物联网产品开发路径：制造一台智能售货机

为了展示利用云数据分析开发的、用于零售的快速产品开发路径解决方案，利用英特尔® 物联网开发人员套件和 Grove* 商用物联网开发人员套件创建了一个概念验证，并利用英特尔® 物联网网关、工业传感器、英特尔® 物联网网关软件套件、英特尔® System Studio 和 Microsoft Azure*，将其扩展为一项工业解决方案。该解决方案监控售货机的库存、产品销售和维护。网关收集来自温度传感器、步进电机、线圈开关和产品购买应用的数据，并将其用于边缘数据分析。

本文包含智能售货机原型的创建概述。如欲获取操作指南，请访问物联网产品开发路径：如何创建一台智能售货机。

请访问 GitHub*，获取该项目的最新代码示例和文档。

物联网 (IoT) 的关键机遇源于为日常设备添加智能化功能，作为改善设备操作、提高业务操作的效率和效益的手段。例如，售货机无处不在，非常常见，这种配有硬币或货币识别器的机器为各种类型的零售商带来可观的潜在收入来源。正因如此，近几年售货机提供的货物范围大幅扩大，包括机场和其他场所普遍销售的消费电子产品。

相比其他零售点，售货机有其独有的优势，它们每天 24 小时，全年 365 运行，且无需收银员。此外，它们为分销商提供了其它销售方式无法提供的极大控制，如对公共区域、办公楼的控制。但是与此同时，售货机需要定期服务：频繁地补充销售产品，定期进行计划内及计划外的维护。 

阅读本文后，售货机所有者将更深入地了解售货机设备每个组件的状态，有助于其提升服务效率。英特尔开展了一个开发项目，研究这一问题以及与构建智能售货机相关的其他机遇。完整的设备如图 1 所示。该项目的灵感很大程度上来源于 英特尔和凌华科技提供的智能售货机解决方案蓝图。本文详细介绍了项目开发工作的流程。文本从介绍结构化项目方法开始（分为多个阶段），然后按阶段详细介绍项目开发过程。 

如果您对此感兴趣，可以按照本文中英特尔项目团队采取的步骤，开发一台智能售货机。或许更重要的是，本文可被概括为一套指导方针，以满足其他项目类型的需求。英特尔免费提供这一文档，鼓励使用这一方法和流程推动物联网的探究、发明和创新。

 

 

---

方法

从本质上来讲，物联网采用开放式创新，利用种类繁多的项目，实现简单设备到复杂设备、日常设备到新型设备的智能化。与此同时，每个项目都基于行业从以前的物联网项目中获取的经验，最佳实践表明了物联网项目之间的共同结构元素。

为了充分利用这些共性并帮助提高开发的成功机会，英特尔开发了一种结构化的物联网项目开发方法。这种方法包含一个六阶段模型，指导着从灵感的初现到解决方案投入最终商业使用的整个产品开发流程。它具有较大的通用性，能够满足任何物联网项目的需求。

起始阶段 (1-3)

项目方法的前三个阶段是调查。着重于构思和评估项目解决特定问题的潜力，为产品的最终商业化实施做准备。因此，相比严格处理更精细的设计点，这些阶段更注重集思广益和概念验证。 

Grove 物联网商业开发人员套件包含一个英特尔® NUC 系统、英特尔物联网网关软件套件和面向 Arduino 与 Genuino 101 的 Grove Starter Kit（由 Seeed 制造），可帮助实现快速原型开发。该项目还使用了 Arduino 101*（美国以外地区称为 Genuino 101*）开发板。

• 第一阶段：确定项目可以利用的机会。物联网项目的第一步是确定项目将面临的问题或机会。这一阶段的文档应确定机会本身、解决方案（对于最终用户以及构建和实施的机构）的价值以及项目概念的局限性，包括设计挑战和限制。
• 第二阶段：设计概念验证，以利用机会。最初的解决方案设计提出了一种实用的解决方案构建方法，包括硬件、软件和网络元素。设计必须尽可能在构建原型之前解决第一阶段中确定的设计挑战和限制，包括适当考虑成本和安全性等因素。
• 第三阶段：构建和完善概念验证。解决方案原型基于第二阶段中创建的设计，根据需要进行变更并记录下来。在这一阶段中，基于缺点的设计变更和测试期间发现的其他机会也应该记录下来。

完成阶段 (4-6)

项目方法的最后三个阶段只有在决定进行解决方案产品化之后才进行。因此，这些阶段明确涉及稳定性、安全性和可管理性方面的增强，准备产品的大规模生产以及从中盈利以实现其商业潜力。

项目的完成阶段包括将解决方案变为工业级传感器和相关组件，使用商业级网关构建并完成功能集。

• 第四阶段：生成可靠的测试版。项目一旦获批为可行的解决方案，并计划针对生产而开发，下一步便是明确最终设计，生产以产品为导向的版本。此版本代表着对资源的大量投资，包括商业级传感器和其他组件以及商业物联网网关。
• 第五阶段：评估功能并添加特性。对完成的解决方案测试版本进行了测试，以验证其能否根据设计参数正常运行。作为测试流程的一部分，项目团队还确定了融入解决方案的附加特性和功能，使其更加强大，并为最终用户提供更多的价值。
• 第六阶段：完成设计并进入生产。产品具有完整功能后，团队会通过添加高级管理和安全特性来增强解决方案，并根据需要优化设计，以增强制造的适销性和效率等因素。解决方案的生产用户界面 (UI) 已经完成。这一阶段的工作还包括在进入全面生产之前进行解决方案销售和营销的最终规划。

第一阶段：确定机会 

尽管传统的售货机收入来源很可观，但是效率非常低下。每台售货机必须由维护人员定期补充机器的库存产品。通常为售货机指定固定路线，工作人员驾驶卡车，按照常规路线完成供货。

为了便于理解这个方法固有的低效性，给您举例说明，如果送货路线正好经过一幢高层办公楼。工作人员在办公楼前停下，他面临两个选择，一是猜测第 15 或 20 层的售货机需要补充哪些货物，把货物搬到上面后，再返回卡车搬走剩下的货物。二是利用手中的记事本详细制定库存补充计划。上述两个方法都花费了不必要的时间和精力，加大了售货机公司的成本。 

此外，分销商必须平衡工作人员补充货物的频率，如果过于频繁，浪费了工作时间，如果间隔时间过长，售货机货物空缺，损失收益。分销商在某种程度上需要依靠最终客户上报售货机的故障，从而加剧了这一状况的严峻性。

英特尔的项目发起人确定，将智能售货机作为潜在项目的基础，以展示物联网功能和本文所述的项目方法。该核心组确定了项目期间可能需要的技能，包括项目管理、编程、云架构和文档。根据所需的技能列表，核心组成立了完整的项目团队，项目人员主要由英特尔员工构成，偶尔加入一些外部人员，以完善团队的专业知识。

整个项目团队的第一个议事日程是量化该项目作为初期原型设计的潜在机遇。该使用案例的核心功能是支持售货机智能监控产品库存水平和操作状态，并通过物联网网关将信息返回云。

项目团队决定集成云资源，以实现数据存储和管理功能。该方法旨在助力开发完全连接的可扩展解决方案，利用售货机组的整体环境，优化操作。云方法的主要价值在于其预测销售的分析潜力，有助于优化彼此分散的多台售货机的供应链。还有助于优化负责补充机器库存、执行计划外维修的工作人员的效率。

第二阶段：设计概念验证原型 

项目团队决定，为了尽可能增强项目的实用性，以满足开发人员社区的需求，应基于现成的部件和技术开发该项目。基于这个决定，将物料清单限定为 Grove 商用物联网开发人员套件、英特尔物联网开发人员套件和英特尔物联网网关软件套件 (https://software.intel.com/zh-cn/iot/hardware/gateways/wind-river)，利用在行业内广泛应用的低成本或免费软件技术，并随时应用免费开源软件 (FOSS)。

为了加速原型阶段并降低其复杂性，该团队选择将原型的局部部分构建为一个工作台模型，这个模型包含计算平台和传感器，而不包含实际的售货机，尽管在项目的未来阶段需要添加这样一个实际比例的设备。

原型硬件选择

此项目选用了英特尔® NUC 套件 DE3815TYKHE 小型 PC。这个平台如图 2 所示，其高级规范在表 1 中给出。除了具备强大的性能，该团队认为，由于英特尔最近推出了专门针对物联网的硬件平台，可以为该展示项目提供前瞻性选择。英特尔 NUC 基于英特尔® 凌动™ 处理器 E3815，提供一款无风扇散热解决方案、4GB 板载闪存存储（以及用于额外存储的 SATA 连接）以及各种 I/O。英特尔 NUC 被认为是一款高度紧凑和可定制的设备，可提供台式 PC 规模的功能。

为了简化连接传感器的流程，该团队选择采用使用 Arduino 101 开发板的 Arduino 生态系统，如图 2 所示，其规格如表 1 所示。这一开发板可让英特尔 NUC 的硬件和引脚与 Arduino 盾板兼容，这符合项目团队的开源理念。虽然项目的当前迭代中没有使用蓝牙®，但开发板具有该功能，团队正在考虑未来进行使用。

表 1：智能售货机项目使用的原型硬件

对于原型创建过程中所需的传感器和其他组件，团队选择采用面向 Arduino 和 Genuino 101* 的 Grove Starter Kit （由 Seeed Studio制造），后者在 Grove 商用物联网开发人员套件中使用。这个系列的组件成本较低，由于它是预先选择的一组部件，因此可减少确定和获取物联网原型的材料清单所需的工作量。为原型选择的传感器和其他组件（在下一部分中详述）由以下关键数据引导：

• 售货机的内部温度
• 售货机每件待售商品的库存水平
• 售货机门开启或关闭状态
• 售货机线圈堵塞检测

原型软件规格

对于原型操作系统，该团队考虑了 Yocto Project*-built Linux 和英特尔物联网网关软件套件。Yocto Linux 符合项目利用免费开源软件 (FOSS) 的构想，还提供了高度的灵活性，对源代码的有力控制，以及根据系统需求定制轻量化嵌入式操作系统的功能。另一方面，英特尔物联网网关软件套件提供即购即用的实施，无需定制。该团队将这些因素组合作为原型开发的最佳实践，因此选择了英特尔物联网网关软件套件作为原型的操作系统。

下列应用被确定作为解决方案的一部分进行开发：

• 控制应用：在售货机上运行，收集来自传感器的数据，处理解决方案机电方面的操作（例如开/关货架线圈），并与人类用户（例如客户和管理员）以及云交换数据。
• 管理应用：在 PC 或平板电脑上运行，并允许详细查看售货机的操作，包括事件、状态和日志以及访问云数据和分析。该应用还支持常规维护。
• 客户应用 （也被称为移动应用）：在智能手机或其他移动设备上运行，支持客户购买售货机中的产品。 

第三阶段：构建和完善概念验证原型

通过使用英特尔® NUC 套件 DE3815TYKHE、Arduino 101 开发板和物联网版 Grove Starter Kit Plus，该团队开发了概念验证原型，以模拟能够分发两种产品的简单售货机，如图 3 所示。它包括一台 2x16-字符的 LCD 显示屏（用于显示产品名称和价格信息）、两个选择按钮、一个用于分发产品的步进电机和两个显示机器状态的 LED（分别为绿色和红色）。还包括一台温度传感器和一个“故障检测”按钮。按下电脑应用中的购买按钮后，将分发产品；为了简单起见，原型省略了支付处理硬件。

原型硬件实施

原型的物料清单如表 2 所示。

表 2.智能售货机原型组件

原型软件实施

概念验证原型中使用的控制应用是用 C++ 编写的。还利用了一台 Node.js* 组件，用于处理 Microsoft Azure 云。云用于与客户和管理应用（如温度警报和产品分发要求）交换事件。客户应用是用 JavaScript* 编写的（在 web 浏览器中使用），以避免将应用迁移到多个智能手机平台的需要。

解决方案软件所需的开发环境是英特尔® System Studio，它是一个面向 Eclipse* IDE 的插件，支持以 C/C++ 的方式连接英特尔 NUC 和开发应用。

此外，开发该解决方案还使用了 libmraa*（一种 C/C++ 库，支持在英特尔 NUC 上直接访问 I/O）和 Firmata*（支持与 Arduino 开发环境的编程交互，以利用 Arduino 的硬件抽象功能）。使用 Libmraa 提取 Firmata 可以更好地对英特尔 NUC 上的 I/O 进行编程控制，从而简化从传感器收集数据的流程。UPM* 库提供用于访问传感器的特定功能调用。

第四阶段：生成可靠的测试版。

概念验证正常运行后，项目团队将重心转移到创建智能售货机的生产版。整个解决方案被认为包括以下主要部件：

• 一台售货机：能够分发产品，并将数据返回网关。这是一个复杂的解决方案定制部件，包含各种传感器和相关组件。
• 网关：作为基于英特尔架构的商业产品购买，并使用定制开发的软件实施。
• 管理和客户应用：在 JavaScript 中改进与实施，用于控制整个解决方案，生成并访问基于云的分析。
• 云分析：基于 Microsoft Azure，能够基于来自售货机的定期使用数据形成洞察，以改进业务流程。

选择售货机组件

项目完成阶段的早期成果包括选择将构成最终投产解决方案的特定组件。

售货机设备采购

团队建造的概念验证原型是对售货机的主板级模拟，但是，生产版需要建造实际的、功能完备的售货机。该团队计划建造一台定制机器，或购买一台二手机器，然后针对项目要求对其进行改造。最终，选用了定制机器，这样将确保出售的产品范围最为广泛。定制机器的最初规格和制造初期的机器图片如图 4 所示。

售货机模型规格

定制台式售货机出售各种盒装、泡罩包装或袋装的小型产品。为了适应产品的不同尺寸，对三个受线圈驱动的售货机托盘进行配置：

• 乘放 12-14 个小型泡罩包装产品的 3 英寸紧凑间距线圈
• 乘放 9-12 个中型盒装产品的 4 英寸中型间距线圈
• 乘放 6-8 个大型盒装产品（如 T 恤）的 5-6 英寸稀疏间距线圈

每台步进电机驱动一个线圈，将产品推入机器底部的托盘。人们可以透过塑胶玻璃表面查看售货机产品，还为英特尔显示器和/或数字键盘留有截孔。

机体为黑色亚光钢板，托盘为铝制，货架线圈为镀钢材质。打开售货机的正面，可以补充货物；打开背面能够安装、维修售货机机制。 

预计售货机深度为 24-30 英寸，高为 36 英寸，宽为 30 英寸。总体目标重量为 70 磅以内。

客户应用能够支持产品购买。

图 4.售货机规格和制造过程中的设备照片

这个阶段还制定了一些其他的关键决定，包括选择工业级传感器、一台基于英特尔® 架构的商业网关、一个全面支持生产的操作系统、用于数据存储与分析的云服务和面向管理和客户应用的软件技术。

选择传感器和相关组件

工业级传感器和相关组件替代了概念验证原型所中的相应 Grove Starter Kit 组件，详细信息见表 3。

表 3.生产版智能售货机组件

选择在智能售货机产品版中使用的网关时，请注意以下因素：

• 强大的计算资源：用于确保平稳的性能，消除操作过程中因中断而引起的错误，尤其需要考虑与云进行通信的正常使用需求。
• 现成的商业可用性：是项目按计划进行所必需的。某些团队成员更偏好 Vantron* VT-M2M-QK 网关，由于无法及时获取该设备，因此，未在项目中使用。

最终，为项目产品阶段的实施选择了 Dell iSeries Wyse 3290 物联网网关，其规格详见表 4。该网关可为当前功能和可预见的功能提供所需的性能，并为作为商业产品的假设性售货机分销提供现成的可用性（可能大批量）。

表 4.智能售货机产品阶段的网关规格

继续使用英特尔物联网网关软件套件（原型基于此套件）是一个明确的决定，主要是因为网关面向操作系统进行了预验证。此外，英特尔 NUC 和网关均可运行英特尔® 物联网网关软件套件，从而简化将软件元素从原型移植到产品版智能售货机模型的流程。同样地，其他核心软件组件，如英特尔 System Studio 和原型中使用的库保持不变，以轻松迁移至向产品阶段。

在线操作

如图 5 所示，系统包括在物联网网关上运行的软件、Microsoft Azure 云和服务器端应用。

物联网网关软件实施

物联网网关软件包含 3 个部分：

• 控制应用：通过英特尔物联网开发人员套件库 libmraa 和 libupm*，以 C++ 的形式实施，执行以下任务：

  查看机械故障并将故障/无故障事件报告给数据库。
  监控温度波动是否在允许范围以内，当温度超出规定范围或恢复规定范围时，报告事件。
  查看来自产品选择按钮的事件，首先在客户应用中产生，然后生成“分发”事件，通过云将事件发送至售货机。

• 本地 DB用于控制应用和 DB 后台程序之间的进程间通信。本地 SQLite 数据库使用 $HOME/Vending_Prototype/events.sqlite3文件，该文件包含“事件”表，随时将事件报告给云。双向复制云和售货机之间传递的事件。
• DB 后台程序通过 Node.js 实施，它在本地数据库和云之间双向发送报告事件。

Microsoft Azure 云实施

Microsoft Azure 云维护智能售货机的产品库存信息，跟踪来自客户应用和售货机的事件，并提供分析数据和针对不同条件触发响应（如低库存或机器故障）的功能。主要的云分析功能如下所示：

• 在产品缺货的情况下，将信息发送至云，通过管理应用向客户显示警报。 
• 如果售货机内部温度低于或高于预设置的阙值，将信息发送至云，以备分析。在管理应用中向客户显示警报。nbsp;
• 如果 3 个货架线圈中的任何一个无法正常运行，将信息发送至云，以备分析。在管理应用中向客户显示警报。 
• 如果售货机的托盘被抽出，显示“机器开启”状态，LCD 和 LED 变为红色。如果托盘被推回机体，显示“机器已准备就绪”状态，LCD 和 LED 变为绿色。

管理应用提供关于主页、设置、登录历史、库存状态和警报详情的信息。

第五阶段：完成设计并发布到生产

负责开发这一解决方案的项目团队是以工程为核心的，因此为最终产品开发一流的用户界面有些超出了该团队的核心能力。为此，该团队聘用了一位签订合同的外部人员。这名负责开发用户界面的人员与核心软件开发团队一起参加定期团队会议和专门会议。

在讨论中，不断改进用户界面，以集成其他性能和功能。例如，团队将颜色代码和选项（用于切换华氏与摄氏温度）添加至管理应用用户界面。将功能添加至客户应用用户界面后，要求客户在交易完成前验证他们的购买意向，还进行了其他小的改进。

管理应用 

管理应用用户界面（如图 6 所示）专为在平板电脑上操作而设计，并且提供面向智能售货机的管理功能。 

管理应用用户界面包含以下主要元素：

1. 菜单系统包含一个转到主界面（如下图所示）的“Home”按钮、一个显示软件信息“About”界面、一个提供硬件设置详细信息（包括放置和连接传感器）的“Setup”按钮、一个访问事件日志的“Log”按钮（用于跟踪购买、警报和维护）和一个“Alert”按钮，该按钮提供主动维护警报的相关信息，如每个警报的类型和发生时间。
2. 库存面板反映云内设置的库存水平，通过颜色代码显示不同水平：深蓝表示库存超过容量的三分之二，浅蓝表示库存在容量三分之一和三分之二之间，橙色表示库存低于三分之一。单击面板，将生成详细的库存窗口，明确显示库存量、物品所在的托盘以及每个物品的定价。
3. 温度模块是一个双阙值温度辐射图，显示售货机当前的内部温度，可以选用华氏温度或摄氏温度。白色条框代表温度在可接受的范围内，如果温度超出规定范围，系统将生成警报。软件每隔几秒调用一次温度，并更新用户界面。
4. 线圈状态模块报告售货机线圈和电机的状态，表明是否存在任何故障，如堵塞或电气故障。
5. 售货机单元模块直观显示错误条件的存在与位置信息，以及售货机门的开/关状态。

客户应用

如图 7 所示，客户应用专为在移动设备上运行而设计，支持客户在购买时与售货机进行交互。 

客户应用包括以下主要因素：

• 状态窗口显示机器是否可以接单，还具备购物车的功能，展示用户在购买前所选的物品列表。当将物品加入购物车后，出现“Buy”按钮，可以看到销售总量，单击“Buy”按钮完成购买后，应用将订单信息发生至云，售货机收到云的确认信息后，分发物品并更新库存数量。
• 订购窗口中，售货机中的每一项产品都对应一个选择按钮，单击按钮后，将产品添加至状态窗口下的购物车列表。每个产品按钮旁边都有显示库存数量和产品价格的字段。

完整的产品版智能售货机

图 9 显示了组装完成的智能售货机，已安装了网关、传感器和其他组件。

第六阶段：评估功能并添加特性

实际的产品版智能售货机正常运行后，项目团队成员开始预测可以将哪些未来可行的功能集成至产品版。

增强云分析

该团队发现利用 Microsoft Power BI* 服务和 Power BI 桌面*（一种集成至 Microsoft Azure 的云托管的业务智能和云服务），能够增强云分析功能。这些功能显著增强了智能售货机的数据可视化。

增强事件通知数据流

在评估阶段，团队确定利用事件通知和 Microsoft Azure 分析，能够对机器操作的某些方面实施自动化。尤其确定了基于以下数据流的增强功能将在未来实现：

• 库存。如果产品的数量降至两个单位以内，未来的增强功能可以向云分析发出通知，管理应用将收到重新订购库存的警报。如果库存数量降至零，将重复该流程，并向机器显示屏和客户应用发出通知，表明产品已断货。
• 维护。如果机器出现故障（如线圈无法转动一周、温度超出预设置的范围等），未来的增强功能将生成通知，并发送至云分析，服务人员将收到通知。还将向管理应用发送警报，通知其监控服务呼叫数量。

结论

在智能售货机开发过程中追踪产品开发路径，将为开发团队提供关于创建解决方案的思考模式。先是创意阶段，然后是利用低成本设备快速构建原型以及简化的物理模型，确保了项目的快速开展。因此，能够在时间和资金投入相对较少的前提下，尽早确定项目的潜在可行性。

 该项目还建议创建一个将云分析集成至物联网解决方案的模型。本实施不仅专注于大数据洞察中蕴含的机遇，还展示了云作为通信和中心数据存储所发挥的重要功能。同时，云数据为生成业务智能提供了大量的机会，有助于优化供应链、提高维护效率以及增强盈利能力。

更多信息

• 请访问 GitHub，获取该项目的最新代码示例和文档。
• 物联网产品开发路径：如何建造一台智能售货机
• 面向物联网的英特尔® 开发人员专区

不得将本文件用于关于本文中所描述的英特尔产品的任何侵权行为或其他法律解释。您同意授权英特尔随后起草的任何专利声明的非排他性、免版税许可，包括本文公开的主题。
 
本文件不构成对任何知识产权的授权，包括明示的、暗示的，也无论是基于禁止反言的原则或其他。
 
所述产品可能包含设计缺陷或错误（已在勘误表中注明），这可能会使产品偏离已经发布的技术规范。这些缺陷或失误已收录于勘误表中，可索取获得。

英特尔以“概不保证”的方式提供这些信息，仅为方便我们的客户和合作伙伴，不承担与您使用信息相关的任何责任。英特尔明确拒绝所有明确或隐含的担保，包括但不限于对于适销性、特定用途适用性和不侵犯任何权利的隐含担保，以及任何对于履约习惯、交易习惯或贸易惯例的担保。
 
英特尔、Intel 标识、Intel 商标： 英特尔® 凌动™ 处理器 E3815、英特尔® Curie™ 计算模块、英特尔® 物联网开发人员套件、英特尔® 物联网网关、英特尔® 物联网网关软件套件、英特尔® NUC 和英特尔® System Studio 是英特尔在美国和/或其他国家的商标。
*其他的名称和品牌可能是其他所有者的资产
 
英特尔版权提示：“© 英特尔公司”