周瑞婷，周麟翔，呂坤山，石勝相，牛笑楠

（西北民族大學(xué)電氣工程學(xué)院，甘肅蘭州，730030）

0 前言

本項(xiàng)目是針對(duì)外賣行業(yè)存在的社會(huì)問題進(jìn)行研究和解決。共享外賣自提箱可實(shí)現(xiàn)恒溫、半導(dǎo)體制冷、支付存餐、指紋開鎖、物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程復(fù)位、榛子云發(fā)短信、攝像頭監(jiān)控、GPS物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控、太陽(yáng)能儲(chǔ)能作為備用電源等基本功能，極大程度的方便外賣員和用戶。既可以節(jié)省外賣員的送餐時(shí)間，提高效率。又受到用戶的歡迎。隨著嵌入式電子技術(shù)的飛速發(fā)展、電子技術(shù)相關(guān)的產(chǎn)品日益增加。近年來(lái)已經(jīng)出現(xiàn)了外賣自提柜，這種外賣自提柜成本比較高，功能相對(duì)比較單一?；趥鹘y(tǒng)的存儲(chǔ)箱，本文設(shè)計(jì)的共享外賣自提箱可以實(shí)現(xiàn)指紋開鎖、物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程復(fù)位、榛子云發(fā)短信、攝像頭監(jiān)控等特色功能。

1 系統(tǒng)總設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)的控制上，本項(xiàng)目使用的是處理速度更強(qiáng)、硬件資源也比較豐富的STM32系列芯片兩個(gè)。其中一個(gè)芯片用于對(duì)箱子的控制，另外一個(gè)STM32芯片用于對(duì)系統(tǒng)以及箱子的監(jiān)控。該芯片有5V電壓即可進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，使用十分方便。在軟件編程上，使用C語(yǔ)言進(jìn)行STM32單片機(jī)代碼的編寫，在項(xiàng)目中，使用到STM32單片機(jī)的基本外設(shè)有定時(shí)器、串口通信、I2C通信、IO口的復(fù)用等，實(shí)現(xiàn)這些功能的前提是熟練掌握STM32系列的微控制器。

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的主要目的是要解決外賣行業(yè)在當(dāng)前社會(huì)中的一些問題。例如：外賣丟失，外賣錯(cuò)拿的問題、用戶無(wú)法及時(shí)取餐，導(dǎo)致外賣員長(zhǎng)時(shí)間等待、食物質(zhì)量問題等。而共享外賣自提箱可以結(jié)合各類傳感器模塊，解決外賣配送中存在的各種問題。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件布局

本系統(tǒng)以共享外賣自提箱為研究對(duì)象，該共享外賣自提箱使用兩塊以STM32 Cortex-M4為內(nèi)核的主控芯片，其中包括加熱片、制冷片、指紋識(shí)別模塊、GPS模塊、ESP8266模塊、電磁鎖、繼電器、顯示屏模塊、溫濕度傳感器等模塊構(gòu)成一個(gè)完整的共享外賣自提箱系統(tǒng)，具體硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1所示。

本系統(tǒng)由于要實(shí)現(xiàn)共享就需采用 GPS 實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的可被定位，安裝攝像頭監(jiān)控，以防丟失及方便管理。同時(shí)安裝掃碼支付模塊實(shí)現(xiàn)箱子的商業(yè)價(jià)值。此外采用 ESP8266 模塊連接阿里云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)微信小程序和阿里云之間的通信以及阿里云和單片機(jī)之間的通信。為了給客戶提供不同存儲(chǔ)環(huán)境的選擇，采用加熱片和隔熱膜實(shí)現(xiàn)加熱功能。采用制冷片和小風(fēng)扇以及水泵實(shí)現(xiàn)制冷功能，水泵為了給制冷片散熱，小風(fēng)扇為了將冷氣擴(kuò)散。由于系統(tǒng)需要較大的功率，本項(xiàng)目采用家用交流電作為電源，太陽(yáng)能進(jìn)行儲(chǔ)能作為備用電源，通過逆變電器將儲(chǔ)能 12V 轉(zhuǎn)換為 220V 交流電，使用變電器將 220V 交流電轉(zhuǎn) 12V 直流電對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行供電，以保證系統(tǒng)的基本工作（不進(jìn)行加熱功能）。此外采用榛子云平臺(tái)為外賣員存儲(chǔ)好食物后發(fā)短信給客戶通知其取餐；此外具有矩陣按鍵開鎖功能、物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程復(fù)位為防止卡死以及為外賣員提高開鎖條件；在使用的過程中，同時(shí)自提箱內(nèi)安裝 DHT11 溫濕度傳感器做到自動(dòng)控制溫度，自提柜上 OLED 屏幕會(huì)實(shí)時(shí)顯示溫濕度情況；采用定位系統(tǒng)為自提柜提供了安全保障。采用 ESP8266 模塊與阿里云平臺(tái)搭建遠(yuǎn)程控制箱內(nèi)溫度情況；通過繼電器對(duì)其電磁鎖進(jìn)行有效的控制，可實(shí)現(xiàn)酒精消毒。

2.2 主要模塊的選擇

2.2.1 電路硬件組成

電路硬件部分由電源輸入部分、鍵盤輸入部分、密碼存儲(chǔ)部分、復(fù)位部分、晶振部分、顯示部分、報(bào)警部分、開鎖部分組成。電路整體原理圖如圖2所示。

2.2.2 主控芯片

本設(shè)計(jì)采用的主控芯片型號(hào)為STM32F103C8T6，芯片自帶三個(gè)串口通信的功能可以滿足本設(shè)計(jì)的需求，使用串口1對(duì)指紋識(shí)別的信息進(jìn)行采集處理，使用串口2連接ESP8266連接阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)并上傳數(shù)據(jù)，使用串口3進(jìn)行GPS定位模塊的數(shù)據(jù)采集。

2.2.3 GPS模塊

本設(shè)計(jì)采用的GPS模塊型號(hào)為 ATK1218-BD+IPX線+雙模有源天線，定位芯片為S1216。串口波特率為4800-230400bps，本設(shè)計(jì)中采用9600波特率。通信協(xié)議為NMEA-0183，定位精度為2.5m，更新速率為20Hz。原理圖如圖3所示。

2.2.4 指紋識(shí)別模塊

本設(shè)計(jì)采用的指紋識(shí)別模塊型號(hào)為AS608光學(xué)指紋識(shí)別模塊。芯片內(nèi)置DSP運(yùn)算單元，使用了指紋識(shí)別算法，能夠高效地采集指紋圖像信息并識(shí)別指紋特征。該模塊采用串口通信，可直接通過串口通信協(xié)議即可控制指紋識(shí)別模塊的指紋識(shí)別、錄入和刪除等操作。該模塊供電電壓為3.3V，工作電流為60mA以下。

2.2.5 ESP8266WiFi模塊

本設(shè)計(jì)采用的ESP8266 WiFi模塊型號(hào)為NodeMcu Lua WIFI V3。該模塊的工作電壓為3.3V。模塊內(nèi)部集成MCU能夠通過串口和單片機(jī)進(jìn)行通信。在本設(shè)計(jì)中，ESP8266通過AT指令連接阿里云，STM32單片機(jī)通過串口和ESP8266連接，通過程序編寫將ESP連接阿里云所需要的AT資料發(fā)送到ESP。從而使得ESP連接到阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)并與STM32單片機(jī)通信進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。原理圖如圖4所示。

2.2.6 藍(lán)牙模塊

本設(shè)計(jì)采用的藍(lán)牙模塊型號(hào)為HC-08的低功率藍(lán)牙。該模塊的工作電壓為5V。HC-08藍(lán)牙采用的通信協(xié)議是Bluetooth SpecificationV4.0 BLE藍(lán)牙協(xié)議。設(shè)計(jì)中STM32單片機(jī)通過串口對(duì)HC-08進(jìn)行控制。無(wú)線工作的頻段為2.4GHz，使用的通信調(diào)制為GFSK。模塊可以實(shí)現(xiàn)70～90 m的遠(yuǎn)距離傳輸數(shù)據(jù)。

2.3 系統(tǒng)電路穩(wěn)定性以及合理性

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程中使用到很多傳感器模塊，對(duì)于不同的模塊有不同的通信協(xié)議，所以在IO復(fù)用時(shí)需要對(duì)各個(gè)模塊的IO口在STM32上進(jìn)行合理分配。

由于不同的傳感器的工作電壓不相同，制冷片、加熱片等需要12V電壓。指紋識(shí)別、溫濕度傳感器等需要5V電壓。顯示屏等需要3.3V電壓。本項(xiàng)目系統(tǒng)供電采用220V的家用交流電作為電源，使用太陽(yáng)能采集、電池儲(chǔ)能、逆變器轉(zhuǎn)換等過程產(chǎn)生220V交流電作為備用電源。之所以選擇家用交流電作為電源，是因?yàn)橐话愕匿囯姵貨]法滿足系統(tǒng)功率的需要。通過變壓器將220V交流電轉(zhuǎn)換為12V直流電。經(jīng)過穩(wěn)壓模塊引出3路電壓，分別為12V、5V和3.3V的電壓供系統(tǒng)模塊使用。電路設(shè)計(jì)如圖5所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 STM32的程序設(shè)計(jì)

STM32單片機(jī)使用的編程語(yǔ)言是C語(yǔ)言，使用的編譯器是Keil。程序在編寫過程中使用模塊化編程，把不同模塊的初始化及驅(qū)動(dòng)過程函數(shù)封裝在不同的.c文件中，在main.c文件中的主函數(shù)只實(shí)現(xiàn)調(diào)用的過程，不同文件中函數(shù)的調(diào)用通過對(duì)相應(yīng).h文件的引用來(lái)實(shí)現(xiàn)。

STM32程序設(shè)計(jì)相當(dāng)?shù)暮?jiǎn)單，等待外賣員掃碼支付然后進(jìn)行通電。等待微信小程序密碼、環(huán)境選擇命令。若沒有接收到正確的命令，則繼續(xù)等待；若接收到密碼、環(huán)境選擇等命令，則開鎖并打開加熱片或者制冷片執(zhí)行工作。隨后關(guān)門。等待用戶取餐，當(dāng)有按鍵輸入，觸發(fā)密碼確認(rèn)，判斷密碼是否正確，如正確，開鎖取餐。關(guān)閉系統(tǒng)工作狀態(tài)。程序流程圖如圖6所示。

3.2 微信小程序設(shè)計(jì)

微信小程序是外賣員存餐的直接顯示窗口，由HTML5+ CSS+Javascript開發(fā)，外賣員可以在微信小程序中輸入用戶姓名電話等信息，可自動(dòng)發(fā)送密碼短信。

微信小程序中共有三個(gè)頁(yè)面，第一個(gè)頁(yè)面為微信小程序連接榛子云平臺(tái)，通過輸入手機(jī)號(hào)可自動(dòng)生成密碼并發(fā)送短信。第二個(gè)頁(yè)面是連接阿里云平臺(tái)，通過阿里云中的數(shù)據(jù)云流轉(zhuǎn)和STM32組成的下位機(jī)相連接，主要顯示STM32采集到的溫度值。第三個(gè)頁(yè)面為藍(lán)牙界面開發(fā)，具有下發(fā)數(shù)據(jù)給共享外賣自提箱系統(tǒng)的功能。并帶有數(shù)據(jù)發(fā)送格式提示。微信小程序界面如圖7所示。

3.3 物聯(lián)網(wǎng)連接

本項(xiàng)目采用的是阿里云平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)。創(chuàng)建阿里云賬號(hào)，進(jìn)入物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)創(chuàng)建產(chǎn)品、設(shè)備等信息得到ProductKey、DeviceName、DeviceSecret。并利用MQTT編程工具產(chǎn)生單片機(jī)連接阿里云所需的基本信息。STM32通過AT指令把基本信息上傳，將ESP8266連接至阿里云并上傳溫度數(shù)據(jù)至阿里云服務(wù)器。阿里云服務(wù)器接收到數(shù)據(jù)之后通過云流轉(zhuǎn)將數(shù)據(jù)發(fā)送到微信小程序。同時(shí)，項(xiàng)目中涉及的物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程復(fù)位技術(shù)是通過阿里云自帶APP開發(fā)設(shè)置一個(gè)按鈕并關(guān)聯(lián)設(shè)備服務(wù)數(shù)據(jù)下發(fā)到STM32單片機(jī)，阿里云服務(wù)器接收到APP的數(shù)據(jù)后，把接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到ESP8266模塊ESP8266對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)換為相對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)，控制芯片的復(fù)位。物聯(lián)網(wǎng)連接架構(gòu)圖如圖8所示。

其中，M2M是機(jī)器對(duì)機(jī)器（Machine-To-Machine）通信簡(jiǎn)稱。目前，M2M重點(diǎn)在于機(jī)器對(duì)機(jī)器的無(wú)線通信，存在以下三種方式：機(jī)器對(duì)機(jī)器，機(jī)器對(duì)移動(dòng)電話（如用戶遠(yuǎn)程監(jiān)視），移動(dòng)電話對(duì)機(jī)器（如用戶遠(yuǎn)程控制）。

4 結(jié)語(yǔ)

文中設(shè)計(jì)通過將嵌入式技術(shù)、太陽(yáng)能儲(chǔ)能技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、半導(dǎo)體制冷技術(shù)、榛子云發(fā)短信技術(shù)、指紋識(shí)別技術(shù)等相結(jié)合，使用STM32單片機(jī)作為主控板，制作一套兼具智能性和實(shí)用性的共享外賣自提箱。解決了目前外賣行業(yè)存在的外賣錯(cuò)拿等問題。從而為外賣員和用戶帶來(lái)新的使用體驗(yàn)。