物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下的自動售貨機系統(tǒng)設(shè)計

　　本文在Zigbee技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和手機掃碼支付技術(shù)等幾大技術(shù)的基礎(chǔ)上，以STM32和Arduino為主控芯片，研究了一種自動售貨機系統(tǒng)。這類系統(tǒng)可實現(xiàn)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(tài)信息和報警信息，通過在手機APP就可查看和統(tǒng)計銷售數(shù)據(jù)，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)：自動售貨機系統(tǒng)設(shè)計達到了設(shè)計目標。

　　關(guān)鍵詞：自動售貨機,Zigbee,物聯(lián)網(wǎng),移動掃碼支付

　　近年來，國內(nèi)自動售貨機發(fā)展迅猛，近幾年年均增幅超過25%，有別于傳統(tǒng)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(jié)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(jīng)成了一種全新的具有很高社會和經(jīng)濟價值的商業(yè)零售模式。

　　由于國內(nèi)自動售貨機部署的數(shù)量逐漸增多，例如大型商場、學(xué)校教學(xué)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(tǒng)的自動售貨機的結(jié)構(gòu)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(nèi)聯(lián)網(wǎng)的售貨機大多采用有線、GSM和WIFI等技術(shù)采集數(shù)據(jù)和監(jiān)管，對于部署點較多的情況，這種監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)成本高、范圍小，很難應(yīng)用在面積較大、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境較差的公共場所中。目前已有的基于物聯(lián)網(wǎng)的自動售貨機監(jiān)控系統(tǒng)大都運行在PC機上，功能復(fù)雜，開發(fā)周期長[2]。結(jié)合移動支付技術(shù)和無線通訊相關(guān)技術(shù)，本文設(shè)計了一個基于Zigbee和物聯(lián)網(wǎng)平臺的自動售貨機系統(tǒng)，該系統(tǒng)成本較低，結(jié)構(gòu)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(tǒng)總體設(shè)計

　　Zigbee網(wǎng)絡(luò)作為一種短距離、低功耗、低數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，具有強大的組網(wǎng)能力，可以形成星型、樹型和網(wǎng)狀網(wǎng)等三種Zigbee網(wǎng)絡(luò)。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(xié)調(diào)器之間的距離不超過1200米，即可采用星型網(wǎng)絡(luò)。若距離大于1200米，可采用樹型和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

　　本文設(shè)計采用的是星型網(wǎng)絡(luò)，基于Zigbee和物聯(lián)網(wǎng)平臺的自動售貨機系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。分散部署的自動售貨機通過Zigbee網(wǎng)絡(luò)中的終端與協(xié)調(diào)器通訊，網(wǎng)關(guān)接口通過協(xié)調(diào)器接收分散在不同地點的自動售貨機上傳的銷售數(shù)據(jù)，并根據(jù)具體情況，選擇通過3G或4G模塊或WIFI模塊將數(shù)據(jù)傳到云端，另一方面網(wǎng)關(guān)接口還負責(zé)將接收到的售貨機的工作狀態(tài)通過短信發(fā)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(shè)備狀態(tài)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(wù)器實現(xiàn)。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(wǎng)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(shè)計

　　2.1 自動售貨機硬件設(shè)計

　　自動售貨機硬件系統(tǒng)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(guān)電源、出貨機構(gòu)及其接口電路、找零機構(gòu)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(shù)字I/O接口與單片機連接。Zigbee模塊設(shè)置為終端(EndDevice)或路由器。

　　2.2 網(wǎng)關(guān)接口硬件設(shè)計

　　網(wǎng)關(guān)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(shè)置為協(xié)調(diào)器。WIFI選用ESP-01S串口模塊[6]，通過AT命令實現(xiàn)數(shù)據(jù)的透傳功能。3G模塊選用SIM900A串口模塊[7]。

　　3 軟件設(shè)計

　　基于Zigbee和物聯(lián)網(wǎng)平臺的自動售貨機系統(tǒng)軟件包括三部分：自動售貨機軟件、網(wǎng)關(guān)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(shè)備掃描二維碼，實現(xiàn)設(shè)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(shù)據(jù)：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(shè)置可對硬幣機的脈沖時間間隔進行修改。設(shè)備名稱可修改本機的設(shè)備號。添加硬幣可查看當前的硬幣數(shù)，可輸入添加的硬幣數(shù)，清幣計數(shù)可用來實現(xiàn)機器中的硬幣數(shù)統(tǒng)計功能。時間設(shè)置負責(zé)初始化日歷時鐘。貨道設(shè)置可輸入每個貨道的數(shù)量和單價。恢復(fù)出廠將系統(tǒng)記錄的銷售數(shù)據(jù)清零，系統(tǒng)進入初始工作狀態(tài)。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(shù)據(jù)幀設(shè)定在某天的固定時間。

　　3.2 網(wǎng)關(guān)接口軟件

　　網(wǎng)關(guān)接口軟件通過Zigbee網(wǎng)絡(luò)接收自動售貨機上傳的銷售數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息，通過WIFI將數(shù)據(jù)上傳云端，并通過3G模塊發(fā)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(xué)，通過Xbee發(fā)送的數(shù)據(jù)與接收端收到的數(shù)據(jù)保持一致，Xbee模塊的功能就像是代替了串口通訊線，但實現(xiàn)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(shù)據(jù)源。API模式的主要特點是：采用數(shù)據(jù)包(API幀)進行通訊，適合大型網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸。由于目標地址被包括在API幀結(jié)構(gòu)中，信息可發(fā)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(shù)據(jù)的成功/失敗的狀態(tài)信息和信號強度，可進行網(wǎng)絡(luò)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(xié)調(diào)器主要參數(shù)配置為：ID：1;CE：1;MY：0xFFFE;DH：0;DL：0;AP：1。終端主要參數(shù)配置為：ID：1;CE：0;DH、DL設(shè)為協(xié)調(diào)器的MAC地址;AP：1。協(xié)調(diào)器接收的4字節(jié)的數(shù)據(jù)幀和終端節(jié)點發(fā)送4字節(jié)的數(shù)據(jù)幀格式如表1和表2所示。從表1和表2看出，接收幀的數(shù)據(jù)長度比發(fā)送幀數(shù)據(jù)長度少2個字節(jié)。

　　WIFI模塊采用透傳模式上傳數(shù)據(jù)。

　　3.3 Android移動智能終端軟件

　　智能終端軟件主要實現(xiàn)對自動售貨機的銷售數(shù)據(jù)的監(jiān)視和統(tǒng)計的功能。可基于Android 平臺自主開發(fā)。也可利用微信WEB開發(fā)者工具開發(fā)微信小程序，通過API接口讀取網(wǎng)關(guān)接口上傳云端的銷售數(shù)據(jù)，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(xiàn)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(tǒng)計功能。通過歷史曲線可隨時查看銷售收益的變化。

　　4 結(jié)束語

　　本文主要設(shè)計與實現(xiàn)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(tǒng)的設(shè)計方案，給出了自動售貨機和網(wǎng)關(guān)接口的軟硬件設(shè)計方法。測試結(jié)果表明：該系統(tǒng)既實現(xiàn)了自動售貨的功能，又實現(xiàn)了運營商利用手機APP對多臺售貨機的監(jiān)視和銷售數(shù)據(jù)的統(tǒng)計功能。用戶可選擇投幣或掃碼方式購物，實現(xiàn)了線上/線下支付功能。本文所設(shè)計的自動售貨機的特點是：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和操作設(shè)計簡單合理，成本低、開發(fā)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(lián)網(wǎng)平臺的設(shè)計與實現(xiàn)[D].成都：中南大學(xué)，2013.

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　　[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(shù)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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