论文部分内容阅读
摘 要：为解决在疫情等情况下学生在校园购买电子元器件不方便的问题，笔者设计了一款专门针对电子元器件销售的校园无人售货机。一般电子器件的体积较小，笔者设计的无人售货机充分考虑了这一特点，进行了独特的外形结构设计。采用阿里云通信技术，开发了无人售货机的数据库处理系统;以微信小程序为基础，设计了无人售货机的支付模块。无人售货机能够让学生在校园内购买电子元器件更加便捷、安全，具有重要的推广价值。
关键词：无人售货机 电子元器件 阿里云通讯 MCU（单片机）
中图分类号：TP2 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2021）02（c）-0004-04
Campus Vending Machine for Electronic Components Sales
LI Lixiang1 YAO Zijun1 QIAO Xin2 WANG Zhichun3 WANG Jiajun4 DAN Chun4
（1.School of Electronic Information and Automation， Civil Aviation University of China; 2.School of Aeronautical Engineering， Civil Aviation University of China; 3.School of Computer Science and Technology， Civil Aviation University of China; 4.School of Economics and Management， Civil Aviation University of China， Tianjin， 300300 China）
Abstract： In order to solve the problem that it is inconvenient for students to buy electronic components on campus in the case of epidemic， a campus unmanned vending machine is designed specifically for the sale of electronic components. Generally， electronic devices are small in size， and the unmanned vending machine designed by the authors takes this feature into full consideration， and has a unique shape and structure design. The database processing system of unmanned vending machine is developed by using Ali Cloud communication technology. Based on WeChat applet， the payment module of unmanned vending machine is designed. The unmanned vending machine can make it more convenient and safe for students to buy electronic components on campus， and it has significant application value.
Key Words： Unmanned vending machine; Electronic components; Ali Cloud communication; MCU
近年來，无人售货作为新兴的销售模式在我国飞速发展，它不受经营时间的影响，也没有大批进货费用、装修费用，具有经营方式灵活、回报周期短的特点。而作为无人售货模式重要载体之一的无人售货机，就是该文重点研究的对象。但市场上现有的无人售货机主要以饮料、零食为主，产品单一，不能满足学生在校园内对学习用品如电子芯片、OLED、STM32C8T6核心板等电子元器件的需求。因此，一种人与人无接触，专门针对校园内电子元器件销售的无人售货机就成为了该文想要设计制作出来的对象[1-2]。
1 整体外框结构设计
电子器件无人售货机的机械机构设计，主要由3个部分组成：售货柜、柜锁和柜门。电子元器件具有体积小、形状不一的特点。传统的售货柜采用螺旋出货方式，不利于产品自动出货，因此该款无人售货机具有适合放置电子元器件售卖，以及避免了人与人相互接触售货的特点，同时具有成本低，占用资源少，灵活性高的特点。具体设计见图1。 图1（a）是无人售货机的售货柜。由于所售卖物品为电子器件，电子器件本身具有体积小的形状特点。因此，售货柜采用传统的螺旋出货弹簧方式不利于产品自动出货。该文针对这一问题，使用货柜格子的形式放置电子器件，当用户选择好商品后，可直接从货柜格子中取出。
柜锁使用智能柜电控锁，如图1（b）所示，采用关门（断电）上锁，通电触发开锁的工作模式，由单片机来控制锁的开关。
柜门如图1（c）所示，采用透明的PC塑料门，便于用户选择心仪的电子器件。售货柜、柜锁、柜门、控制系统组装，构成一个完整的硬件结构。
2 云上数据库系统
阿里云拥有中国唯一自主研发的计算引擎和EB（EB=1，024PB=1，048，576TB=1，152，921，504，606，846，976Bytes）级的大数据存储和分析能力、10K任务分布式部署和监控，以及可靠易用的云、全局智能的大数据、云端一体的智联网和随时随地的移动协同，加之众多经典的行业解决方案，因此该文设计的校园电子器件无人售货机以阿里云为基础，个性化定制数据库处理系统。
与阿里云通信流程：登陆阿里云物联网平台，将单个货柜柜格对应的ID预存在平台上，当顾客完成支付后，柜格对应ID发送改变，云端分别向设备端的SIM800C的通信模组和通过SSH（Secure Shell Protocol，即安全外壳协议）工具向阿里云手机端发送数据。向通信模组发送数据的目的是打开规格，向阿里云手机端发送数据的目的是提醒管理员按时上货。
该数据库处理系统后台处理过程见图2。
设备的硬件由一个STM32F103ZET6单片机加上一个SIM800C通信模组构成，设备的应用逻辑运行在MCU（单片机）上，通信模组支持MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，即消息队列遥测传输）功能并提供AT指令（AT，即Attention），AT指令是应用于终端设备与PC（Personal Computer，即个人计算机）应用之间的连接与通信的指令）给MCU使用，MCU控制模组连接云端服务以及收发數据。设备厂商需要将Link SDK（Software Development Kit，即软件开发工具包）集成并运行在MCU上，让Link SDK通过通信模组连接到阿里云平台。
SDK使用MQTT与阿里云平台通信，对于该模组只支持TCP（Transmission Control Protocol，即传输控制协议）的情况，意味着MCU上需要使能SDK自带的MQTT Client（Client，即客户端），由MQTT Client将用户数据封装成MQTT协议之后通过通信模组上的TCP模块将数据发送到阿里云物联网平台。
MCU与模组之间使用UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，即通用异步收发传输器）进行连接，通过UART接收来自模组的数据，由于UART是一个字符一个字符的接收数据，因此还需要对收到的数据组装并判断AT指令是否承载TCP数据，如果是，才能将TCP数据发送给TCP连接管理模块。设备开发过程见图3[3]。
3 人机交互页面设置
3.1 上位机与串口屏人机交互页面设计
图4（a）为人机交互页面，这个交互页面通过阿里云物联网平台获得商品ID信息，并将商品ID转换成二维码，图4（b）为商品存放柜。人机交互页面由两部分组成，上侧指定区域为商品二维码，下侧指定区域为矩阵触摸按键。用户选择对应的商品，按下商品前的标号，显示相应的二维码，当用户扫码付款时，阿里云物联网平台上对应商品的ID先发生改变，显示付款成功的图案[4]。
3.2 单片机控制继电器开关设计
单片机控制继电器开关流程图见图5，当没有用户扫码时，单片机通过保持继电器断开，来保证商品防盗，增加了可靠性。当有用户扫码时，继电器开关由原来的断开位变为闭合位，产生较大的电流，控制继电器锁阀打开，用户成功取走货物，并将缺货消息告知单片机。
4 支付模块
微信小程序具有用完即走、使用即用户、曝光度高、开发周期短等特点，并且提供了微信支付的接口，简单方便。因此，该文以微信小程序为基础，设计了支付系统。该系统主要由3个部分组成，具体介绍如下。
4.1 支付模块
此模块基于微信Native支付接口开发，支持扫码开锁和支付功能，便于用户操作。
4.2 商品信息浏览模块
提供商品详细数据以及相关使用资料，方便用户查询。
4.3 个人主页模块
包括缺货提醒、历史订单、优惠券、帮助信息等。基于微信小程序的信息服务平台具有快捷、高效的特点，免去了用户下载专用软件的繁琐[5]。
5 总体使用流程
每个柜格的商品ID都已经在阿里云物联网平台上实现对应绑定，对应商品的ID数据已经存在了串口屏内存中。当顾客在串口屏的操作页面上确定选择了心仪的商品后，串口屏首先显示出对应商品的付费二维码，等顾客支付完成后，阿里云物联网平台上对应商品的ID先发生改变;然后，阿里云物联网平台一边通过SSH工具向管理员手机上的阿里云APP发送状态信息，一边向SIM800C通信模组上的TCP模块发送商品ID改变的数据;接着通信模组将数据MQTT格式通过UART发送给单片机，单片机经过算法的逻辑判断后，则会闭合与柜格相连的触电器，锁被打开，顾客就可以取出商品了;与此同时，单片机同样以UART的方式向串口屏发送已被购买成功的商品的数据，串口屏接收到数据后就会显示对应商品付费成功的页面;最后，阿里云物联网平台会通过SSH工具向管理员手机上的阿里云APP发送这笔交易的实时状态信息，以供管理员实时监控售货机内的库存情况[6]。
6 结语
该文设计的这一种电子科技无人售货机，能实现针对电子元器件的无人售卖，并通过服务器实时监控货物状态信息。该售货机现已实现产品化，性能稳定、收银界面友好、支持网络支付，同时配送部分前端存在串口屏进行人机交互信息显示，首次应用阿里云平台也能给管理员和用户一种全新的体验。该售货机主要适用于学校，未来也可根据需要来改造内部结构，广泛用于公园、医院等场所。对比2020年第四季度和2021年第一季度的售卖数据，无人售货机销售金额基本平稳，能为现有校园市场贡献15%～25%的收益。
参考文献
[1] 马培力.全自动无人售货与自动贩卖系统[J].兵工自动化，2019，39（3）：36-37.
[2] 颜莉霞.“新零售”下特许经营单店盈利模式探析[J].中国商论，2018（8）：1-2，5.
[3] 畅毅，王亮，黄劲松，等.基于BD930板卡的RTK测量系统研制[J].测绘通报，2017（1）：97-101，105.
[4] 黄丹辉.基于人机交互的电子产品设计研究[J].现代信息科技，2020（17）：1-3.
[5] 席洁.基于PKI技术的电子商务安全支付系统[J].科技创新导报，2020（9）：1-2.
[6] 吴梅，姚敦红.基于UML的无人超市售货系统设计[J].电脑知识与技术，2020（26）：1-3.
关键词：无人售货机 电子元器件 阿里云通讯 MCU（单片机）
中图分类号：TP2 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2021）02（c）-0004-04
Campus Vending Machine for Electronic Components Sales
LI Lixiang1 YAO Zijun1 QIAO Xin2 WANG Zhichun3 WANG Jiajun4 DAN Chun4
（1.School of Electronic Information and Automation， Civil Aviation University of China; 2.School of Aeronautical Engineering， Civil Aviation University of China; 3.School of Computer Science and Technology， Civil Aviation University of China; 4.School of Economics and Management， Civil Aviation University of China， Tianjin， 300300 China）
Abstract： In order to solve the problem that it is inconvenient for students to buy electronic components on campus in the case of epidemic， a campus unmanned vending machine is designed specifically for the sale of electronic components. Generally， electronic devices are small in size， and the unmanned vending machine designed by the authors takes this feature into full consideration， and has a unique shape and structure design. The database processing system of unmanned vending machine is developed by using Ali Cloud communication technology. Based on WeChat applet， the payment module of unmanned vending machine is designed. The unmanned vending machine can make it more convenient and safe for students to buy electronic components on campus， and it has significant application value.
Key Words： Unmanned vending machine; Electronic components; Ali Cloud communication; MCU
近年來，无人售货作为新兴的销售模式在我国飞速发展，它不受经营时间的影响，也没有大批进货费用、装修费用，具有经营方式灵活、回报周期短的特点。而作为无人售货模式重要载体之一的无人售货机，就是该文重点研究的对象。但市场上现有的无人售货机主要以饮料、零食为主，产品单一，不能满足学生在校园内对学习用品如电子芯片、OLED、STM32C8T6核心板等电子元器件的需求。因此，一种人与人无接触，专门针对校园内电子元器件销售的无人售货机就成为了该文想要设计制作出来的对象[1-2]。
1 整体外框结构设计
电子器件无人售货机的机械机构设计，主要由3个部分组成：售货柜、柜锁和柜门。电子元器件具有体积小、形状不一的特点。传统的售货柜采用螺旋出货方式，不利于产品自动出货，因此该款无人售货机具有适合放置电子元器件售卖，以及避免了人与人相互接触售货的特点，同时具有成本低，占用资源少，灵活性高的特点。具体设计见图1。 图1（a）是无人售货机的售货柜。由于所售卖物品为电子器件，电子器件本身具有体积小的形状特点。因此，售货柜采用传统的螺旋出货弹簧方式不利于产品自动出货。该文针对这一问题，使用货柜格子的形式放置电子器件，当用户选择好商品后，可直接从货柜格子中取出。
柜锁使用智能柜电控锁，如图1（b）所示，采用关门（断电）上锁，通电触发开锁的工作模式，由单片机来控制锁的开关。
柜门如图1（c）所示，采用透明的PC塑料门，便于用户选择心仪的电子器件。售货柜、柜锁、柜门、控制系统组装，构成一个完整的硬件结构。
2 云上数据库系统
阿里云拥有中国唯一自主研发的计算引擎和EB（EB=1，024PB=1，048，576TB=1，152，921，504，606，846，976Bytes）级的大数据存储和分析能力、10K任务分布式部署和监控，以及可靠易用的云、全局智能的大数据、云端一体的智联网和随时随地的移动协同，加之众多经典的行业解决方案，因此该文设计的校园电子器件无人售货机以阿里云为基础，个性化定制数据库处理系统。
与阿里云通信流程：登陆阿里云物联网平台，将单个货柜柜格对应的ID预存在平台上，当顾客完成支付后，柜格对应ID发送改变，云端分别向设备端的SIM800C的通信模组和通过SSH（Secure Shell Protocol，即安全外壳协议）工具向阿里云手机端发送数据。向通信模组发送数据的目的是打开规格，向阿里云手机端发送数据的目的是提醒管理员按时上货。
该数据库处理系统后台处理过程见图2。
设备的硬件由一个STM32F103ZET6单片机加上一个SIM800C通信模组构成，设备的应用逻辑运行在MCU（单片机）上，通信模组支持MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，即消息队列遥测传输）功能并提供AT指令（AT，即Attention），AT指令是应用于终端设备与PC（Personal Computer，即个人计算机）应用之间的连接与通信的指令）给MCU使用，MCU控制模组连接云端服务以及收发數据。设备厂商需要将Link SDK（Software Development Kit，即软件开发工具包）集成并运行在MCU上，让Link SDK通过通信模组连接到阿里云平台。
SDK使用MQTT与阿里云平台通信，对于该模组只支持TCP（Transmission Control Protocol，即传输控制协议）的情况，意味着MCU上需要使能SDK自带的MQTT Client（Client，即客户端），由MQTT Client将用户数据封装成MQTT协议之后通过通信模组上的TCP模块将数据发送到阿里云物联网平台。
MCU与模组之间使用UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，即通用异步收发传输器）进行连接，通过UART接收来自模组的数据，由于UART是一个字符一个字符的接收数据，因此还需要对收到的数据组装并判断AT指令是否承载TCP数据，如果是，才能将TCP数据发送给TCP连接管理模块。设备开发过程见图3[3]。
3 人机交互页面设置
3.1 上位机与串口屏人机交互页面设计
图4（a）为人机交互页面，这个交互页面通过阿里云物联网平台获得商品ID信息，并将商品ID转换成二维码，图4（b）为商品存放柜。人机交互页面由两部分组成，上侧指定区域为商品二维码，下侧指定区域为矩阵触摸按键。用户选择对应的商品，按下商品前的标号，显示相应的二维码，当用户扫码付款时，阿里云物联网平台上对应商品的ID先发生改变，显示付款成功的图案[4]。
3.2 单片机控制继电器开关设计
单片机控制继电器开关流程图见图5，当没有用户扫码时，单片机通过保持继电器断开，来保证商品防盗，增加了可靠性。当有用户扫码时，继电器开关由原来的断开位变为闭合位，产生较大的电流，控制继电器锁阀打开，用户成功取走货物，并将缺货消息告知单片机。
4 支付模块
微信小程序具有用完即走、使用即用户、曝光度高、开发周期短等特点，并且提供了微信支付的接口，简单方便。因此，该文以微信小程序为基础，设计了支付系统。该系统主要由3个部分组成，具体介绍如下。
4.1 支付模块
此模块基于微信Native支付接口开发，支持扫码开锁和支付功能，便于用户操作。
4.2 商品信息浏览模块
提供商品详细数据以及相关使用资料，方便用户查询。
4.3 个人主页模块
包括缺货提醒、历史订单、优惠券、帮助信息等。基于微信小程序的信息服务平台具有快捷、高效的特点，免去了用户下载专用软件的繁琐[5]。
5 总体使用流程
每个柜格的商品ID都已经在阿里云物联网平台上实现对应绑定，对应商品的ID数据已经存在了串口屏内存中。当顾客在串口屏的操作页面上确定选择了心仪的商品后，串口屏首先显示出对应商品的付费二维码，等顾客支付完成后，阿里云物联网平台上对应商品的ID先发生改变;然后，阿里云物联网平台一边通过SSH工具向管理员手机上的阿里云APP发送状态信息，一边向SIM800C通信模组上的TCP模块发送商品ID改变的数据;接着通信模组将数据MQTT格式通过UART发送给单片机，单片机经过算法的逻辑判断后，则会闭合与柜格相连的触电器，锁被打开，顾客就可以取出商品了;与此同时，单片机同样以UART的方式向串口屏发送已被购买成功的商品的数据，串口屏接收到数据后就会显示对应商品付费成功的页面;最后，阿里云物联网平台会通过SSH工具向管理员手机上的阿里云APP发送这笔交易的实时状态信息，以供管理员实时监控售货机内的库存情况[6]。
6 结语
该文设计的这一种电子科技无人售货机，能实现针对电子元器件的无人售卖，并通过服务器实时监控货物状态信息。该售货机现已实现产品化，性能稳定、收银界面友好、支持网络支付，同时配送部分前端存在串口屏进行人机交互信息显示，首次应用阿里云平台也能给管理员和用户一种全新的体验。该售货机主要适用于学校，未来也可根据需要来改造内部结构，广泛用于公园、医院等场所。对比2020年第四季度和2021年第一季度的售卖数据，无人售货机销售金额基本平稳，能为现有校园市场贡献15%～25%的收益。
参考文献
[1] 马培力.全自动无人售货与自动贩卖系统[J].兵工自动化，2019，39（3）：36-37.
[2] 颜莉霞.“新零售”下特许经营单店盈利模式探析[J].中国商论，2018（8）：1-2，5.
[3] 畅毅，王亮，黄劲松，等.基于BD930板卡的RTK测量系统研制[J].测绘通报，2017（1）：97-101，105.
[4] 黄丹辉.基于人机交互的电子产品设计研究[J].现代信息科技，2020（17）：1-3.
[5] 席洁.基于PKI技术的电子商务安全支付系统[J].科技创新导报，2020（9）：1-2.
[6] 吴梅，姚敦红.基于UML的无人超市售货系统设计[J].电脑知识与技术，2020（26）：1-3.