嵇前銘，陳勝笛，周伊琳，侯鴻濤，劉舒祺

（江蘇理工學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院，江蘇常州，213001）

0 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和電商的蓬勃發(fā)展，消費(fèi)的方式開始發(fā)生轉(zhuǎn)變，網(wǎng)絡(luò)購物開始成為人們購物的主要手段[1]。年輕人逐漸成為新型消費(fèi)主力，尤其大學(xué)生的消費(fèi)方式也發(fā)生了改變。據(jù)數(shù)據(jù)顯示，每年校園快遞量都在增長，校園快遞量的增長隨之而來的是面臨著校園最后一公里配送難題。當(dāng)前，校園快遞采取集中投放和管理的方式，快遞“最后一公里”的配送模式還是傳統(tǒng)的送貨上門或定點(diǎn)取貨[2~3]。結(jié)合防疫需求，很多高校實(shí)行封閉管理，學(xué)生網(wǎng)購需求增加，不斷增長的快遞需求與校園的防疫秩序之間矛盾凸顯。在當(dāng)前疫情不斷反復(fù)的情況下，按照傳統(tǒng)的快遞投放方式，需要投入大量的人力，物力對快遞物品進(jìn)行消毒、靜置。另外，校園快遞驛站數(shù)量少和快遞量大的問題，造成學(xué)生取件不便，尤其到了下課取件高峰期，排長隊(duì)取快遞屢見不鮮[4~7]。以上諸多問題，對傳統(tǒng)的配送方式產(chǎn)生了巨大的考驗(yàn)，在物聯(lián)網(wǎng)和電子技術(shù)發(fā)展背景下，智能化配送也逐步走進(jìn)現(xiàn)實(shí)?；诖?，面向校園的智能車配送系統(tǒng)研究顯得尤為重要。

1 系統(tǒng)方案

系統(tǒng)工作時(shí)，小車首先在取貨點(diǎn)對物品進(jìn)行掃描二維碼獲得物品信息及需要派送到的位置，然后小車執(zhí)行派送任務(wù)，在配送過程中通過攝像頭對路況進(jìn)行判斷，并將貨物送到指定地點(diǎn)，在配送過程中，小車的運(yùn)行位置、車速和貨物信息等既在顯示屏上，又通過無線模塊發(fā)送給云平臺(tái)，用戶端可通過微信小程序?yàn)g覽云端的信息，掌握貨物的配送情況[5]。當(dāng)然用戶也可以通過微信小程序在校園內(nèi)購物，用戶在微信小程序上指定所需商品，微信小程序給用戶分配取貨號(hào)碼，由人工把商品放至智能車內(nèi)，智能車通過攝像頭循跡將貨物送達(dá)指定地點(diǎn)后，用戶通過智能車上的矩陣鍵盤模塊輸入密碼，打開車廂，拿走商品。系統(tǒng)框圖如圖1所示，在該系統(tǒng)中，主要由STM32控制模塊、OneNet云平臺(tái)、微信小程序三大部分組成。其中STM32控制模塊包括ML302-GNSS 4G通信模塊、LCD顯示模塊、矩陣鍵盤模塊、Open MV 4 H7 Plus攝像頭。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件采用STM32F103RCT6作為主控芯片的核心板，并根據(jù)所需功能包括如下模塊：OpenMV4 H7 Plus攝像頭模塊、ML302-GNSS 4G CAT 1通信模塊、LCD顯示模塊、矩陣按鍵、TB6612直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)信號(hào)的輸入輸出等功能。系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖如圖2所示，具體功能結(jié)合硬件個(gè)模塊設(shè)計(jì)詳細(xì)講解。硬件部分的設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。

圖2 芯片與各模塊的引腳圖

圖3 硬件結(jié)構(gòu)框圖

■ 2.1 單片機(jī)模塊設(shè)計(jì)

STM32F103RCT6單片機(jī)是一種嵌入式-微控制器的集成電路，是由ST公司開發(fā)的STM32F1系列的其中一種，芯體尺寸是32位，速度是72MHz，程序存儲(chǔ)容量是256KB，程序存儲(chǔ)器類型是FLASH，RAM容量是48K。本設(shè)計(jì)中采用AT指令對ML302-GNSS 4G CAT 1移動(dòng)通信模塊進(jìn)行控制連網(wǎng)，主要用到主控制芯片中USART2串口通信，其他功能模塊主要用到了控制器的I/O口。

■2.2 通信模塊和定位模塊

ML302-GNSS 4G CAT 1通信模塊支持TD-LTE/FDDLTE通信制式，采用LCC+LGA封裝方式。該模塊供電電壓為3 3V～4 2V，內(nèi)置GPS定位模塊，可以實(shí)現(xiàn)信息的傳輸和小車位置信息的獲取。通信時(shí)必須保證電壓穩(wěn)定，不然容易造成設(shè)備與云平臺(tái)出現(xiàn)斷連的的情況，導(dǎo)致設(shè)備停止工作。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中將ML302的VCC、GND、RXD、TXD分別與STM32F103RCT6單片機(jī)的VCC、GND、PA2、PA3相連，既用于連接云平臺(tái)以及實(shí)現(xiàn)終端控制器與云平臺(tái)間的通信，又可以實(shí)時(shí)獲取小車的位置信息。

■ 2.3 攝像頭模塊

OpenMV攝像頭是一款小巧，低功耗，低成本的電路板，可以很輕松的完成機(jī)器視覺應(yīng)用，通過高級(jí)語言Python腳本控制OpenMV。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中主要用到該模塊的UART與STM32F103RCT6單片機(jī)通信，具體將OpenMV的VCC、GND、PB10(TXD)和 PB11(RXD)分 別 與 STM32F103RCT6單片機(jī)的VCC、GND、PA9和PA10相連完成循跡和標(biāo)識(shí)功能。

■2.4 LCD顯示模塊

本設(shè)計(jì)采用的是2 8寸顯示分辨率為320×240的LCD觸摸屏。它的液晶顯示屏的每一個(gè)像素上都設(shè)置有一個(gè)薄膜晶體管，可以有效地克服非選通時(shí)的串?dāng)_，使顯示液晶屏的靜態(tài)特性與掃描線數(shù)無關(guān)，因此大大提高了圖像質(zhì)量。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中LCD與STM32F103RCT6單片機(jī)的具體引腳連接如圖2所示。

■2.5 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

TB6612FNG是東芝半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一款直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器件，它具有大電流MOSFET-H橋結(jié)構(gòu)，雙通道電路輸出，可同時(shí)驅(qū)動(dòng)2個(gè)電機(jī)。具有4種電機(jī)控制模式：正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)/制動(dòng)/停止；PWM支持頻率高達(dá)100kHz。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，將TB6612的AIN1、AIN2、BIN1、BIN2分別與STM32F103RCT6單片機(jī)的PA1、PA4、PC0、PC7相連。

■ 2.6 矩陣鍵盤模塊

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用TELESKY 4×4直插式矩陣鍵盤與STM32F103RCT6連接，用行列掃描法原理識(shí)別按鍵按下。用戶在取外賣或者快遞時(shí)在該鍵盤上輸入取貨密碼取貨。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，將STM32F103RCT6單片機(jī)的PA8、PC2、PC3、PA11、PA12、PA13、PA14和PA15設(shè)置成浮空輸入模式用于外接矩陣鍵盤。

■ 2.7 報(bào)警模塊

蜂鳴器驅(qū)動(dòng)方式為GPIO切換高低電平。平時(shí)不工作，三極管由于I/O端口輸出高電平從而截止。當(dāng)取貨密碼輸入正確時(shí)發(fā)出提示音；當(dāng)配送小車停止工作或發(fā)生故障時(shí)發(fā)出警報(bào)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用STM32F103RCT6單片機(jī)上自帶的蜂鳴器模塊（BUZZ PC1）。

■ 2.8 LED 模塊

LED是一個(gè)發(fā)光二極管器件。通過控制I/O端口的高低電平狀態(tài)從而控制LED的亮滅。LED正極與I/O端口之間連接了限流電阻，防止通過LED的電流過大導(dǎo)致?lián)p壞。LED1和LED2用于顯示OpenMV4 H7 Plus攝像頭與STM32F103RCT6之間的正常運(yùn)行。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用STM32F103RCT6單片機(jī)上自帶的LED模塊。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件部分主要由4G移動(dòng)通信模塊、攝像頭模塊、LCD顯示模塊、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、矩陣鍵盤模塊、蜂鳴器模塊、LED模塊和外圍設(shè)備控制模塊程序組成，程序開始后要依次對各個(gè)模塊進(jìn)行初始化，然后小車進(jìn)入待命狀態(tài)，等待微信小程序端下發(fā)運(yùn)行的命令。待收到配送命令和目的地信息時(shí)開始工作，系統(tǒng)工作程序流程圖如圖4所示，STM32程序執(zhí)行流程如5圖所示。

圖4 系統(tǒng)工作流程圖

圖5 STM32程序執(zhí)行流程圖

■3.1 單片機(jī)控制部分軟件設(shè)計(jì)

小車收到客戶需求并且OpenMV識(shí)別即將送往的目的地信息后，變量start被置1，小車開始工作。OpenMV將采集到的實(shí)時(shí)路況信息通過UART發(fā)送給STM32的USART1，小車由此選擇路線并巡線前往目的地。此外STM32通過PI控制小車運(yùn)動(dòng)。在小車運(yùn)動(dòng)過程中，通過定時(shí)器定時(shí)每隔1s向云平臺(tái)發(fā)送小車實(shí)時(shí)位置。當(dāng)OpenMV識(shí)別到目的地標(biāo)識(shí)后，小車停止運(yùn)動(dòng)，變量start被置0，并向云平臺(tái)發(fā)送“訂單已送達(dá)”的通知。待客戶正確輸入密碼取貨后，start被置2，TB6612控制舵機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，使小車掉頭原路返回，其中OpenMV中的部分代碼如下：

out_data = int(code payload())

d1 = str(int(out_data/100))

d2 = str(int((out_data%100)/10))

d3 = str(int(out_data%10))

print('you send:',out_data)

uart write(" ")# 發(fā)送幀頭

uart write(" ")

uart write(d1)

uart write(d2)

uart write(d3)

■3.2 微信小程序部分軟件設(shè)計(jì)

微信小程序采用MINA小程序框架，頁面結(jié)構(gòu)由WXML（Wei Xin Markup Language）構(gòu)建，頁面樣式由WXSS（Wei Xin Style Sheets）編寫。軟件邏輯采用App Service實(shí)現(xiàn)，邏輯編程語言采用JavaScript。

微信小程序有2個(gè)導(dǎo)航欄，分別為首頁、關(guān)于?！笆醉摗辈糠钟?個(gè)模塊組成，分別為發(fā)布需求、配送路線、訂單查詢、小車位置，如圖6所示?！瓣P(guān)于”部分則是顯示了智慧校園的一些信息，如電話、微信、郵件、地址，如圖7所示。

圖6 小程序首頁界面

圖7 小程序關(guān)于界面

4 系統(tǒng)測試及結(jié)果分析

通過微信開發(fā)者工具的調(diào)試器驗(yàn)證測試，系統(tǒng)能夠成功接收One Net云平臺(tái)的數(shù)據(jù)，圖8展示了微信小程序后端調(diào)用wx requset()獲取配送單號(hào)的信息，圖9展示了微信小程序后端調(diào)用wx requset()獲取小車位置的信息。圖10、圖11是與之對應(yīng)的微信小程序用戶端界面。

圖8 配送單號(hào)輸出框

圖9 小車位置輸出框

圖10 訂單查詢界面

圖11 小車實(shí)時(shí)位置

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一套基于STM32的物聯(lián)網(wǎng)智能小車配送系統(tǒng)，通過STM32作為主控制單元，協(xié)調(diào)各模塊工作，將貨物準(zhǔn)確無誤地配送到目的地并安全返回。其中包括將小車位置和訂單配送狀態(tài)在微信小程序中顯示等。重點(diǎn)在于用戶用微信小程序通過HTTPS協(xié)議發(fā)布需求到OneNET云平臺(tái)，OneNET云平臺(tái)再通過HTTP協(xié)議與終端進(jìn)行連接，從而達(dá)到數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康摹南到y(tǒng)的整體上來看，制作成本較低，軟件程序的可調(diào)性較高，能夠應(yīng)對較為復(fù)雜的環(huán)境變化和挑戰(zhàn)。該智能小車配送系統(tǒng)在目前的校園配送中前景較好，尤其疫情當(dāng)下，采用智能車配送服務(wù)既符合疫情封閉管理的措施，又能為人們提供便捷、安全可靠的服務(wù)。