基于STM32的智能快遞柜設(shè)計(jì)

蔡雨宏， 陳湘萍

(貴州大學(xué) 電氣工程學(xué)院， 貴陽 550025)

0 引 言

隨著科技進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，“網(wǎng)購”和“快遞”越來越多地走進(jìn)了人們的日常生活中[1]。對于快遞行業(yè)來說，這既是發(fā)展的契機(jī)，但隨即帶來的挑戰(zhàn)也不容小覷。目前，人們更多關(guān)注的是快遞的運(yùn)輸安全問題，并期望良好的服務(wù)態(tài)度[2]。但僅就時下的快遞行業(yè)而言或多或少還存著著一些問題，比如說：快遞簽收困難，快遞管理費(fèi)時費(fèi)力等。

綜合以上分析，本文研究一種基于STM32的智能快遞柜。該系統(tǒng)以STM32F407作為主控芯片，配備了紅外傳感器、電話通信、信息錄入以及繼電器模塊等一系列模塊，能夠自動根據(jù)送貨員提供的客戶手機(jī)號，在合適的時間自行通知客戶進(jìn)行取件，保證時間不湊巧的客戶也能安全領(lǐng)到自己的快遞，在實(shí)現(xiàn)了安全便捷存取快遞的同時，也提升了快遞行業(yè)的服務(wù)質(zhì)量。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)以STM32F407單片機(jī)主控模塊作為核心，以紅外傳感器模塊、電話通信模塊、信息錄入模塊以及繼電器模塊等外圍設(shè)備構(gòu)成控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)的整體框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖1中，信息錄入模塊主要負(fù)責(zé)用戶信息和開鎖碼的錄入，紅外傳感器模塊負(fù)責(zé)監(jiān)控柜內(nèi)是否存在物品，GSM模塊負(fù)責(zé)通信，繼電器模塊負(fù)責(zé)開關(guān)柜門。

1.2 STM32F407單片機(jī)主控模塊設(shè)計(jì)

控制模塊選擇單片機(jī)作為控制模塊。采用的STM32F407ZGT6單片機(jī)是32位基于ARM的Cortex-M4微控制器，其功能多變，能夠?qū)Σ杉降男畔⑦M(jìn)行接收及處理，而且還可以控制固化設(shè)備的功率[3-5]。在此功能討論基礎(chǔ)上，同時結(jié)合本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，因而將其選定為該系統(tǒng)的核心芯片。STM32F407ZGT6單片機(jī)主控最小系統(tǒng)原理電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 單片機(jī)最小系統(tǒng)

1.3 信息錄入模塊

本模塊選用輕觸式開關(guān)用直接法進(jìn)行連接。該方法結(jié)構(gòu)簡單，清晰明了。將單片機(jī)PB1-PB10的IO口對應(yīng)為數(shù)字“0”到數(shù)字“9”，從而實(shí)現(xiàn)手機(jī)號碼和驗(yàn)證碼的輸入[6]。

1.4 紅外傳感器模塊

本模塊采用反射式紅外傳感器用于檢測柜內(nèi)是否存在物品，在檢測中表現(xiàn)出高靈敏、高可靠性的特點(diǎn)[7-9]。該模塊的設(shè)計(jì)工作原理如圖3所示。

圖3 工作原理框圖

1.5 繼電器模塊

繼電器是一種電控制器件，是當(dāng)輸入量(激勵量)的變化達(dá)到規(guī)定要求時，在電氣輸出電路中使被控量發(fā)生預(yù)定的階躍變化的一種電器。在其運(yùn)行機(jī)理上，則具有控制系統(tǒng)(又稱輸入回路)和被控制系統(tǒng)(又稱輸出回路)之間的互動關(guān)系[10-11]。

繼電器模塊由繼電器和鎖芯組成。在未通電的常態(tài)，繼電器斷開，鎖芯與柜體互相卡住，保證快遞柜門無法打開。在得到控制模塊傳遞的確認(rèn)開門信號后繼電器通電，并將鎖芯吸附住，此時柜門就可自由開啟。

1.6 GSM模塊

本模塊主要由GSM網(wǎng)絡(luò)的SIM800c芯片控制。SIM800c性能穩(wěn)定，外觀小巧，性價(jià)比高，能滿足客戶的多種需求。SIM800c工作頻率為850/900/1 800/1 900 MHz，可以低功耗實(shí)現(xiàn)語音、SMS、數(shù)據(jù)和傳真信息的傳輸。SIM800c尺寸為24*24*3 mm，能適用于各種緊湊型產(chǎn)品設(shè)計(jì)需求[12-14]。同時通過支持藍(lán)牙等高級特性，可以為客戶快速開發(fā)、節(jié)省成本帶來更多便利。本研發(fā)模塊的設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

圖4 短信通訊流程圖

Fig. 4 Message communication flow chart

2 軟件設(shè)計(jì)

智能快遞柜系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要由3個部分組成，分別是：主程序部分，用戶模式部分和快遞員模式部分。對此可做闡釋論述如下。

2.1 系統(tǒng)主程序部分

這一部分主要是選擇進(jìn)入不同的工作模式，整體設(shè)計(jì)流程如圖5所示。首先，進(jìn)行初始化，包括時鐘、延時、串口波特率、LED顯示以及按鍵等各個模塊。接著將更新顯示屏，顯示出該作品的作品名等信息。繼而通過檢測按鍵的開關(guān)情況，來判斷在2個不同選項(xiàng)中將轉(zhuǎn)入何種工作模式。若有鍵按下，則進(jìn)入快遞員模式；若無，則進(jìn)入用戶模式。

圖5 系統(tǒng)總流程圖

2.2 快遞員模式部分

該部分主要用于快遞員存放物品,具體如圖6所示。過程中，先對參數(shù)進(jìn)行初始化，再對項(xiàng)目名稱以及當(dāng)前工作模式進(jìn)行顯示。接著由快遞員通過按鍵輸入用戶的手機(jī)號碼。若輸入手機(jī)號碼不足11位或超過11位，則返回輸入手機(jī)號碼這一步驟。若滿足11位要求，便通過置1繼電器信號，打開柜門。此后，將循環(huán)檢測柜門是否關(guān)閉。當(dāng)柜門關(guān)閉后，通過紅外信號檢測箱內(nèi)是否有物品。若無物品，紅外信號為0，返回輸入手機(jī)號碼界面；若有物品，紅外信號為1，則通過開鎖碼模塊隨機(jī)生成驗(yàn)證碼并通過SIM800c模塊來發(fā)送驗(yàn)證碼。

圖6 快遞員模式流程圖

2.3 用戶模式部分

該部分主要用于用戶取件,具體流程如圖7所示。先是對參數(shù)進(jìn)行初始化。然后對項(xiàng)目名稱以及當(dāng)前工作模式進(jìn)行顯示。接著由用戶通過按鍵輸入所獲取的驗(yàn)證碼。若輸入驗(yàn)證碼不正確，則返回輸入驗(yàn)證碼這一步驟。若驗(yàn)證碼正確，便通過置1繼電器信號，打開柜門。此后，始終檢測柜門是否關(guān)閉。當(dāng)柜門關(guān)閉后，通過紅外信號檢測箱內(nèi)是否有物品。若無物品，紅外信號為0，清空內(nèi)部所保存的驗(yàn)證碼信息；若有物品，紅外信號為1，則保留驗(yàn)證碼信息，以便下次繼續(xù)使用該驗(yàn)證碼。

圖7 用戶模式流程圖

3 系統(tǒng)工作過程、技術(shù)特點(diǎn)及工作效果測試

3.1 系統(tǒng)工作流程

快遞柜的工作流程如圖8所示。

圖8 工作流程圖

在通電狀態(tài)下，電源指示燈處于低電平狀態(tài)；程序開始運(yùn)行。首先通過按鍵切換到快遞員模式，在快遞員模式下放置快遞物品。在關(guān)好箱門后通過按鍵輸入手機(jī)號碼，確認(rèn)后通過SIM800c發(fā)送驗(yàn)證碼。此后進(jìn)入用戶模式，通過按鍵輸入收到的驗(yàn)證碼，按下確認(rèn)鍵后由主控芯片進(jìn)行判斷，若不匹配則提示驗(yàn)證碼輸入錯誤；若成功匹配則打開柜門。在取出快遞、關(guān)閉箱門之后，芯片發(fā)送指令，紅外芯片開始檢測柜內(nèi)是否在存有物品，若還存在物品將保留驗(yàn)證碼。若物品不存在，則清除驗(yàn)證碼。

3.2 系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)

(1)通過快遞柜本身來發(fā)送GSM短信，當(dāng)快遞放入時同步執(zhí)行此操作，可以有效避免快遞員遺忘丟件事故、以及給客戶漏發(fā)消息的問題。

(2)在快遞柜內(nèi)部設(shè)置紅外傳感器。每次操作后通過紅外傳感器確認(rèn)柜內(nèi)物品存在與否，方便在丟件時可以準(zhǔn)確判定責(zé)任方。同時，若客戶開柜未取走物品卻誤關(guān)了柜門，可以自行再次打開柜門，避免快遞員多次反復(fù)操作處理。

(3)快遞柜采用繼電器控制開啟，在斷電的情況下可以保證柜門無法打開，有效防止惡意斷電竊取快遞的行為。

3.3 系統(tǒng)的工作效果測試

圖9為簡易裝置的工作圖。其中主要包含了SIM800c、按鍵模塊、電池模塊、紅外模塊、繼電器模塊、主控芯片模塊、電磁鎖和顯示屏模塊。

圖9 簡易裝置圖

4 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)以STM32407ZGT6單片機(jī)為核心制作了一款智能快遞柜?？爝f員可以通過輸入客戶手機(jī)號碼由快遞柜自主生成驗(yàn)證碼并發(fā)送到客戶手機(jī)上。而客戶則可以利用收到的驗(yàn)證碼取出柜內(nèi)物品。若物品未完全取出，則驗(yàn)證碼可在下次繼續(xù)使用。從而避免誤取或漏取快遞。此次設(shè)計(jì)的新型智能快遞柜系統(tǒng)具有空間利用率高、運(yùn)營成本低、智能化程度高、存取快遞方便快捷的優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測試，從理論上驗(yàn)證了該新型智能快遞柜管理系統(tǒng)的可行性?？山档涂爝f公司的運(yùn)營成本，提高服務(wù)質(zhì)量。