基于樹莓派的全自動(dòng)固液料奶茶機(jī)人機(jī)交互系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

北京信息科技大學(xué) 常歡 張子恩 時(shí)準(zhǔn) 徐海東 張曉青

本文提出一種基于樹莓派開發(fā)板的全自動(dòng)固液料奶茶機(jī)人機(jī)交互系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以控制多種奶茶機(jī)傳感器設(shè)備同時(shí)識(shí)別語音并通過揚(yáng)聲器、燈帶、顯示屏給予顧客反饋，從而達(dá)到多層面人機(jī)交互體驗(yàn)。本文主要闡述了該系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。通過樹莓派接收傳感器設(shè)備傳遞的數(shù)據(jù)，分析處理后進(jìn)行反饋控制。智能手機(jī)終端可以通過物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)和本地網(wǎng)站服務(wù)器實(shí)時(shí)了解部分系統(tǒng)信息。

目前市場(chǎng)上主流奶茶店都采用傳統(tǒng)人工制作售賣的方式，這樣就造成許多奶茶店高峰時(shí)期效率有限，顧客排隊(duì)時(shí)間過長(zhǎng)的問題，同時(shí)給店方帶來的附加問題就是人工成本越來越高，與人接觸過多而導(dǎo)致的食品衛(wèi)生安全和飲品同質(zhì)化難以保證。隨之而來的許多無人售賣奶茶機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，但市場(chǎng)反饋卻差強(qiáng)人意，究其原因便是用機(jī)械臂不能根本解決效率問題同時(shí)無人售賣減少了售賣環(huán)節(jié)的交互行為，丟失了實(shí)體店鋪本應(yīng)該有的交流溫度。而本項(xiàng)目組獨(dú)家研發(fā)的傳送帶式新型固液料全自動(dòng)奶茶機(jī)即可從根本解決奶茶制作的效率和衛(wèi)生問題，又配以豐富的人機(jī)交互模式，帶給客戶以高效、衛(wèi)生、有趣、好喝的購買體驗(yàn)。

本系統(tǒng)是一種利用智能感知的交互系統(tǒng)，對(duì)在復(fù)雜情境中的人體行為，進(jìn)行語義方面的分析，以此識(shí)別出交互的主體，并能夠進(jìn)行主動(dòng)性的響應(yīng)，以此形成交互意圖，對(duì)于這種情境感知智能交互，則是人機(jī)交互在發(fā)展中自然化與智能化的產(chǎn)物。在當(dāng)下對(duì)該技術(shù)的研究中，讓傳感器作為與空氣一樣的自然元素一樣，存在著人們周圍，以此讓智能設(shè)備可以充分的感知到用戶所待在的情景，并為用戶提供相應(yīng)的主動(dòng)性服務(wù)。在人機(jī)交互系統(tǒng)的運(yùn)行中，可以很好的將情景信息與用戶人物進(jìn)行結(jié)合，以此形成自然人機(jī)交互的效果。這也是我們?cè)O(shè)計(jì)該系統(tǒng)想要達(dá)到的目的要求。

本文人機(jī)交互設(shè)計(jì)是基于前期團(tuán)隊(duì)自行設(shè)計(jì)研發(fā)的輕流水線式全自動(dòng)固液料奶茶機(jī)。該設(shè)備將食品工廠流水線作業(yè)與活躍在大街小巷的自助售賣機(jī)相結(jié)合既滿足高效又告別落后的機(jī)沖粉式飲品設(shè)備。通過自動(dòng)化的形式輔以原材料控制滿足新式現(xiàn)制茶飲行業(yè)顧客對(duì)于健康衛(wèi)生安全、可視化強(qiáng)、標(biāo)準(zhǔn)化高、等待時(shí)間短的要求，同時(shí)通過設(shè)備的無人化、模塊化解決企業(yè)主控制人力成本，隨時(shí)更換菜單的要求。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)目的是為了將冰冷的機(jī)器擬人化使機(jī)器更智能，更能引起顧客的興趣，把機(jī)器定位為店員的角色。通過添加輸入模塊采集外部和內(nèi)部信息加上芯片算法控制輸出模塊反饋出相應(yīng)的情緒信息。

整個(gè)系統(tǒng)以4代樹莓派為主控系統(tǒng)連接VB-02離線智能語音識(shí)別模塊、紅外人體感應(yīng)器、壓力傳感器、漫反射光電開關(guān)等用來控制投影儀、揚(yáng)聲器、RGB燈帶和顯示屏顯示，來實(shí)現(xiàn)顧客與機(jī)器，店員與機(jī)器交互。增加了奶茶機(jī)的趣味性，優(yōu)化使用者的體驗(yàn)。系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 人機(jī)交互系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)Fig.1 Overall design of human-computer interaction system

系統(tǒng)主要有四部分組成：

(1)數(shù)據(jù)采集輸入部分，數(shù)據(jù)輸入部分包括機(jī)器各處傳感器及其A/D轉(zhuǎn)換模塊，用于采集顧客距離機(jī)器的距離、顧客發(fā)出的語音和機(jī)器內(nèi)部固液料的剩余量。采集到的數(shù)據(jù)通過串口連接到樹莓派主控板。

(2)樹莓派主控板，樹莓派主控板集成了WiFi芯片、HDMI接口、28個(gè)可編程IO口、64GB存儲(chǔ)卡和高速CPU可以滿足多傳感器的接入和控制運(yùn)算要求。主控板是整個(gè)系統(tǒng)的核心。

(3)聲光輸出部分，聲光輸出部分包括揚(yáng)聲器、投影儀、顯示屏和RGB燈帶等。該部分受主控板控制輸出趣味的視頻和音頻，達(dá)到人機(jī)交互的目的。

(4)物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)和本地網(wǎng)路服務(wù)器，物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)采用的是阿里云AIoT平臺(tái)，樹莓派通過網(wǎng)絡(luò)接入阿里云AIoT平臺(tái)將固液料剩余信息的數(shù)據(jù)傳入云平臺(tái)進(jìn)行存儲(chǔ)方便小程序的讀取。本地網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器是通過樹莓派建立的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，同樣是用來存儲(chǔ)固液料剩余信息的數(shù)據(jù)，與云平臺(tái)的區(qū)別是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在樹莓派內(nèi)存里，可以通過訪問網(wǎng)頁地址來讀取數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 離線語音識(shí)別模塊

離線語音模塊作為人機(jī)交互中的重要組成部分，要有足夠的可靠性，離線語音模塊成為我們的首選。麥克風(fēng)將采集的聲音經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換與內(nèi)置語音條做對(duì)比，模塊在識(shí)別到特定語句后會(huì)通過UART串口發(fā)送信息到主控芯片，主控芯片通過輸出模塊做出相應(yīng)的回應(yīng)。

安信可的VB-02離線語音離線語音識(shí)別AI模組，模塊采用平頭哥32位玄鐵804處理器，內(nèi)部集成音頻AD/DA，擁有2個(gè)UART串口如圖2所示。語音識(shí)別：5m以內(nèi)識(shí)別距離可調(diào)，綜合識(shí)別率98%以上，識(shí)別時(shí)間小于100ms可定義詞條達(dá)50條。VB-02可以使用SDK進(jìn)行語音的自定義編程。

圖2 VB-02 Fig.2 VB–02

2.2 人體紅外感應(yīng)器

人體紅外感應(yīng)器安裝在奶茶機(jī)兩側(cè)，用來感應(yīng)顧客靠近機(jī)器，樹莓派控制輸出設(shè)備發(fā)出聲光來吸引顧客，以及提醒顧客何處取杯、取餐。

森霸的人體紅外感應(yīng)模塊SB612，模塊采用8002-4菲涅爾透鏡加雙元高靈敏度熱釋電紅外傳感器，支持5V供電，檢測(cè)到人輸出+3V高電平，延遲時(shí)間可調(diào)，探測(cè)距離10m探測(cè)角度120°。SB612模塊完全滿足設(shè)計(jì)的要求且具有體積小、技術(shù)成熟、兼容性好、易購得等優(yōu)點(diǎn)。

2.3 漫反射光電開關(guān)

漫反射光電開關(guān)安裝在固料容器頂部與食品固料是不接觸的，在固料余量低于閾值時(shí)，光電開關(guān)輸出狀態(tài)改變，輸出到主控板。

東門子E3F系列-M18圓柱光電開關(guān)E3F-DS30C4，主控芯片通過控制輸出設(shè)備提醒店員需要加料。E3FDS30C4檢測(cè)距離10～50cm，12V直流供電，常開常閉可選，外形尺寸如圖3所示。

圖3 漫反射光電開關(guān)外形圖Fig.3 Appearance of diffuse reflection photoelectric switch

2.4 薄膜壓力傳感器

壓力傳感器固定在液料容器底部用來做壓力開關(guān)，當(dāng)壓力低于固定閾值時(shí)，主控芯片控制輸出設(shè)備提醒店員加料。

RP-C電阻式壓敏傳感器是電阻值隨著作用于感應(yīng)區(qū)上的壓力增大而減小的柔性薄膜傳感器。壓力感應(yīng)范圍可選，選擇改傳感器可以做壓力感應(yīng)開關(guān)，添加到液料容器底部當(dāng)容器的液料量低于閾值對(duì)應(yīng)的薄膜壓力傳感器的阻值增大，通過電阻電壓和AD轉(zhuǎn)換傳入主控芯片進(jìn)行比較。RP_C電阻式壓敏傳感器耐久性壽命長(zhǎng)，響應(yīng)速度快，產(chǎn)品外形可定制，厚度0.4mm。

2.5 樹莓派開發(fā)板

樹莓派4B開發(fā)板具有1.5GHZ的四核處理器，運(yùn)行內(nèi)存4GB，擁有多個(gè)GPIO口、2個(gè)HDMI口，音頻輸出口、千兆網(wǎng)口等如圖4所示。作為系統(tǒng)的主控板，開發(fā)板具有多種擴(kuò)展接口，出色的運(yùn)算能力，較大的儲(chǔ)存空間。樹莓派支持多種語言開發(fā)，可以安裝操作系統(tǒng)。

圖4 樹莓派4BFig.4 Raspberry PI 4B

2.6 燈帶

選用TEP的RGB5V燈帶，該燈帶可隨意拆解黏貼，1600w色，具有定時(shí)開關(guān)和多種律動(dòng)模式，具有防潮、耐老化、耐高溫等優(yōu)點(diǎn)，可以完全適應(yīng)奶茶機(jī)設(shè)備中的高溫潮濕等復(fù)雜情況，并且具有過壓過載、電流短路等五重保護(hù)，對(duì)于設(shè)備高負(fù)載時(shí)的復(fù)雜用電情況多了一重保護(hù)。

2.7 LED屏幕

選用松耀24寸無邊框屏兩塊，分別放置于設(shè)備左側(cè)和右側(cè)作為引導(dǎo)和取杯提醒功用，分辨率1920×1080，具有VGA和HDMI接口，足夠設(shè)備展示使用。

3 結(jié)語

本文以智能感知交互系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)為核心，對(duì)基于樹莓派開發(fā)板的全自動(dòng)固液料奶茶機(jī)人機(jī)交互系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，解決了以往自動(dòng)售賣設(shè)備人機(jī)交互設(shè)計(jì)過于簡(jiǎn)單而帶來的銷售過程體驗(yàn)感差的問題。同時(shí)考慮了技術(shù)成熟度、性價(jià)比、設(shè)備適用性以及操作維修簡(jiǎn)便性，完成了元件選型，設(shè)計(jì)了整個(gè)系統(tǒng)。