基于STM32的高校智能取餐系統的設計與研究

楊 晨，黎 斌，葛立明

（蘭州交通大學 機電工程學院，甘肅 蘭州 730070）

0 引 言

隨著高等教育的快速推進，高校擴招已成必然，學生食堂所承擔的人流量與日俱增，就餐高峰成為了考驗一個食堂就餐效率的重要時期。另外，隨著社會的發展和科技的進步，師生對就餐環境也提出了更高的要求，希望就餐環境安靜整潔，取餐不必一擁而上，取錯餐的情況不會發生等[1]。然而據調研表明，學生對于學校的餐飲服務覺得滿意的不多，其原因主要來自“食堂服務員叫喊式取菜”導致就餐環境嘈雜，學生取餐秩序混亂，容易產生取錯菜，心情焦躁的狀況。也正是這些原因，影響了食堂的就餐效率。

近幾年隨著“智慧校園”概念的提出，越來越多的人意識到了建設“智慧食堂”的重要性。隨著技術的發展，將嵌入式技術運用到學校餐廳的設計和應用中[2]，打造新型智慧取餐系統，有效解決學生就餐環境擁堵和嘈雜的問題，提高學生就餐效率和用餐質量?；趩纹瑱C取餐系統的設計和應用具有重要價值和實際意義。

本文設計了一款基于STM32的高校智能取餐系統。該系統以STM32單片機為核心，采集和處理點餐數據，搭建前臺、后廚和顧客之間的無線通信網絡，使這三部分有機統一，從而有效提高后廚工作效率、學生就餐效率，有力改善就餐環境。

1 系統整體設計

系統整體設計方案如圖1所示。本設計主要由前臺設備、后廚設備和用戶端組成[3]。

結合圖1可知，當客人點餐后，收款機將錄入的點餐信息通過串行通信電路發送到STM32F103單片機，而后對數據進行相應的處理，如數據檢索、識別等，之后將處理的信息通過串口發送至后廚上位機軟件[4]。軟件接收到數據后，即可在上位機控制界面上顯示顧客的點餐信息，如所點餐譜、點餐順序等，廚師根據軟件提示完成飯菜的制作。燒制完成后，即可將菜名在軟件上有選擇地發送至無線通信模塊。無線模塊對接收到的數據進行處理后，把“顧客的取餐信息”以無線通信的方式發送至移動終端，供顧客參考。

圖1 系統整體設計方案

2 系統的硬件電路設計

該系統硬件由微處理器和各種通信電路組成。

2.1 微處理器

STM32處理器是由意法半導體（ST）公司設計生產，基于Cortex-M3內核開發的新型單片機[5]。該內核是ARM公司設計的新一代內核，具有高性能、低成本、低功耗、調試容易等特點。因此采用STM32處理器作為本設計的控制處理器方案可行。

STM32F103RCT6屬于中低端32位ARM微控制器，是一種增強型閃存微處理器，其豐富的片上資源可以大大簡化系統硬件，降低設計成本。本設計中的微處理器均采用基于Cortex-M3的 STM32F103RCT6。

2.2 RS 232-STM32串行通信電路

顧客在前臺點餐后，數據被點餐機錄入，并通過RS 232串口傳出。由于STM32處理器的串口為全雙工工作方式，因此可以把發送與接收獨立分開，由PA10引腳負責接收RS 232通過串行通信電路[6]傳來的數據，PA9引腳負責發送STM32單片機處理后的數據，可以只使用單片機的串口1完成對數據的接收、處理和再發送，從而大大減小了系統復雜度，以及I/O口資源的利用。RS 232-STM32串行通信電路如圖2所示。

圖2 RS 232-STM32串行通信電路

2.3 USB接口電路

由于STM32F103RCT6的接口為I/O口，上位機的接口為USB接口，所以為了解決兩者之間的信息傳輸問題，引入基于CH340設計的USB接口電路[7]。CH340是一款USB總線轉接芯片，串口為全雙工通信方式，內置收發緩沖區，支持波特率50 bps～2 Mbps，并且與計算機端Windows操作系統下的串口應用程序完全兼容。USB接口電路設計如圖3所示。

圖3 USB接口電路

2.4 STM32-WiFi串行通信電路

2.4.1 ATK-ESP8266 WiFi模塊

ATK-ESP8266是ALIENTEK生產的一款高性能UARTWiFi（串口-無線）模塊。ATK-ESP8266模塊與MCU（或者其他串口設備）采用串口（LVTTL）通信，模塊內置TCP/IP協議棧，兼容3.3 V和5 V單片機系統，能夠輕松實現串口和WiFi之間的轉換。若只與傳統串口設備相連，則只需簡單配置即可通過網絡傳輸自身數據。另外，模塊支持串口轉WiFi STA、串口轉AP和WiFi STA+WiFi AP三種模式，可快速構建數據傳輸方案，方便設備使用網絡傳輸數據[8]。

2.4.2 電路設計

ATK-ESP8266無線WiFi模塊采用串口實現與MCU之間的通信。通過ATK-ESP8266模塊，傳統的串口設備只需簡單的串口配置即可通過網絡（WiFi）傳輸自身數據。即STM32單片機通過串口與ATK-ESP8266通信時，只需對串口進行必要的配置即可實現STM32與外接設備（手機）之間的WiFi數據傳輸[9]。STM32-WiFi電路設計原理如圖4所示。

圖4 STM32-WiFi串行通信電路

3 系統軟件設計

系統軟件設計可分為前臺設備微控制器的程序設計、上位機軟件設計、后廚設備微控制器程序設計以及用戶端APP設計。

3.1 前臺設備微控制器程序設計

前臺設備微控制器的程序設計主要包括數據接收、數據處理和數據發送三部分，其程序流程如圖5所示。STM32單片機的串口1接收點餐機發來的顧客點餐信息。數據處理和發送部分負責將接收的數據進行循環檢索，翻譯檢測到的相關信息，并從串口1輸出。

設備開始運行后，當串口1檢測到有數據傳來時，會進入中斷接收模式，當檢測到幀尾[10]（數據0xfe 0x4a），USART_RX_STA置1，說明接收完成，幀尾前的數據全部存入USART_Rx_BUF[i]數組。之后在主函數中，程序自動提取相關信息并輸出。

3.2 基于VB6.0的上位機軟件設計

上位機軟件位于后廚PC機，基于Visual Basic6.0開發[11]，其界面布置如圖6所示?？刂平缑娴挠覀扔糜陲@示時間和設置相關參數，如串口、波特率等；左側的文本框用于顯示由前臺設備傳來的顧客點餐內容以及點餐號。后廚師傅在接收到信息后，以此為根據準備相關菜肴，完成制作后在左側文本框中選中完成的菜名，點擊“請選擇已完成的菜單”按鈕，將其移送到右側區域，這些為待發送給顧客手機APP的信息，如圖7所示。點擊“發送至APP”按鈕，即可完成對顧客取餐的提示。軟件操作流程簡單，可以幫助廚師高效快速地完成相關信息管理，從而提高就餐效率。

圖5 前臺微控制器的程序流程圖

圖6 上位機軟件接收前臺數據界面

圖7 上位機軟件發送數據界面圖

3.3 后廚設備微控制器的程序設計

基于STM32的后廚微處理器系統的程序設計主要解決兩大內容。

（1）對后廚上位機發送來的數據進行解析和存儲，即將串口1接收到的數據進行處理；

（2）將經過處理的數據通過串口3發送到WiFi模組，進而通過對WiFi模組的配置，將數據通過無線方式發送到手機APP上顯示輸出。

在此程序設計中，對于WiFi模塊的驅動通過相應的AT指令進行端口配置，使相應的終端設備配置于同一局域網下，從而實現WiFi模塊對于數據的收發和共享功能。用AT指令對WiFi模塊進行配置[12]，部分配置方式如下：

設置WiFi模式為STA模式：AT+CWMODE=1；

建立Server，設置端口號：AT+CIPSERVER=1,8080；

模塊向指定通道發送數據：AT+CIPSEND=id,size。

后廚微控制器程序設計流程如圖8所示。

圖8 后廚微控制器程序流程圖

3.4 移動終端的設計

移動終端的設計主要取決于數據傳輸方式以及數據類型。在經過實際調研分析后，移動終端采用Android系統進行相關設計[13]，既符合當下的時代潮流，也能方便快捷地實現有序取餐等目的。手機在接收到從WiFi模塊發來的數據后，由APP對數據進行解析并處理，然后在手機APP界面上顯示，即顧客的取餐信息[14]。接收信息界面如圖9（a）所示。主要工作流程：啟動應用程序后，在APP界面選擇TCP Client模式，接著點擊“連接后廚”按鈕，完成相關參數的配置，APP參數配置界面如圖9（b）所示。其目的是讓手機和WiFi模塊在同一個局域網下，將手機作為客戶端去訪問WiFi網絡（服務器），接收從WiFi模塊傳輸的數據，而這也是多個終端設備實現共享網絡實時數據的關鍵。

4 實驗驗證

系統主要從以下幾個方面檢測[15]：

（1）前臺到后廚設備數據傳輸是否正常；

（2）后廚到手機APP數據傳輸是否正常；

（3）后廚到手機APP數據傳輸實時性測試。

通過前臺點餐機輸入點餐信息，處理后發送到上位機軟件，作為待處理菜單。后廚做好餐品后，通過上位機軟件，系統處理后經WiFi發送到手機APP。實驗過程參考圖6、圖7、圖9。系統實驗結果見表1所列。

表1 實驗結果

圖9 APP示意圖

5 結 語

本文設計了一種新的基于STM32微處理器的高校智能取餐系統。所設計系統硬件部分主要由微處理器和各種通信電路組成。軟件部分主要分為前臺微控制器的程序設計、上位機控制界面的設計、后廚微控制器的程序設計和用戶端APP的設計。該系統結合嵌入式技術，建立了從點餐到取餐的一體式高校餐飲服務架構。經過對系統的整體測試，證明本系統運行穩定性良好，數據傳輸無誤，無遺漏。APP數據接收延時均在1 s內，實時性能良好，基本達到了預期的設計目標，可有效解決高校食堂點取餐效率低，食堂秩序混亂的問題，打造了一個功能完備的“智慧食堂”服務系統。