物聯網技術下的自動售貨機系統設計

　　本文在Zigbee技術、物聯網技術和手機掃碼支付技術等幾大技術的基礎上，以STM32和Arduino為主控芯片，研究了一種自動售貨機系統。這類系統可實現購買商品的線上/線下支付，運營商可以通過短信就能及時了解售貨機的狀態信息和報警信息，通過在手機APP就可查看和統計銷售數據，研究結果發現：自動售貨機系統設計達到了設計目標。

　　關鍵詞：自動售貨機,Zigbee,物聯網,移動掃碼支付

　　近年來，國內自動售貨機發展迅猛，近幾年年均增幅超過25%，有別于傳統的銷售模式，自動售貨機占地面積小，可以靈活分散部署，無人值守，節省人力成本，交易方便，購物方便便捷，為人們提供了新鮮的購物體驗，越來越被大家所接受和喜歡。目前自動售貨機已經成了一種全新的具有很高社會和經濟價值的商業零售模式。

　　由于國內自動售貨機部署的數量逐漸增多，例如大型商場、學校教學樓、機場、地鐵等地方隨處可見，部署點相距幾百米甚至上千米不等。同時移動支付也受到更多人的青睞[1]，傳統的自動售貨機的結構和銷售模式已無法滿足消費者和運營商的需求，而目前國內聯網的售貨機大多采用有線、GSM和WIFI等技術采集數據和監管，對于部署點較多的情況，這種監控系統聯網成本高、范圍小，很難應用在面積較大、網絡環境較差的公共場所中。目前已有的基于物聯網的自動售貨機監控系統大都運行在PC機上，功能復雜，開發周期長[2]。結合移動支付技術和無線通訊相關技術，本文設計了一個基于Zigbee和物聯網平臺的自動售貨機系統，該系統成本較低，結構簡單合理，既能滿足移動掃碼購物的需求，又能滿足運營商的管理需求。

　　1 系統總體設計

　　Zigbee網絡作為一種短距離、低功耗、低數據傳輸的無線網絡技術，具有強大的組網能力，可以形成星型、樹型和網狀網等三種Zigbee網絡。本文選用DIGI公司的串口模塊Xbee 2C[3]，傳輸距離1200米，只要部署點與協調器之間的距離不超過1200米，即可采用星型網絡。若距離大于1200米，可采用樹型和網狀結構。

　　本文設計采用的是星型網絡，基于Zigbee和物聯網平臺的自動售貨機系統總體結構如圖1所示。分散部署的自動售貨機通過Zigbee網絡中的終端與協調器通訊，網關接口通過協調器接收分散在不同地點的自動售貨機上傳的銷售數據，并根據具體情況，選擇通過3G或4G模塊或WIFI模塊將數據傳到云端，另一方面網關接口還負責將接收到的售貨機的工作狀態通過短信發給運營商，以便商家及時了解各個售貨機的工況，便于維護和處理。設備狀態包括搖晃報警、吐幣機過流、硬幣機卡幣、紙鈔機卡鈔，空貨道號等。云平臺可選用公共云平臺或自搭建服務器實現。通過智能手機或移動終端上的APP或微信程序，運營商可隨時查看每臺售貨機的線上(網上支付)線下(投幣)銷售額，當日銷售額和歷史總銷售額。

　　2 硬件詳細設計

　　2.1 自動售貨機硬件設計

　　自動售貨機硬件系統的整體連接框圖如圖2所示。售貨機硬件包括：STM32單片機、日歷時鐘、硬幣投幣機及其接口電路、Zigbee通訊模塊、開關電源、出貨機構及其接口電路、找零機構及其接口電路、紙幣識別器及其接口電路、報警檢測電路、觸摸屏及LCD顯示器、按鍵等。

　　其中紙幣識別器、智能觸摸屏/LCD顯示器和XBee模塊通過串口與STM32連接，日歷時鐘采用I2C串口總線與STM32連接，其余通過數字I/O接口與單片機連接。Zigbee模塊設置為終端(EndDevice)或路由器。

　　2.2 網關接口硬件設計

　　網關接口硬件包括單片機、Zigbee通訊模塊、WIFI模塊和3G模塊等。其中單片機選用具有4個串口的Arduino板2560[3]，Zigbee模塊選用DIGI公司的Xbee 2C模塊[4-5]，并設置為協調器。WIFI選用ESP-01S串口模塊[6]，通過AT命令實現數據的透傳功能。3G模塊選用SIM900A串口模塊[7]。

　　3 軟件設計

　　基于Zigbee和物聯網平臺的自動售貨機系統軟件包括三部分：自動售貨機軟件、網關接口軟件和手機APP軟件。

　　3.1 自動售貨機軟件

　　自動售貨機軟件分為管理員操作界面和用戶操作界面。管理員操作界面通過掃二維碼或輸入密碼登錄。其中綁定終端的功能是通過設備掃描二維碼，實現設備的賬號綁定。點擊查看帳目可實時查看當日的銷售情況，包括當日和上一日的銷售數據：線上收益、線下收益、收益合計和累計收益(從開機到當日)。脈沖設置可對硬幣機的脈沖時間間隔進行修改。設備名稱可修改本機的設備號。添加硬幣可查看當前的硬幣數，可輸入添加的硬幣數，清幣計數可用來實現機器中的硬幣數統計功能。時間設置負責初始化日歷時鐘。貨道設置可輸入每個貨道的數量和單價。恢復出廠將系統記錄的銷售數據清零，系統進入初始工作狀態。操作完成后點擊退出管理員界面，回到用戶界面。

　　用戶界面可隨機播放多幅廣告界面，點擊屏幕進入用戶界面。在此界面下，用戶點擊想購買的商品即可顯示單價，用戶可選擇投幣或手機掃二維碼兩種方式進行購買。當投幣的金額大于顯示價格時，或者掃碼支付成功后即可出貨，出貨后屏幕提示按下找零鍵，完成找零。

　　自動售貨機軟件主要流程如圖3所示。其中上傳數據幀設定在某天的固定時間。

　　3.2 網關接口軟件

　　網關接口軟件通過Zigbee網絡接收自動售貨機上傳的銷售數據和狀態信息，通過WIFI將數據上傳云端，并通過3G模塊發送短信提示信息。Xbee模塊采用串口與單片機相連，其工作模式有兩種：AT模式和API模式。AT模式也稱為透傳模式，主要特點是操作簡單易學，通過Xbee發送的數據與接收端收到的數據保持一致，Xbee模塊的功能就像是代替了串口通訊線，但實現了無線通訊。但當多個模塊進行通訊時，必須給出目標地址。接收端無法識別數據源。API模式的主要特點是：采用數據包(API幀)進行通訊，適合大型網絡的數據傳輸。由于目標地址被包括在API幀結構中，信息可發送到多個模塊。API幀中包括信息源，接收端很容易知道每個接收包的來源。另外每個接收包包含接收數據的成功/失敗的狀態信息和信號強度，可進行網絡管理和診斷，API模式還有遠程固件更新等功能[4]。

　　本文的Zigbee通訊采用API模式。模式配置使用XCUT軟件完成。協調器主要參數配置為：ID：1;CE：1;MY：0xFFFE;DH：0;DL：0;AP：1。終端主要參數配置為：ID：1;CE：0;DH、DL設為協調器的MAC地址;AP：1。協調器接收的4字節的數據幀和終端節點發送4字節的數據幀格式如表1和表2所示。從表1和表2看出，接收幀的數據長度比發送幀數據長度少2個字節。

　　WIFI模塊采用透傳模式上傳數據。

　　3.3 Android移動智能終端軟件

　　智能終端軟件主要實現對自動售貨機的銷售數據的監視和統計的功能。可基于Android 平臺自主開發。也可利用微信WEB開發者工具開發微信小程序，通過API接口讀取網關接口上傳云端的銷售數據，顯示在用戶手機上，方便管理者了解所有自動售貨機的銷售情況。

　　手機APP可實現多臺售貨機的線上收益、線下收益、線上/線下收益合計以及累計收益的查看和統計功能。通過歷史曲線可隨時查看銷售收益的變化。

　　4 結束語

　　本文主要設計與實現了一個自動售貨機的模型，提出了一種基于Zigbee和IOT的自動售貨系統的設計方案，給出了自動售貨機和網關接口的軟硬件設計方法。測試結果表明：該系統既實現了自動售貨的功能，又實現了運營商利用手機APP對多臺售貨機的監視和銷售數據的統計功能。用戶可選擇投幣或掃碼方式購物，實現了線上/線下支付功能。本文所設計的自動售貨機的特點是：系統結構和操作設計簡單合理，成本低、開發周期短，既可滿足消費者良好的購物體驗，又可滿足運營商的管理需求。

　　參考文獻：

　　[1]文國軍.基于手機二維碼支付的售貨機物聯網平臺的設計與實現[D].成都：中南大學，2013.

　　[2]景東男，韓建民，王愛華.基于物聯網的自動售貨機及遠程監控系統[J].計算機技與發展，2013，23(5)：228-230.

　　[3]程晨.Arduino開發實戰指南[M].北京：機械工業出版社，2012.

　　[4]Digi International Inc. Wireless Connectivity Kit Getting Started Guide.

　　[5]Digi International Inc.XBee/XBee-PRO S2C 802.15.4 RF Module User Guide，2017.

　　[6]樂鑫信息技術有限公司.Espressif AT指令集[Z].2014.

　　[7]全球鷹通訊.SIM900/A 232版本模塊用戶手冊[Z].V1.1，2014.

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