基于STM32的高校智能取餐系统的设计与研究

杨 晨，黎 斌，葛立明

（兰州交通大学 机电工程学院，甘肃 兰州 730070）

0 引 言

随着高等教育的快速推进，高校扩招已成必然，学生食堂所承担的人流量与日俱增，就餐高峰成为了考验一个食堂就餐效率的重要时期。另外，随着社会的发展和科技的进步，师生对就餐环境也提出了更高的要求，希望就餐环境安静整洁，取餐不必一拥而上，取错餐的情况不会发生等[1]。然而据调研表明，学生对于学校的餐饮服务觉得满意的不多，其原因主要来自“食堂服务员叫喊式取菜”导致就餐环境嘈杂，学生取餐秩序混乱，容易产生取错菜，心情焦躁的状况。也正是这些原因，影响了食堂的就餐效率。

近几年随着“智慧校园”概念的提出，越来越多的人意识到了建设“智慧食堂”的重要性。随着技术的发展，将嵌入式技术运用到学校餐厅的设计和应用中[2]，打造新型智慧取餐系统，有效解决学生就餐环境拥堵和嘈杂的问题，提高学生就餐效率和用餐质量。基于单片机取餐系统的设计和应用具有重要价值和实际意义。

本文设计了一款基于STM32的高校智能取餐系统。该系统以STM32单片机为核心，采集和处理点餐数据，搭建前台、后厨和顾客之间的无线通信网络，使这三部分有机统一，从而有效提高后厨工作效率、学生就餐效率，有力改善就餐环境。

1 系统整体设计

系统整体设计方案如图1所示。本设计主要由前台设备、后厨设备和用户端组成[3]。

结合图1可知，当客人点餐后，收款机将录入的点餐信息通过串行通信电路发送到STM32F103单片机，而后对数据进行相应的处理，如数据检索、识别等，之后将处理的信息通过串口发送至后厨上位机软件[4]。软件接收到数据后，即可在上位机控制界面上显示顾客的点餐信息，如所点餐谱、点餐顺序等，厨师根据软件提示完成饭菜的制作。烧制完成后，即可将菜名在软件上有选择地发送至无线通信模块。无线模块对接收到的数据进行处理后，把“顾客的取餐信息”以无线通信的方式发送至移动终端，供顾客参考。

图1 系统整体设计方案

2 系统的硬件电路设计

该系统硬件由微处理器和各种通信电路组成。

2.1 微处理器

STM32处理器是由意法半导体（ST）公司设计生产，基于Cortex-M3内核开发的新型单片机[5]。该内核是ARM公司设计的新一代内核，具有高性能、低成本、低功耗、调试容易等特点。因此采用STM32处理器作为本设计的控制处理器方案可行。

STM32F103RCT6属于中低端32位ARM微控制器，是一种增强型闪存微处理器，其丰富的片上资源可以大大简化系统硬件，降低设计成本。本设计中的微处理器均采用基于Cortex-M3的 STM32F103RCT6。

2.2 RS 232-STM32串行通信电路

顾客在前台点餐后，数据被点餐机录入，并通过RS 232串口传出。由于STM32处理器的串口为全双工工作方式，因此可以把发送与接收独立分开，由PA10引脚负责接收RS 232通过串行通信电路[6]传来的数据，PA9引脚负责发送STM32单片机处理后的数据，可以只使用单片机的串口1完成对数据的接收、处理和再发送，从而大大减小了系统复杂度，以及I/O口资源的利用。RS 232-STM32串行通信电路如图2所示。

图2 RS 232-STM32串行通信电路

2.3 USB接口电路

由于STM32F103RCT6的接口为I/O口，上位机的接口为USB接口，所以为了解决两者之间的信息传输问题，引入基于CH340设计的USB接口电路[7]。CH340是一款USB总线转接芯片，串口为全双工通信方式，内置收发缓冲区，支持波特率50 bps～2 Mbps，并且与计算机端Windows操作系统下的串口应用程序完全兼容。USB接口电路设计如图3所示。

图3 USB接口电路

2.4 STM32-WiFi串行通信电路

2.4.1 ATK-ESP8266 WiFi模块

ATK-ESP8266是ALIENTEK生产的一款高性能UARTWiFi（串口-无线）模块。ATK-ESP8266模块与MCU（或者其他串口设备）采用串口（LVTTL）通信，模块内置TCP/IP协议栈，兼容3.3 V和5 V单片机系统，能够轻松实现串口和WiFi之间的转换。若只与传统串口设备相连，则只需简单配置即可通过网络传输自身数据。另外，模块支持串口转WiFi STA、串口转AP和WiFi STA+WiFi AP三种模式，可快速构建数据传输方案，方便设备使用网络传输数据[8]。

2.4.2 电路设计

ATK-ESP8266无线WiFi模块采用串口实现与MCU之间的通信。通过ATK-ESP8266模块，传统的串口设备只需简单的串口配置即可通过网络（WiFi）传输自身数据。即STM32单片机通过串口与ATK-ESP8266通信时，只需对串口进行必要的配置即可实现STM32与外接设备（手机）之间的WiFi数据传输[9]。STM32-WiFi电路设计原理如图4所示。

图4 STM32-WiFi串行通信电路

3 系统软件设计

系统软件设计可分为前台设备微控制器的程序设计、上位机软件设计、后厨设备微控制器程序设计以及用户端APP设计。

3.1 前台设备微控制器程序设计

前台设备微控制器的程序设计主要包括数据接收、数据处理和数据发送三部分，其程序流程如图5所示。STM32单片机的串口1接收点餐机发来的顾客点餐信息。数据处理和发送部分负责将接收的数据进行循环检索，翻译检测到的相关信息，并从串口1输出。

设备开始运行后，当串口1检测到有数据传来时，会进入中断接收模式，当检测到帧尾[10]（数据0xfe 0x4a），USART_RX_STA置1，说明接收完成，帧尾前的数据全部存入USART_Rx_BUF[i]数组。之后在主函数中，程序自动提取相关信息并输出。

3.2 基于VB6.0的上位机软件设计

上位机软件位于后厨PC机，基于Visual Basic6.0开发[11]，其界面布置如图6所示。控制界面的右侧用于显示时间和设置相关参数，如串口、波特率等；左侧的文本框用于显示由前台设备传来的顾客点餐内容以及点餐号。后厨师傅在接收到信息后，以此为根据准备相关菜肴，完成制作后在左侧文本框中选中完成的菜名，点击“请选择已完成的菜单”按钮，将其移送到右侧区域，这些为待发送给顾客手机APP的信息，如图7所示。点击“发送至APP”按钮，即可完成对顾客取餐的提示。软件操作流程简单，可以帮助厨师高效快速地完成相关信息管理，从而提高就餐效率。

图5 前台微控制器的程序流程图

图6 上位机软件接收前台数据界面

图7 上位机软件发送数据界面图

3.3 后厨设备微控制器的程序设计

基于STM32的后厨微处理器系统的程序设计主要解决两大内容。

（1）对后厨上位机发送来的数据进行解析和存储，即将串口1接收到的数据进行处理；

（2）将经过处理的数据通过串口3发送到WiFi模组，进而通过对WiFi模组的配置，将数据通过无线方式发送到手机APP上显示输出。

在此程序设计中，对于WiFi模块的驱动通过相应的AT指令进行端口配置，使相应的终端设备配置于同一局域网下，从而实现WiFi模块对于数据的收发和共享功能。用AT指令对WiFi模块进行配置[12]，部分配置方式如下：

设置WiFi模式为STA模式：AT+CWMODE=1；

建立Server，设置端口号：AT+CIPSERVER=1,8080；

模块向指定通道发送数据：AT+CIPSEND=id,size。

后厨微控制器程序设计流程如图8所示。

图8 后厨微控制器程序流程图

3.4 移动终端的设计

移动终端的设计主要取决于数据传输方式以及数据类型。在经过实际调研分析后，移动终端采用Android系统进行相关设计[13]，既符合当下的时代潮流，也能方便快捷地实现有序取餐等目的。手机在接收到从WiFi模块发来的数据后，由APP对数据进行解析并处理，然后在手机APP界面上显示，即顾客的取餐信息[14]。接收信息界面如图9（a）所示。主要工作流程：启动应用程序后，在APP界面选择TCP Client模式，接着点击“连接后厨”按钮，完成相关参数的配置，APP参数配置界面如图9（b）所示。其目的是让手机和WiFi模块在同一个局域网下，将手机作为客户端去访问WiFi网络（服务器），接收从WiFi模块传输的数据，而这也是多个终端设备实现共享网络实时数据的关键。

4 实验验证

系统主要从以下几个方面检测[15]：

（1）前台到后厨设备数据传输是否正常；

（2）后厨到手机APP数据传输是否正常；

（3）后厨到手机APP数据传输实时性测试。

通过前台点餐机输入点餐信息，处理后发送到上位机软件，作为待处理菜单。后厨做好餐品后，通过上位机软件，系统处理后经WiFi发送到手机APP。实验过程参考图6、图7、图9。系统实验结果见表1所列。

表1 实验结果

图9 APP示意图

5 结 语

本文设计了一种新的基于STM32微处理器的高校智能取餐系统。所设计系统硬件部分主要由微处理器和各种通信电路组成。软件部分主要分为前台微控制器的程序设计、上位机控制界面的设计、后厨微控制器的程序设计和用户端APP的设计。该系统结合嵌入式技术，建立了从点餐到取餐的一体式高校餐饮服务架构。经过对系统的整体测试，证明本系统运行稳定性良好，数据传输无误，无遗漏。APP数据接收延时均在1 s内，实时性能良好，基本达到了预期的设计目标，可有效解决高校食堂点取餐效率低，食堂秩序混乱的问题，打造了一个功能完备的“智慧食堂”服务系统。