基于树莓派的全自动固液料奶茶机人机交互系统硬件设计

北京信息科技大学 常欢 张子恩 时准 徐海东 张晓青

本文提出一种基于树莓派开发板的全自动固液料奶茶机人机交互系统，该系统可以控制多种奶茶机传感器设备同时识别语音并通过扬声器、灯带、显示屏给予顾客反馈，从而达到多层面人机交互体验。本文主要阐述了该系统的硬件设计。通过树莓派接收传感器设备传递的数据，分析处理后进行反馈控制。智能手机终端可以通过物联网云平台和本地网站服务器实时了解部分系统信息。

目前市场上主流奶茶店都采用传统人工制作售卖的方式，这样就造成许多奶茶店高峰时期效率有限，顾客排队时间过长的问题，同时给店方带来的附加问题就是人工成本越来越高，与人接触过多而导致的食品卫生安全和饮品同质化难以保证。随之而来的许多无人售卖奶茶机应运而生，但市场反馈却差强人意，究其原因便是用机械臂不能根本解决效率问题同时无人售卖减少了售卖环节的交互行为，丢失了实体店铺本应该有的交流温度。而本项目组独家研发的传送带式新型固液料全自动奶茶机即可从根本解决奶茶制作的效率和卫生问题，又配以丰富的人机交互模式，带给客户以高效、卫生、有趣、好喝的购买体验。

本系统是一种利用智能感知的交互系统，对在复杂情境中的人体行为，进行语义方面的分析，以此识别出交互的主体，并能够进行主动性的响应，以此形成交互意图，对于这种情境感知智能交互，则是人机交互在发展中自然化与智能化的产物。在当下对该技术的研究中，让传感器作为与空气一样的自然元素一样，存在着人们周围，以此让智能设备可以充分的感知到用户所待在的情景，并为用户提供相应的主动性服务。在人机交互系统的运行中，可以很好的将情景信息与用户人物进行结合，以此形成自然人机交互的效果。这也是我们设计该系统想要达到的目的要求。

本文人机交互设计是基于前期团队自行设计研发的轻流水线式全自动固液料奶茶机。该设备将食品工厂流水线作业与活跃在大街小巷的自助售卖机相结合既满足高效又告别落后的机冲粉式饮品设备。通过自动化的形式辅以原材料控制满足新式现制茶饮行业顾客对于健康卫生安全、可视化强、标准化高、等待时间短的要求，同时通过设备的无人化、模块化解决企业主控制人力成本，随时更换菜单的要求。

1 系统的总体设计

系统设计目的是为了将冰冷的机器拟人化使机器更智能，更能引起顾客的兴趣，把机器定位为店员的角色。通过添加输入模块采集外部和内部信息加上芯片算法控制输出模块反馈出相应的情绪信息。

整个系统以4代树莓派为主控系统连接VB-02离线智能语音识别模块、红外人体感应器、压力传感器、漫反射光电开关等用来控制投影仪、扬声器、RGB灯带和显示屏显示，来实现顾客与机器，店员与机器交互。增加了奶茶机的趣味性，优化使用者的体验。系统的硬件设计如图1所示。

图1 人机交互系统整体设计Fig.1 Overall design of human-computer interaction system

系统主要有四部分组成：

(1)数据采集输入部分，数据输入部分包括机器各处传感器及其A/D转换模块，用于采集顾客距离机器的距离、顾客发出的语音和机器内部固液料的剩余量。采集到的数据通过串口连接到树莓派主控板。

(2)树莓派主控板，树莓派主控板集成了WiFi芯片、HDMI接口、28个可编程IO口、64GB存储卡和高速CPU可以满足多传感器的接入和控制运算要求。主控板是整个系统的核心。

(3)声光输出部分，声光输出部分包括扬声器、投影仪、显示屏和RGB灯带等。该部分受主控板控制输出趣味的视频和音频，达到人机交互的目的。

(4)物联网云平台和本地网路服务器，物联网云平台采用的是阿里云AIoT平台，树莓派通过网络接入阿里云AIoT平台将固液料剩余信息的数据传入云平台进行存储方便小程序的读取。本地网络服务器是通过树莓派建立的网络服务器，同样是用来存储固液料剩余信息的数据，与云平台的区别是数据存储在树莓派内存里，可以通过访问网页地址来读取数据。

2 系统硬件设计

2.1 离线语音识别模块

离线语音模块作为人机交互中的重要组成部分，要有足够的可靠性，离线语音模块成为我们的首选。麦克风将采集的声音经过AD转换与内置语音条做对比，模块在识别到特定语句后会通过UART串口发送信息到主控芯片，主控芯片通过输出模块做出相应的回应。

安信可的VB-02离线语音离线语音识别AI模组，模块采用平头哥32位玄铁804处理器，内部集成音频AD/DA，拥有2个UART串口如图2所示。语音识别：5m以内识别距离可调，综合识别率98%以上，识别时间小于100ms可定义词条达50条。VB-02可以使用SDK进行语音的自定义编程。

图2 VB-02 Fig.2 VB–02

2.2 人体红外感应器

人体红外感应器安装在奶茶机两侧，用来感应顾客靠近机器，树莓派控制输出设备发出声光来吸引顾客，以及提醒顾客何处取杯、取餐。

森霸的人体红外感应模块SB612，模块采用8002-4菲涅尔透镜加双元高灵敏度热释电红外传感器，支持5V供电，检测到人输出+3V高电平，延迟时间可调，探测距离10m探测角度120°。SB612模块完全满足设计的要求且具有体积小、技术成熟、兼容性好、易购得等优点。

2.3 漫反射光电开关

漫反射光电开关安装在固料容器顶部与食品固料是不接触的，在固料余量低于阈值时，光电开关输出状态改变，输出到主控板。

东门子E3F系列-M18圆柱光电开关E3F-DS30C4，主控芯片通过控制输出设备提醒店员需要加料。E3FDS30C4检测距离10～50cm，12V直流供电，常开常闭可选，外形尺寸如图3所示。

图3 漫反射光电开关外形图Fig.3 Appearance of diffuse reflection photoelectric switch

2.4 薄膜压力传感器

压力传感器固定在液料容器底部用来做压力开关，当压力低于固定阈值时，主控芯片控制输出设备提醒店员加料。

RP-C电阻式压敏传感器是电阻值随着作用于感应区上的压力增大而减小的柔性薄膜传感器。压力感应范围可选，选择改传感器可以做压力感应开关，添加到液料容器底部当容器的液料量低于阈值对应的薄膜压力传感器的阻值增大，通过电阻电压和AD转换传入主控芯片进行比较。RP_C电阻式压敏传感器耐久性寿命长，响应速度快，产品外形可定制，厚度0.4mm。

2.5 树莓派开发板

树莓派4B开发板具有1.5GHZ的四核处理器，运行内存4GB，拥有多个GPIO口、2个HDMI口，音频输出口、千兆网口等如图4所示。作为系统的主控板，开发板具有多种扩展接口，出色的运算能力，较大的储存空间。树莓派支持多种语言开发，可以安装操作系统。

图4 树莓派4BFig.4 Raspberry PI 4B

2.6 灯带

选用TEP的RGB5V灯带，该灯带可随意拆解黏贴，1600w色，具有定时开关和多种律动模式，具有防潮、耐老化、耐高温等优点，可以完全适应奶茶机设备中的高温潮湿等复杂情况，并且具有过压过载、电流短路等五重保护，对于设备高负载时的复杂用电情况多了一重保护。

2.7 LED屏幕

选用松耀24寸无边框屏两块，分别放置于设备左侧和右侧作为引导和取杯提醒功用，分辨率1920×1080，具有VGA和HDMI接口，足够设备展示使用。

3 结语

本文以智能感知交互系统相关技术为核心，对基于树莓派开发板的全自动固液料奶茶机人机交互系统进行设计，解决了以往自动售卖设备人机交互设计过于简单而带来的销售过程体验感差的问题。同时考虑了技术成熟度、性价比、设备适用性以及操作维修简便性，完成了元件选型，设计了整个系统。