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一、項目介紹
隨著智能物聯網技術的不斷發(fā)展，人們的生活方式和消費習慣也正在發(fā)生改變。如今越來越多的人習慣于在線購物、自助購物等新型消費模式，因此智能零售自助柜應運而生。
本項目設計開發(fā)一款基于STM32主控芯片的智能零售自助柜，通過重力傳感器監(jiān)測貨柜內商品重量變化，并通過WiFi通信模塊與手機端實現交互。用戶可以通過輸入賬號密碼，柜門自動打開，用戶自取商品后關閉柜門，柜門鎖定，系統(tǒng)根據重量變化判斷用戶拿取的商品并從賬戶自動扣費。同時，用戶也可以通過手機端查看消費流水、商品庫存，并進行補貨和充值等操作。
智能零售自助柜的應用場景非常廣泛，可以應用于商場、超市、酒店、機場、車站等各類場景。通過自助購物，可以提高消費者的消費體驗和購物效率，同時也降低了商家的人力成本和物流成本。
二、設計思路
【1】功能細節(jié)總結
（1）ESP8266配置成AP+TCP服務器模式與手機APP連接。
（2）手機APP可以完成用戶的注冊，充值功能，然后通過連接貨柜將數據同步到貨柜的存儲芯片上（W25Q64-FLASH保存數據）。
（3）手機APP連接貨柜之后，可以拉取數據顯示，了解貨柜現在的物品哪些已經售賣出去，哪些還沒有售賣。，每個物品是放在一個貨柜格子里，透明玻璃可以查看到物品。
【2】硬件選型
- 主控芯片：STM32F103RCT6是一款主流的32位ARM Cortex-M系列微控制器，具有高性能、低功耗和易于開發(fā)等特點，因此被選擇作為該系統(tǒng)的主控芯片。
- 重力傳感器：HX711重力傳感器模塊采用24位高精度芯片，能夠精確測量重量，適用于該系統(tǒng)中貨柜內商品的重量監(jiān)測。
- SG90舵機：該系統(tǒng)需要控制柜門的打開和關閉，因此使用舵機來實現柜門控制。
- 矩陣鍵盤：用戶需要輸入賬號密碼進行登錄，因此使用矩陣鍵盤作為輸入設備。
- 顯示屏：OLED顯示屏具有低功耗、高對比度、快速響應等特點，適用于該系統(tǒng)中的桌面顯示界面。
- WiFi模塊：ESP8266-WIFI模塊是一款成本低、體積小、性能穩(wěn)定的WiFi通信模塊，適合在該系統(tǒng)中與手機APP進行無線通信。
【2】程序設計思路
- 初始化系統(tǒng)，包括各個外設的初始化，如WiFi模塊、重力傳感器HX711模塊、矩陣鍵盤等；
- 用戶輸入賬號密碼，判斷是否為有效用戶；
- 根據重力傳感器讀取貨柜內商品重量，判斷用戶拿取的商品并從賬戶自動扣費；
- 控制柜門打開和關閉，同時顯示屏上顯示相關提示信息；
- 同步數據到手機APP。
【3】設備操作流程
- 用戶輸入賬號密碼，系統(tǒng)進行驗證，判斷是否為有效用戶；
- 如果驗證通過，屏幕上顯示“登錄成功”，并顯示貨柜內商品列表和對應價格；
- 用戶選擇需要購買的商品，系統(tǒng)根據重力傳感器讀取貨柜內商品重量，并判斷用戶拿取的商品并從賬戶自動扣費；
- 系統(tǒng)控制電磁鎖或舵機將柜門打開，用戶自取商品后關閉柜門；
- 重力傳感器監(jiān)測到貨柜內重量變化，系統(tǒng)自動判斷用戶拿取的商品種類和數量，并在顯示屏上顯示相關提示信息，如顯示扣費金額；
- 控制柜門鎖定，確保商品安全，同時在顯示屏上顯示“門已鎖定”等相關提示信息；
- 同步扣費記錄和商品庫存信息到手機APP，以便用戶查看消費流水和進行補貨等操作。
- 如需要充值，用戶可以在手機APP上進行余額充值操作。
三、代碼實現
【1】OLED顯示屏驅動代碼
下面是OLED顯示屏的測試代碼。使用的SPI接口的OLED顯示屏。
#include "stm32f10x.h"
#include "OLED.h" // OLED驅動庫頭文件
void OLED_ShowString(uint8_t x, uint8_t y, uint8_t *str)
{
uint8_t i = 0;
while(str[i] != '?'){
if(x > OLED_WIDTH - 8){ // 滿行自動換行
x = 0;
y++;
}
OLED_ShowChar(x, y, str[i]); // 顯示單個字符
x += 8; // 水平方向上的下一個字符
i++;
}
}
void OLED_SPI_SendByte(uint8_t data)
{
while(SPI_I2S_GetFlagStatus(OLED_SPI_PORT, SPI_I2S_FLAG_TXE) == RESET); // 等待發(fā)送緩沖區(qū)空
SPI_I2S_SendData(OLED_SPI_PORT, data); // 通過SPI發(fā)送數據
}
void OLED_WriteCmd(uint8_t cmd)
{
OLED_DC_Clr(); // 將DC置為0，表示發(fā)送命令
OLED_CS_Clr(); // 將CS置為0，選中OLED芯片
OLED_SPI_SendByte(cmd); // 發(fā)送命令
OLED_CS_Set(); // 將CS置為1，取消OLED芯片選中
}
void OLED_WriteData(uint8_t data)
{
OLED_DC_Set(); // 將DC置為1，表示發(fā)送數據
OLED_CS_Clr(); // 將CS置為0，選中OLED芯片
OLED_SPI_SendByte(data); // 發(fā)送數據
OLED_CS_Set(); // 將CS置為1，取消OLED芯片選中
}
int main(void)
{
uint32_t i;
// 初始化SPI接口
SPI_InitTypeDef SPI_InitStructure;
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_SPI1, ENABLE); // 打開SPI1時鐘
SPI_InitStructure.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex; // 設置SPI工作模式
SPI_InitStructure.SPI_Mode = SPI_Mode_Master;
SPI_InitStructure.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b; // 數據位寬8bit
SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_Low; // 時鐘極性為低電平
SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_1Edge; // 時鐘第一個邊沿采樣
SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft; // 軟件控制CS信號
SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_256; // 預分頻系數為256
SPI_InitStructure.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB; // MSB先行
SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial = 7; // CRC校驗值
SPI_Init(SPI1, &SPI_InitStructure);
SPI_Cmd(SPI1, ENABLE); // 使能SPI1
// 初始化OLED顯示屏
OLED_Init(); // OLED初始化
// 顯示數字
char str[] = "1234567890";
OLED_ShowString(0, 0, (uint8_t *)str); // 在(0,0)坐標處顯示字符串
while(1){
for(i = 0; i < 10000000; i++); // 延時等待
}
}
OLED_WriteCmd 函數用于向 OLED 顯示屏發(fā)送命令，而 OLED_WriteData 函數用于向 OLED 顯示屏發(fā)送數據。OLED_SPI_SendByte 函數是底層SPI數據傳輸的關鍵代碼部分。
【2】HX711稱重傳感器代碼
#include "stm32f10x.h"
#include <stdio.h>
#include "usart.h"
#define HX711_SCK_GPIO_RCC RCC_APB2Periph_GPIOB
#define HX711_SCK_GPIO_PORT GPIOB
#define HX711_SCK_GPIO_PIN GPIO_Pin_13
#define HX711_DOUT_GPIO_RCC RCC_APB2Periph_GPIOB
#define HX711_DOUT_GPIO_PORT GPIOB
#define HX711_DOUT_GPIO_PIN GPIO_Pin_15
uint32_t read_HX711_data(void);
void init_GPIO(void);
void init_USART1(void);
void USART1_SendChar(char ch);
int main(void)
{
uint32_t hx711_value;
init_GPIO();
init_USART1();
while(1){
hx711_value = read_HX711_data(); // 讀取 HX711 傳感器數據
printf("The weight is: %d grn", hx711_value); // 通過串口打印 HX711 傳感器讀取的數據
}
}
// 從 HX711 傳感器讀取數據
uint32_t read_HX711_data(void)
{
uint32_t weight = 0;
uint8_t i;
GPIO_SetBits(HX711_SCK_GPIO_PORT, HX711_SCK_GPIO_PIN); // 拉高 SCK 管腳
GPIO_ResetBits(HX711_DOUT_GPIO_PORT, HX711_DOUT_GPIO_PIN); // 拉低 DOUT 管腳
for(i = 0; i < 24; i++){
GPIO_ResetBits(HX711_SCK_GPIO_PORT, HX711_SCK_GPIO_PIN); // 拉低 SCK 管腳，使得 HX711 將數據推入 DOUT 管腳
weight <<= 1; // 左移一位，為下一次讀取做準備
if(GPIO_ReadInputDataBit(HX711_DOUT_GPIO_PORT, HX711_DOUT_GPIO_PIN)) weight++; // 如果 DOUT 管腳為高電平，那么就在 weight 中保存 "1"
GPIO_SetBits(HX711_SCK_GPIO_PORT, HX711_SCK_GPIO_PIN); // 拉高 SCK 管腳，為下一次讀取做準備
}
GPIO_ResetBits(HX711_SCK_GPIO_PORT, HX711_SCK_GPIO_PIN); // 最后時刻需要拉低 SCK 管腳一次
weight = (weight ^ 0x800000) - 0x800000; // 將讀出的24位二進制重量值轉化為帶符號數，這里我們只考慮單通道讀取的情況（如有多個物理傳感器需進行一定的計算處理）
return weight;
}
// 初始化 GPIO 管腳
void init_GPIO(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
RCC_APB2PeriphClockCmd(HX711_SCK_GPIO_RCC | HX711_DOUT_GPIO_RCC, ENABLE); // 打開 SCK 和 DOUT 管腳時鐘
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = HX711_SCK_GPIO_PIN;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(HX711_SCK_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure); // 初始化 SCK 管腳
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = HX711_DOUT_GPIO_PIN;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(HX711_DOUT_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure); // 初始化 DOUT 管腳
}
// 初始化 USART1
void init_USART1(void)
{
USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE); // 打開 USART1 時鐘
USART_InitStructure.USART_BaudRate = 115200; // 波特率 115200
USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b; // 數據位 8 位
USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1; // 停止位 1 位
USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No; // 無奇偶校驗
USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None; // 無硬件流控制
USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Tx; // 只啟用串口發(fā)送
USART_Init(USART1, &USART_InitStructure); // 初始化 USART1
USART_Cmd(USART1, ENABLE); // 使能 USART1
}
// 通過 USART1 發(fā)送字符
void USART1_SendChar(char ch)
{
while(USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET); // 等待發(fā)送緩沖區(qū)為空
USART_SendData(USART1, (uint8_t)ch); // 發(fā)送數據
}
代碼執(zhí)行流程說明：
（1）通過 init_GPIO() 函數初始化 SCK 和 DOUT 兩個 GPIO 管腳，并通過 init_USART1() 函數初始化 USART1 串口。其中，初始化 SCK 管腳為輸出模式，DOUT 管腳為輸入模式，USART1 算是串口助手，用于將數據打印輸出。
（2）read_HX711_data() 函數用于向 HX711 傳感器發(fā)出讀取數據的指令，并將返回的數據進行處理（將24位二進制重量值轉化為帶符號數）后返回。
（3）在主函數的 while 循環(huán)中，不斷調用 read_HX711_data() 函數讀取 HX711 傳感器的數據，并通過串口打印出來。
【3】SG90舵機控制代碼
下面是SG90舵機的控制代碼，可以按照指定的角度旋轉。
#include "stm32f10x.h"
#include "delay.h"
#define GPIO_PORT GPIOA
#define GPIO_PIN GPIO_Pin_1
#define RCC_APB2Periph_GPIO RCC_APB2Periph_GPIOA
#define PWM_FREQ 50
void servoInit(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIO, ENABLE);
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_PIN;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 9999; //計數器最大值
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = (72 * 2) - 1; //時鐘分頻，72是系統(tǒng)時鐘頻率，2是倍頻
TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseStructure);
TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;
TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;
TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 0;
TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;
TIM_OC1Init(TIM2, &TIM_OCInitStructure);
TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);
}
void servoSetAngle(uint8_t angle)
{
uint16_t pwmVal = (uint16_t)(500 + angle * 10.0 / 9.0);
TIM_SetCompare1(TIM2, pwmVal);
delay_ms(100);
}
int main(void)
{
SystemInit();
delay_init();
servoInit();
while(1)
{
servoSetAngle(0);
delay_ms(1000);
servoSetAngle(90);
delay_ms(1000);
servoSetAngle(180);
delay_ms(1000);
}
}
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