据库进行售饭信息的管理，降低了监管人员的劳动强度。该方案为自助式售饭机系统进一步的研究和设计做出了合理参考，具有一定的应用和推广价值。

参考文献

[1] 王克站.自动售餐机控制系统设计与研究[D].合肥：合肥工业大学，2017.

[2] 夏伟.基于3G网络的自动售餐机系统设计与实现[D].长沙：中南大学，2013.

[3] 朱家诚，王克站，杨波，等.一种新型自动售餐机控制系统设计[J].装备制造技术，2016（7）：79?82.

[4] 杨波，朱家诚，王克站.一种采用集中驱动的新型自动售餐机的研制[J].机械工程与自动化，2017（1）：191?193.

[5] 李海洋.基于“互联网+”的智能售卖系统关键技术研究[D].郑州：河南工业大学，2017.

[6] 常军然，唐宏，冯新刚.全自动米饭计量售饭机创新设计与实现[J].工程设计学报，2012，19（3）：231?235.

[7] 兰兴欣，杨秀峰，王文亮，等.基于SolidWorks的自动售饭机研制[J].机械工程师，2013（10）：92?93.

[8] 张世昂，朱立学，陈杰焕，等.自动米饭售饭机的设计研究[J].机电产品开发与创新，2014，27（4）：51?53.

[9] 路正社.高校食堂称量销售系统应用研究及意义：以陕西师范大学为例[J].高校后勤研究，2016（5）：56?58.

[10] 王浩.车载称重系统的研究与设计[D].西安：长安大学，2013.