智能餐馆一体化系统设计

郝传斌，王奂奇，陈 梅

(曲阜师范大学工学院,山东 日照 276826)

0 引言

随着自动化技术的发展，传统餐馆弊病明显。传统餐馆服务人员众多、成本较高，非就餐高峰期就餐人较少，会造成人工成本浪费。在高峰期，许多餐馆效率较慢，存在排队点餐、配送不及时等问题。由于人民生活节奏的加快和对于餐饮质量要求的提高，要缩短就餐时间，增加餐馆的智能化和观赏性。本文设计的智能餐馆具有智能点餐系统，能自动分配座位，自动识别餐盘和自动配送等。该系统提升了服务效率，降低了人工成本，使得顾客的满意度增加。未来系统还能与医疗健康系统等对接，根据顾客的身体情况进行推荐菜品。

1 系统的总体论证

系统由集成Kinetis MK60DN512ZVLQ10核心板和外设接口的电路板、OpenMV图像采集模块、继电器、薄膜晶体管(thin film transistor,TFT)屏自助选餐模块、语音播放模块、传送带、减速电机、机械臂、电源供电、环形餐桌组成。设计制作的印制线路板(printed circuit board,PCB)集成了各外设的接口与供电电源接口。OpenMV图像采集模块用来采集餐盘上的数字信息，并将数字信息通过串口发送到主控芯片KinetisK60。经KinetisK60处理后，对传送带的减速电机进行控制，同时控制机械臂上6个步进电机的动作。不同的餐位将对应机械臂不同的动作指令，从而达到将餐盘送到指定顾客位置的功能。语音播放模块主要完成点餐与提醒功能：在顾客点餐完成后，会有语音提醒顾客就餐位置；经过机械臂传送餐品到达后，会有语音提示顾客取餐。系统结构如图1所示。

图1 系统结构框图

2 系统的具体设计

系统主要包括智能点餐、自动送餐功能。系统操作流程如图2所示。

图2 系统操作流程图

2.1 智能点餐功能

智能点菜系统由TFT显示屏和语音模块组成。TFT显示屏由七个引脚组成。其中，前两个是驱动电压输入引脚，输入为3.3 V。中间四个为SPI串口通信引脚，分别是CS片选输入、SCK时钟输入、SDI数据输入和D/C数据/命令选择[1]。SPI串口通信不仅操作简单、传输效率高，而且只占用单片机4个I/O，节约了单片机I/O口资源，为以后增加其他功能提供了I/O口。最后一个为RST复位引脚。当屏幕上电打开时，控制TFT初始化，使其工作稳定，大大减少了花屏、黑屏等故障。语音模块采用JQ8900-TF，支持U盘和TF卡，可以采用单片机串口控制，也可以使用按键进行一对一或多对一控制等多种控制模式。这个模块有7个触发I/O管脚，最多支持19段语音触发播放。通过USB转TTL模块，将计算机和JQ8900-TF语音模块连接起来，再通过调试软件进行串口调试，快速方便。

将菜单显示在屏幕上，顾客选择菜品后，会将选择的菜品显示在屏幕上，并发送至单片机进行处理，然后由单片机随机给顾客分配座位；也可由顾客自行选择合适的位置，分配好座位之后单片机会将对应于语音模块的引脚变为低电平；语音模块接收到低电平后，提醒顾客就座位置。单片机引脚恢复高电平，语音播放模块停止播放。

2.2 自动送餐功能

2.2.1 餐盘标志采集模块的选取

餐盘标志采集选用OpenMV3摄像头。OpenMV3是一种具有独自处理芯片的摄像头，其内置处理器为STM32F765VI ARM Cortex M7，通过高级语言Python编程使用，常用于机器视觉领域。通过其I/O管脚控制OpenMV使得摄像头与系统主控进行串口通信。OpenMV摄像头中的感光元件为OV7725，在80帧率下可以处理640×480个点的灰度图或者320×240个点的RGB565 彩色图像[2]；大多数简单的算法运行在30帧率以下。采用OpenMV3摄像头可以达到系统采集餐盘信息的要求。

2.2.2 餐盘标志的采集

顾客的餐位确定后存入单片机中，并通过表单告知厨师在做好餐后放入标有餐位标号的餐盘中，餐盘上的标志为餐位数字信息。采用读取数字信息的方法为模板匹配法。模板匹配可应用于目标跟踪、图像识别等领域。它是一种识别特定图像的方法。这种识别算法简单，在图像方位、大小变化不大的情况下识别成功率高，应用范围很广泛[3]。首先，在OpenMV的外插SD卡内存入标号的图片信息作为对比模板，在摄像头下一旦经过扫描对比发现与内存中存入的模板一致的餐盘，将会通过串口RX、TX向K60单片机发送相应的数字信号。比如：识别到的餐盘信息为15号，则识别出该信息后，OpenMV将会向K60发送信号“15”；单片机得到指令后，将会自动分配传送带定时时间，传送给顾客餐食。

2.3 自动配送装置

自动配送装置由继电器、减速电机、传送带和机械臂组成。选用带光耦隔离的继电器，性能比较稳定，并且驱动能力强、触发电流小。控制方案为：将Kinetis K60的其中一个控制引脚接到继电器的输入端，通过Kinetis K60发出的控制信号控制继电器的开通与关断，从而控制传送带的启停。将减速电机中的一根线分别接到继电器输出端的常开接口和COM接口。当继电器输入端有效时，输出端的常开接口和COM就会闭合，进而减速电机接通，传送带开始工作，也就是开始传送餐食。当继电器输入端无效时，输出端的常开接口和COM就会悬空，进而电机不接通，说明餐食已经送到指定顾客位置。用继电器来控制传送带，以此来节省用电，降低餐馆成本。

系统采用了小体积、低噪声、大扭矩的减速电机带动传送带，以便及时地将顾客点的餐送到顾客面前。当顾客的餐做好之后，OpenMV3识别餐盘信息，然后将信息传给KinetisK60。经过KinetisK60处理，首先单片机会给继电器输入端一个高电平，使电机转动。当电动机转动后，测速装置会将采集的数据传给单片机，经过比例积分微分(proportional integral differential,PID)调速会使电机的速度平稳，保持在预先设定的速度。通过计算时间，得到传送带传送的距离，传送的距离不断反馈到单片机。当到达顾客的位置之后，单片机控制继电器关断和语音模块播放提醒顾客。同时，机械臂上的6个步进电机互相配合，将餐从传送带上取下放到顾客桌上。

在传送带上设计了专门放置餐盘的固定槽，使得餐盘在传送带上传送时更加平稳，并且增加了openmv识别的成功率。

2.4 电源模块的设计

本设计主要是对单片机KinetisK60、OpenMV3、TFT显示屏和继电器等设备进行供电。KinetisK60单片机openmv的稳定工作电压都为3.3 V。TFT显示屏工作电压3.3 V或5 V，一般选用3.3 V。继电器采用5 V供电，所以设计了5 V和3.3 V电源电路。根据需要，并查找稳压芯片数据手册，选用了LM2940-5.0 V和LM2937-3.3 V低压差三端稳压芯片[4]。这两种稳压芯片输入输出之间的损耗非常小，输出电流大并且内含静态电流降低电路、电流限制、过热保护、电池反接和反插入保护电路。在电源输入端和输出端分别加了两个电容进行滤波，保证输出电源稳定，使单片机和各种设备工作在稳定状态,并使用Altium Designer绘制了原理图[5]。电源电路如图3所示。

图3 电源电路图

2.5 系统控制器的选取与编译环境

系统控制器选用KinetisK60系列的Kinetis MK60DN512ZVLQ10核心板。采用Cortex-M4内核拥有128 KB RAM 和512 KB FLASH，系统主频为100 MHz，处理速度比一般的单片机更快，并且低功耗，可带外设，更适用于工业领域[6]。控制器适用于处理大批量的串口通信信息，可更加准确地控制系统的正常、稳定运行。

主控芯片KinetisK60的程序编译器使用的是IAR Embedded Workbench。IAR是对于嵌入式系统进行编译和调试的工具，适用于汇编、C、C++语言，可以通过各种监控手段进行对于系统程序的调试，编译速度快，适用于各种系统开发[7]。而OpenMV的图像处理使用OpenMV IDE进行编程，使用语言是Python。Python使用较为简单，对于图像处理更加方便。

2.6 与餐馆物联网管理系统的通信接口设计

为了更加方便地管理和监控各部分系统的执行情况，在系统中设计了反馈部分。顾客点完餐之后的数据将保存在单片机的RAM中，并通过串口传输到计算机端进行同步显示[8]。由于KinetisK60输出TTL电平，而计算机输出的是RS-232信号，将KinetisK60接一个MAX232芯片进行转换，这样KinetisK60的数据就可以发送到计算机上[9]。当顾客取完餐之后，也会通过串口给单片机发一个信号，提醒监管人员。这样监管人员可以随时了解餐馆内运作情况，减少或避免一些错误发生。未来，也可以将顾客点餐或用餐口味等数据整理出来进行分析，得到大部分人喜欢的口味或菜品，供厨师参考。

3 系统的创新点

①本设计采用了TFT显示屏显示菜单和点菜，不仅替代了传统的纸质菜单、更加全方位诠释餐厅特色及饮食文化，而且大大节省了点餐所用的时间，更加方便快捷。

②本设计主控采用了KinetisK60单片机。其具有较强的处理能力，运算速度更快，对座位的分配以及各个系统的控制具有明显的优势。

③采用了openmv3摄像头对餐盘上的标志进行图像识别。它自带STM32F765VIARM Cortex M7的处理器，处理图像更快、更准确，后续还可增加人脸识别等功能。

④采用传送带和继电器配合传送食物，更加快速。

4 结论

以KinetisK60为核心，基于OpenMV摄像头设计的智能餐馆系统，具有自助点餐、自助分配餐位、自动配送餐食等功能。该设计解决了传统点餐、送餐效率低、速度慢等问题，提高了餐馆的服务效率。