基于STM32單片機(jī)的無接觸式外賣配送車設(shè)計

唐慧娜

（西北民族大學(xué)電氣工程學(xué)院 甘肅省蘭州市 730030）

民以食為天，吃一直是人類亙古不變的話題。外賣行業(yè)早已滲入中國各個地區(qū)，現(xiàn)如今甚至有些農(nóng)村出現(xiàn)了外賣配送。來華暫住的外國友人回到自己的國家后都在感嘆生活在中國的便利性。顯然，外賣行業(yè)已經(jīng)成為中國社會生活不可或缺的重要組成部分。網(wǎng)上訂餐由于其獨(dú)有的便捷性，從興起之時就得到了大眾的推崇。線上訂餐環(huán)節(jié)已經(jīng)做到了趨于完美的地步，而配送環(huán)節(jié)一直以來都是外賣員親自配送，在此環(huán)節(jié)上有很大的改善空間，因此，智能配送就顯得尤為重要。本次設(shè)計的無接觸式外賣配送小車有著很好的研究方向及很大的發(fā)展前景。

1 發(fā)展前景

（1）無接觸式外賣配送必將引起各高校大學(xué)生的推崇。疫情之下，各高校都在進(jìn)行閉環(huán)管理，想要與外界取得聯(lián)系有不與人面對面接觸，這時候一種帶有自動消殺滅菌功能的智能外賣配送機(jī)器人的作用就被發(fā)揮的淋漓盡致。一旦實(shí)施成功，外賣配送車將會在不同群體間流行開來。

（2）突如其來的疫情讓很多餐飲企業(yè)面臨生死考驗(yàn)，外賣企業(yè)在提供服務(wù)的過程中也遭遇諸多困難。智能外賣配送小車的應(yīng)用與推廣，解決了買賣雙方以及配送員之間很多棘手的問題，正是相關(guān)企業(yè)化危為機(jī)的一個方向。

（3）在外賣配送高峰期之余的時間內(nèi)，外賣小車也可以配送其它物質(zhì)?，F(xiàn)如今代購、跑腿、快遞等都可以由此小車配送。如此高利用率也進(jìn)一步促進(jìn)了無接觸式外賣小車的推廣。

2 功能介紹及工作流程

本次無接觸式外賣小車主要由六大模塊組成，各模塊之間經(jīng)STM32F103 微控制器聯(lián)系起來。其完成的主要功能有基于GPS 的自動駕駛來進(jìn)行外賣配送、基于GMS 的短信發(fā)送、病毒消殺、保溫、加熱、對冰凍飲料進(jìn)行制冷、語音播報，提醒用戶輸入驗(yàn)證碼、遇到障礙物緊急剎車等，除了這些主要功能之外，該外賣配送小車還具備攝像功能，對配送沿途路線進(jìn)行路況錄像，還可防止其他人錯領(lǐng)、盜取顧客的外賣，對未能及時領(lǐng)取外賣的顧客進(jìn)行超時收費(fèi)處理等。功能多樣，既滿足了外賣配送的時效性，也滿足了疫情防控要求。此外賣配送小車，不僅可以配送外賣，還可以在用餐低峰期配送快遞，實(shí)現(xiàn)了外賣配送與快遞配送之間的聯(lián)動。而且，疫情過后，這些功能依然適用。

主要工作流程分為三步：

（1）商家對外賣的存放。商家將外賣放入箱體中時需要通過鍵盤輸入存餐識別碼，放入外賣、關(guān)閉箱門后，外賣箱啟動紫外線消殺功能并自動產(chǎn)生取餐號碼。

（2）智能外賣車的配送。外賣車根據(jù)事先規(guī)定好的路線進(jìn)行配送，并在配送過程中時刻檢測外賣溫度，并對其進(jìn)行溫控處理。

（3）顧客取餐。小車到達(dá)目的地后，發(fā)送短信，提醒用戶取餐，而用戶只需要根據(jù)語音提醒輸入正確的取餐碼，小車就會自動打開相應(yīng)柜門讓顧客取餐。工作流程圖如圖1所示。

圖1：無接觸式外賣車存（左）取（右）餐品工作流程圖

3 主要硬件模塊

硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方框圖如圖2所示。

圖2：硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方框圖

3.1 STM32微控制器

STM32 是為低成本、低功耗、高性能的嵌入式應(yīng)用而設(shè)計的一系列微控制器。其自帶各種常用通信接口：串口USART，用于和串口接口的設(shè)備通信，比如：GPS 模塊、GSM 模塊、USB 轉(zhuǎn)串口模塊；內(nèi)部集成電路I2C；串行通信接口；ADC、GPIO。其片內(nèi)FLASH 為512K、片內(nèi)RAM為64K、價格低、引腳多、快處理、功能強(qiáng)大、應(yīng)用廣泛。因此，性價比超高的STM32F103ZET6 成為本次設(shè)計中32位微控制器的首選。

3.2 GPS模塊及傳感器

GPS 模塊是一個集成了基帶芯片、RF 射頻芯片、核心CPU 以及相關(guān)外圍電路四者而組成的集成電路。GPS 模組功耗低、靈敏度高?，F(xiàn)已廣泛應(yīng)用于導(dǎo)航器、手機(jī)、筆記本電腦等。采用GPS 模塊以此來實(shí)現(xiàn)自動駕駛外賣車的正常配送。該模塊的系統(tǒng)設(shè)計圖3所示。

圖3：系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

如上所示，該模塊基于樹莓派，來自GPS 提供的數(shù)據(jù)經(jīng)串口傳至樹莓派，由樹莓派計算出的導(dǎo)航角度和當(dāng)前外賣車所在區(qū)域進(jìn)行對比后，計算出導(dǎo)航角度，以此調(diào)整外賣車方向，外賣車將行至預(yù)先設(shè)置的地點(diǎn)。經(jīng)預(yù)先設(shè)置好的多個導(dǎo)航點(diǎn)，小車就可到達(dá)目的地。

如圖4所示，是外賣車導(dǎo)航的基本原理圖示。即對當(dāng)前小車所在坐標(biāo)和航點(diǎn)所在坐標(biāo)的比較，得出當(dāng)前位置與航點(diǎn)的距離。經(jīng)haversine 公式（即hav(d/R)=hav(φ2-φ1)+cos(φ1)cos(φ2)hav(λ2-λ1)，d 是小車與航點(diǎn)之間的距離，R 為地球半徑，φ1 和φ2 表示兩點(diǎn)的緯度，λ1 和λ2 表示兩點(diǎn)的經(jīng)度）計算出兩位置間距離和方位角。

圖4：小車導(dǎo)航圖示

紅外線傳感器的作用是利用其本身將數(shù)字或者模擬信號轉(zhuǎn)換成開關(guān)量信號，達(dá)到外賣車緊急躲避障礙物的目的。以其高靈敏性、高可靠性的優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用。GPS 模塊的設(shè)置不僅僅是為了外賣車的順利且正確行駛，還具有手機(jī)終端可查下車當(dāng)前位置的功能，使用戶時時刻刻了解自己外賣的配送情況，提前得知外賣送達(dá)的時間，就可預(yù)先準(zhǔn)備取餐。

3.3 GSM模塊

如圖5所示，本GSM 模塊使用德國西門子工業(yè)GSM模塊TC351。能夠?qū)崿F(xiàn)上位機(jī)控制GSM 模塊來發(fā)送短消息等。插入SIM 卡后，可通過串口助手與之建立通信，在串口助手中發(fā)送相應(yīng)的AT+CMGS 指令即可實(shí)現(xiàn)短信的發(fā)送。

圖5：TC351 仿真原理圖

該模塊主要用于向顧客自動發(fā)送取餐提醒及取件碼,有效地避免了外賣員同時在同一地點(diǎn)配送多個外賣時，漏打電話這一問題的發(fā)生。GSM 模塊的設(shè)計流程如圖6所示。

圖6：短信通訊流程圖

由于該模塊完成的功能主要是發(fā)送短信，故需要對其短信消息進(jìn)行PDU 編譯碼，此模式不僅支持英文短信，還支持中文信息發(fā)送，具有很大的實(shí)用性與適用性。利用PDU編譯碼時，我們采用的編碼方式為UCS2，屬于Unicode 編碼標(biāo)準(zhǔn)。中國Uincode 編碼為4E2D56FD。PDU 數(shù)據(jù)包發(fā)送信息幀格式如表1所示。

表1：PDU 發(fā)送幀格式

此外，采用USC2 編碼方式發(fā)送信息不超過70 字符，即140 字節(jié)，然而對于本次設(shè)計已完全夠用。

3.4 溫控模塊

溫控器就是用來控制溫度的模塊，主要由電源部分、接收信號部分、輸出控制和警報輸出部分、以及一些附加功能。控制溫度的方法一般分為兩種：一種是由物體的溫度變化來進(jìn)行控制，這種一般采用的是蒸氣壓力式溫度控制器，另外一種是由物體溫差變化來進(jìn)行控制的，多采用電子式溫度控制器。機(jī)械式溫控器采用兩種壓在一起的不同熱膨脹系數(shù)的金屬，當(dāng)溫度改變時，其彎曲度會隨著溫度而改變，當(dāng)這兩種組合在一起的金屬彎曲到一定程度時，接通或者斷開回路，以達(dá)到加熱或者冷卻的目的。電子式溫控器通過熱電偶、鉑電阻等溫度傳感裝置，將溫度信號轉(zhuǎn)換為電信號，通過單片機(jī)、PLC 等電路控制繼電器來達(dá)到加熱或者冷卻的目的。溫控模塊在外賣小車中發(fā)揮的主要作用就是控制外賣餐品的溫度，以使顧客得到良好的口感體驗(yàn)。

如圖7所示，本次選用的溫度傳感器是由美國DALLAS公司推出的數(shù)字化溫度傳感器DS18B20，其采用單總線協(xié)議，也就是僅僅需要一個I/O 端口與之相連而實(shí)現(xiàn)了雙向通訊，接線方便，并且直接將溫度信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號傳達(dá)給單片機(jī)處理，因此能夠省去傳統(tǒng)的信號放大及A/D 轉(zhuǎn)換等外圍電路。其工作時序包括初始化時序、寫時序和讀時序。經(jīng)封裝后放入外賣柜體中，由于其體積小并不會占用太大空間。關(guān)于溫度設(shè)置不僅可以通過溫度傳感器進(jìn)行溫控處理，商家也可自行進(jìn)行溫度設(shè)置。

圖7：DS18B20 引腳圖

3.5 紫外線消殺模塊

紫外線消毒燈是利用紫外線的殺菌作用進(jìn)行滅菌消毒而設(shè)計的一種消毒燈具。紫外線消毒燈向外輻射的紫外線波長為253.7nm，此波段的紫外線殺菌具有最強(qiáng)的殺菌功能。紫外線消毒的科學(xué)原理是作用于病毒、細(xì)菌的DNA，破壞其DAN 的結(jié)構(gòu)，使其失去繁殖、自我復(fù)制的能力而達(dá)到消殺滅菌的功能。如圖8所示。

圖8：紫外線殺菌原理

如今的餐廳食堂都會配備紫外線消毒燈對餐具進(jìn)行消毒滅菌，除去餐具，其還能對水、衣物等進(jìn)行消毒。紫外線消毒燈主要分成低壓、高壓與中壓，而低壓主要用來消毒。一般紫外線殺菌時間相對較久，其在外賣快遞小車中的應(yīng)用完美的避開了這一缺點(diǎn)，外賣車配送過程中就可以完成殺菌工作。

3.6 LCD顯示器及鍵盤

LCD 液晶顯示器具有功耗低、體積小、不傷眼及承載的信息量大的優(yōu)點(diǎn)，因此成為了當(dāng)前社會的主流電子顯示設(shè)備，其中包括電視、電腦顯示器、手機(jī)屏幕、及各種嵌入式設(shè)備的顯示器。4×4 矩陣鍵盤的設(shè)計，減少了I/O 口的占用數(shù)量。主要設(shè)計于水平線和垂直線的交叉處，以此來達(dá)到行線與列線的交叉連接。當(dāng)沒有鍵按下的時候，輸入端都是高電平。一旦按下鍵盤，輸入線就會被拉低，這樣通過輸入線的狀態(tài)來得知哪個鍵盤被按下。除去0 到9 十位數(shù)字以外，還有清零鍵、取消鍵、確認(rèn)鍵、溫度設(shè)置鍵、消毒按鍵、定時鍵等。

而對于取餐的顧客來說，只需要根據(jù)顯示器按下對應(yīng)的取件碼就可以打開相應(yīng)柜門，取得餐食。如果顧客未能輸入正確的取餐碼，此時主控芯片對按鍵進(jìn)行判斷后，會在顯示器上顯示并語音播報：“取餐碼輸入錯誤，請重新輸入?！?/p>

3.7 語音播報模塊

主要由SC8065 芯片、揚(yáng)聲器和繼電器構(gòu)成。SC8065 語音芯片使用的是最新的OTP（One Time Programmable）語音晶元。在串行PWM 控制時，先發(fā)送高電平RESET 信號，DATA 再發(fā)送N 個脈沖信號，就可以完成第N 地址語音的播報。

如圖9，第二、三引腳為PWM 音頻輸出，第六引腳是輸入輸出口/串行脈沖復(fù)位腳，需要復(fù)位時，首先要將其內(nèi)部地址指針歸位，再發(fā)送對應(yīng)脈沖就可以完成語音播報。第七引腳是輸入口/串行觸發(fā)計數(shù)腳。第八引腳的作用是檢測語音是否播報完畢，當(dāng)?shù)诎艘_為低電平的時候表明語音播報已經(jīng)完成。

圖9：SC8065 引腳圖

4 軟件設(shè)計方面

本次設(shè)計中所用到的編程軟件是Keil uVision4。由于外賣配送小車的功能多樣，在軟件上進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)時，實(shí)行的其中幾個模塊的彼此聯(lián)合進(jìn)行測試。程序的編程利用的是C語言程序設(shè)計，其在可讀性、可移植性上具有很大的優(yōu)勢。Keil 系統(tǒng)兼容性非常好，能夠支持的語言編程設(shè)計多樣，Keil 軟件在各個版本的Windows 系統(tǒng)下都能成為的Keil 軟件運(yùn)行環(huán)境。本次設(shè)計中，按鍵選擇、行駛路線、語音播報等功能均采用C 語言編譯的程序?qū)ζ溥M(jìn)行控制。

5 結(jié)語

無接觸式外賣配送小車將打破傳統(tǒng)外賣的配送方式，實(shí)現(xiàn)外賣餐品的高效化、便捷化、智能化。實(shí)現(xiàn)了外賣員與用戶的無接觸配送，并配有紫外線消殺功能更加符合疫情防控。存取方便、保溫加熱、語音提醒、防偷防盜等。如今不止外賣的便捷配送，各種代取、代買、代送層出不窮，除去用餐時間的外賣存取，此外賣箱也可存取其他物品，如用戶下單代買的生活用品均可放入柜中存取，這樣一來，外賣箱在用餐之外的時間也可得到利用，必將受到大眾的喜愛，為疫情下的餐飲行業(yè)提供了新方向。