一種嵌入式智能送餐終端的設(shè)計

都文和，徐偉，楊婧翾，王婷

(齊齊哈爾大學(xué) 通信與電子工程學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161006)

摘要：針對目前第三方送餐公司常出現(xiàn)的送餐慢、送錯餐等問題，設(shè)計了一款智能送餐終端。終端由送餐員攜帶，搭載Linux操作系統(tǒng)，使用自行設(shè)計的引導(dǎo)程序啟動終端，并以QT技術(shù)為核心實現(xiàn)了地圖顯示、地理導(dǎo)航和3G網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。研究結(jié)果表明：該終端能實時接收送餐命令，自動上報送餐員位置信息，協(xié)助公司制定合理的送餐路線，可提高送餐員的送餐效率約30%。

關(guān)鍵詞：送餐；智能終端；通信；導(dǎo)航

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目(10374027,60432047);黑龍江省教育廳基金項目(12521603)

作者簡介：都文和(1970-),男,黑龍江齊齊哈爾人,副教授,博士,研究方向為嵌入式系統(tǒng)、衛(wèi)星激光通信等.

收稿日期：2014-07-30

文章編號：1672-6871(2015)01-0058-04

中圖分類號：TP368.1

文獻標志碼：A

0引言

隨著人們生活質(zhì)量的提高和生活節(jié)奏的加快，通過叫外賣方式解決用餐問題，已經(jīng)越來越普遍。巨大的外賣市場吸引許多第三方送餐公司涌入，送餐公司的送餐服務(wù)符合現(xiàn)代社會生活的快節(jié)奏，極大方便了人們的生活和工作，但送餐慢、送錯餐的情況時有發(fā)生。而在送餐公司的信息化建設(shè)上，對訂餐系統(tǒng)的研究相對較多,提供給送餐員的移動終端的設(shè)計開發(fā)卻極少[1]。

為推動送餐服務(wù)的信息化發(fā)展，解決送餐服務(wù)中送餐慢、送錯餐等問題，本文設(shè)計開發(fā)了一種嵌入式智能送餐終端，終端包含全球定位系統(tǒng)(GPS)定位模塊、3G無線傳輸模塊，由送餐員攜帶，可充電重復(fù)使用，同時實現(xiàn)送餐員送餐狀態(tài)和位置信息的上報，方便公司合理進行送餐調(diào)度。該終端成本低、方便攜帶，有效地提高了送餐員送餐效率，具備較高的實用價值。

1系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)由主控制模塊、液晶顯示模塊、GPS定位模塊和3G無線傳輸模塊構(gòu)成，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。主控制模塊以ARM9處理器為核心，包含電源、接口電路、存儲單元，用以實現(xiàn)供電、數(shù)據(jù)傳輸和存儲等功能。液晶顯示模塊由液晶顯示器(LCD)的液晶觸摸屏實現(xiàn)，能夠顯示處理完的數(shù)據(jù)和當前操作界面，送餐員可直接通過觸摸屏進行操作。GPS定位模塊獲取送餐員位置數(shù)據(jù)，通過串口發(fā)送給處理器進一步處理，3G傳輸模塊利用3G網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)送餐員與公司的雙向數(shù)據(jù)通信。

圖1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖

2系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1　主控制模塊硬件設(shè)計

系統(tǒng)處理器芯片采用三星公司的S3C2440芯片。由于送餐終端為送餐員配備，終端應(yīng)有較長的待機時間，應(yīng)能充電重復(fù)使用。所以采用體積小、能量密度高的5 V鋰離子電池供電，同時利用凌特公司LTC3555芯片解決電源充電問題。LTC3555有通用串行總線(USB)電源控制器和電池充電模塊，當USB電源有輸入電壓時，電源充電模塊啟動，USB總線對電池充電。LTC3555芯片三路輸出電壓分別為S3C2440存儲單元、輸入/輸出端口(I/O)、內(nèi)核供電。

存儲單元設(shè)計中，系統(tǒng)內(nèi)存使用兩片16位數(shù)據(jù)帶寬的SDRAM器件K4S561632N，將其擴展為32位數(shù)據(jù)帶寬來提高訪問速度。NANDFlash選用64 MB的K9F1208芯片，K9F1208擦除和寫效率高，用來存儲內(nèi)核和文件系統(tǒng)。接口電路包含JTAG接口、串口和USB接口，串口實現(xiàn)主控制模塊對GPS定位模塊的數(shù)據(jù)獲取。

2.2　液晶顯示模塊硬件設(shè)計

LCD液晶觸摸屏采用4.3英寸(10.922 cm)LCD液晶屏AT043TN24，其接口電路設(shè)計如圖2所示。處理器芯片S3C2440控制時鐘信號引腳VCLK，使LCD控制器的數(shù)據(jù)在VCLK的上升沿處送出，在VCLK的下降沿被LCD驅(qū)動器采樣。

圖2　LCD接口電路設(shè)計

2.3　GPS定位模塊和3G無線傳輸模塊設(shè)計

系統(tǒng)GPS定位模塊選用Gstar公司的GS-91衛(wèi)星定位接收模塊，該模塊的衛(wèi)星接收芯片靈敏度較高，可以同時追蹤20個衛(wèi)星信道[2]。GS-91模塊輸出TTL電平，通過MAX232芯片實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，與主控制模塊串口連接。3G是支持高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡谌苿油ㄐ偶夹g(shù)，終端的3G無線傳輸模塊選用支持聯(lián)通WCDMA的EM770W無線模塊，模塊有1路高速USB接口與主控制模塊連接[3]。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)選用Linux操作系統(tǒng)，其軟件整體設(shè)計包括：引導(dǎo)程序Bootloader的設(shè)計，Linux內(nèi)核移植，應(yīng)用程序的編寫。Linux系統(tǒng)內(nèi)核采用Linux2.6.22.6，該版本使用了新的調(diào)度器，進程切換更高效，GUI應(yīng)用程序采用奇趣公司的QTE圖形用戶界面庫開發(fā)設(shè)計，QTE是該公司針對嵌入式環(huán)境推出的產(chǎn)品[4-5]。

3.1　引導(dǎo)程序Bootloader設(shè)計與改進

當前流行的嵌入式Linux系統(tǒng)引導(dǎo)程序有U-boot、VIVI等，這些引導(dǎo)程序移植簡單方便，但由于面對大部分硬件，代碼量較大，占用系統(tǒng)存儲空間大。針對S3C2440芯片和Linux操作系統(tǒng)，本文自行設(shè)計Bootloader。Bootloader啟動內(nèi)核首先需把內(nèi)核從NAND FLASH讀到SDRAM，然后跳轉(zhuǎn)執(zhí)行函數(shù)啟動內(nèi)核，其設(shè)計步驟如下：

(1)關(guān)看門狗，初始化硬件。

(2)把內(nèi)核從Nandflash拷貝至SDRAM。

(3)跳轉(zhuǎn)執(zhí)行內(nèi)核初始化代碼。

(4)測試Bootloader并進行改進。

使用Bootloader啟動內(nèi)核，啟動時間約為8 s，效率較低。通過提高時鐘頻率和啟動指令CACHE修改Bootloader，使啟動內(nèi)核時間減小為2 s。

3.2　應(yīng)用程序開發(fā)

應(yīng)用程序開發(fā)分為兩部分：GPS導(dǎo)航程序設(shè)計和信息交互程序設(shè)計。

3.2.1GPS導(dǎo)航程序設(shè)計

首先，獲取送餐員位置數(shù)據(jù)。GPS模塊接收送餐員位置數(shù)據(jù)，通過串口傳送給主控制模塊。程序不采用調(diào)用內(nèi)核函數(shù)讀取串口數(shù)據(jù)的方法，而是直接使用第三方QT串口類QextserialPort實現(xiàn)對串口的操作，簡單方便。GPS數(shù)據(jù)中GPGGA存儲經(jīng)緯度信息，程序先定義QextserialPort類對象mygps,通過調(diào)用其成員函數(shù)readall函數(shù)，將GPGGA語句讀入QByteArray字符數(shù)組，處理后獲取經(jīng)緯度數(shù)據(jù)[6]。

然后，繪制顯示導(dǎo)航地圖，實現(xiàn)導(dǎo)航功能。為避免地圖版權(quán)問題，結(jié)合送餐終端的市場前景，本文選擇Mapinfo自行繪制地圖，地圖顯示齊齊哈爾勞動湖區(qū)域，繪圖完成后導(dǎo)出MIF格式電子地圖。程序使用開源的動態(tài)庫Mitab讀取地圖要素，并自定義Map_Point、Map_Line、Map_Region這3個類，分別用來存儲點、線、面地圖要素[7]；然后將串口讀取的經(jīng)緯度轉(zhuǎn)換成場景坐標；最后將各地圖要素加載到場景類QGraphicsScene，利用提供視圖部件的QGraphicsView類可視化場景。地圖顯示程序流程圖如圖3所示[8]。

圖3　地圖顯示程序流程圖

終端導(dǎo)航相關(guān)功能有：地圖放大、地圖縮小、地理查詢、最優(yōu)路徑搜索、定位模式、導(dǎo)航模式6大功能，程序為每一個功能設(shè)置一個槽函數(shù)。用戶選擇導(dǎo)航模式時，程序利用QT提供的QTime類每隔5 s更新當前位置。最優(yōu)路徑搜索采用A*算法，公式表示為：f(i)=g(i)+h(i),f(i)是從起點經(jīng)由節(jié)點i到終點的估價函數(shù);g(i)是從起點到i節(jié)點的移動成本;h(i)是從i節(jié)點到終點最佳路徑的預(yù)估移動成本。A*算法設(shè)計模型如圖4所示，以齊齊哈爾大學(xué)三致廣場到女生宿舍樓為模型，程序執(zhí)行步驟如下：(1)從人文樓開始給地點節(jié)點標記1到15，從10號節(jié)點三致廣場開始，把它作為待處理點存入開啟列表；(2)尋找10號節(jié)點周圍所有節(jié)點，加入開啟列表，計算f(i)、g(i)、h(i)(方格下的數(shù)字),為計算方便，方格斜線取邊的1.4倍；(3)尋找f(i)最小的7號節(jié)點輪滑場跳轉(zhuǎn)；(4)重復(fù)執(zhí)行上述步驟直到當前節(jié)點就是終點停止尋找。

3．2．2信息交互程序設(shè)計

圖4　A *算法設(shè)計模型

信息交互程序要通過3G網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)送餐員位置信息的上報和送餐公司調(diào)度命令的接收等功能。首先進行PPP撥號上網(wǎng)，配置編譯PPP撥號工具，將生成的可執(zhí)行文件pppd等放入fs_xu/bin/目錄，最后編寫撥號腳本撥號上網(wǎng)，成功后會獲得IP地址。

TCP/IP協(xié)議是最為廣泛使用的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議之一，TCP、UDP都是其傳輸層協(xié)議[9]。程序采用TCP協(xié)議，使用客戶機/服務(wù)器模型，送餐終端作為客戶端，送餐公司作服務(wù)器端，兩部分進行信息交互。Linux系統(tǒng)提供socket接口進行套接字編程，但是代碼量大，接收的數(shù)據(jù)不能直接顯示到界面，本文使用QT庫提供的QTcpServer類和QTcpSocket類來實現(xiàn)終端和送餐公司之間數(shù)據(jù)傳輸。QTcpSocket類是QAbstractSocket類非常方便的一個子類，通過創(chuàng)建一個TCP連接，來連接服務(wù)器，讀取公司發(fā)送的送餐命令。QTcpServer類繼承自QObject類，用來接收到來的TCP連接[10]。

圖5　信息交互程序設(shè)計流程圖

信息交互程序流程圖如圖5所示。圖5中connectServer函數(shù)連接服務(wù)器之后，readRead函數(shù)檢測送餐命令數(shù)據(jù)是否到達，數(shù)據(jù)到達后判斷有效性，并觸發(fā)槽函數(shù)readMessage讀取數(shù)據(jù)，最后顯示屏顯示讀取的數(shù)據(jù)。

4系統(tǒng)功能測試

選擇齊齊哈爾勞動湖區(qū)域進行終端GPS導(dǎo)航功能測試。測試地圖界面有地理查詢、路徑搜索、定位模式等功能選項，送餐員可根據(jù)需要選擇或退出界面。

為測試該終端對送餐員實際送餐效率的影響，本文通過齊齊哈爾第三方送餐公司點(易達送餐平臺)進行測試。綜合考慮交通、天氣等因素，測試分兩個小組，參與測試的送餐員固定為送餐員A，第1組送餐員在第1周正常送餐，第2組送餐員在第2周送餐時攜帶智能送餐終端。測試地點選取訂單量較大的仕林小區(qū)、附屬二院、瀏園小區(qū)3個地點。測試數(shù)據(jù)見表1。表1中的測試結(jié)果表明：3個地點的送餐效率都得到較大提高，分別提高27%、32%、30%。而且，送餐員對終端的路徑導(dǎo)航和人員報到等功能較為認可，終端的應(yīng)用前景得到肯定。

表1　送餐時間統(tǒng)計　min

5結(jié)束語

本文設(shè)計的智能送餐終端以ARM9處理器為核心，使用LTC3555芯片實現(xiàn)電源管理，利用GPS定位模塊為送餐員提供GPS導(dǎo)航，通過3G無線傳輸模塊實現(xiàn)了送餐公司和送餐員信息實時交互。本文設(shè)計和改進了操作系統(tǒng)的引導(dǎo)程序，自行繪制了導(dǎo)航地圖，提高了終端的市場前景。該智能送餐終端在送餐服務(wù)中提高了送餐效率和送餐的準確性，有較好的發(fā)展前景，對送餐業(yè)的信息化發(fā)展有較大的推動作用。

參考文獻：

[1]楊玲蘊.基于情境法的外賣送餐應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計與研究[D].上海:上海交通大學(xué),2013.

[2]張祥軍,黃虎,田鑫,等.GPS無線定位終端硬件的實現(xiàn)[J].電子制作,2013(17):68.

[3]程振宇,張燦,和智濤,等.基于3G網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸?shù)囊环NQoS控制方法[J].中國科學(xué)院大學(xué)學(xué)報,2014,31(1):117-123.

[4]姚凱旋.基于ARM的智能家居系統(tǒng)的研究與設(shè)計[D].太原:太原理工大學(xué),2012.

[5]韋東山.嵌入式Linux應(yīng)用開發(fā)完全手冊[M].北京:人民郵電出版社,2008:294.

[6]郭玲娟.GPS/GPRS技術(shù)在武警作戰(zhàn)指揮輔助決策系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[D].西安:西安電子科技大學(xué),2010.

[7]夏玉杰，翟艷磊.基于Mitab庫的嵌入式GIS地圖導(dǎo)航設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機工程與設(shè)計，2011,32(4):1303-1306.

[8]霍亞飛.Qt Creator快速入門[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2012:244.

[9]焦雙偉.基于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的智能家居控制系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[D].南昌:南昌航空大學(xué)，2012.

[10]Blanchete J,Summerfield M.C++GUI Programming with Qt4[M].Englewood Cliffs:Prentice Hall,2006.