智能自提柜冷藏控制系统的设计与实现

常熟理工学院电气与自动化工程学院 崔勇强 蔡笃军 沈寿鹏 李 鑫

1 引言

目前，电子商务正在我国快速发展，其中农产品电商也具有一定规模，果蔬、鲜肉、水产等生鲜产品和人们的生活息息相关，近年来开始受到众多大小电商的关注。来自淘宝的数据显示，2013年，生鲜类产品在2012年后依然保持最高增长率，同比增长高达195%。相比国内庞大的生鲜消费市场，我国的生鲜电商只能算是刚刚起步，行业发展潜力极大。

然而，生鲜产品的交付，在很大程度上限制了生鲜电商的发展。生鲜产品，对储存运输条件的要求非常苛刻，既要保证产品的新鲜度，又要保证消费的时效性。由于现有技术中物流配送链末端的配送设备大多不具有冷冻或冷藏能力，因此生鲜产品在购买至交付到消费者手中的过程中，并未一直处于冷冻或冷藏的环境中，再加上时有发生的消费者无法及时收货等情况，消费者收到生鲜产品时，产品质量无法达到最佳状态。针对此种现状，本文提出了一种智能自提柜冷藏控制系统，货物存入后处在冷藏保鲜状态，消费者收到通知后可随时前往自助取货。避免了配送员直接配送到消费者手中的过程，从而解决了物流配送链末端的生鲜产品配送难题，满足了低能耗的新型物流体系的发展需求。

2 系统方案设计

该系统需要控制数量较多的电控锁，为便于灵活扩展货箱，系统采用主从控制方式。10个货箱为一组，每组货箱分配一个从控制器。从控制器负责所在组的货箱门锁开关控制与检测、温湿度监测、压缩机开关控制和红外物体探测。主控制器负责人机界面交互、互联网通信、语音播报、条形码扫描、射频卡读卡和数据存储。主从控制器通过RS-485总线通信，主控制器通过指令控制从控制器的动作。系统整体结构如图1所示。

图1 系统整体框图

整个系统采用模块化设计，显著降低开发难度，节约开发时间，便于后期维护。主从控制器都选用意法半导体的STM32F103ZET6的32位MCU作为控制核心，其高性能、低功耗、低成本及多串口的特征非常符合本系统的需求。

3 系统硬件设计

本系统众多模块只需提供正确的电源，以及相应的通讯接口即可工作，故不作具体硬件电路分析。以下就系统主要电路设计作详细阐述。

3.1 电源电路设计

本系统主从控制器所需电压有如下几种：

(1)3.3V：MCU、RS485、FLASH芯片和温湿度等模块所需电源。

(2)5V：条码扫描枪、语音模块和红外探测模块所需电源。

(3)12V：触控屏、电门锁、电机和网络通信所需电源。

考虑到12V电源所需功率较大，故采用一款大功率成品开关电源，将220V交流电转换成12V直流电输入系统。其中5V电源由12V直流电变换而来，如图2所示。

图2 12V转5V电路

电源方案选用TI公司单片集成式开关电压调节器LM2596S-5.0作为输出5V的降压器件，该芯片功耗小、效率高，最高输入电压为40V，最大输出电流可达3A，满足系统的使用要求。在该芯片的外围电路中，输入电容C1选择680uF，输出电容C3选择470uF，用于滤除低频噪声，稳定输入、输出电压。C2、C4、C5为陶瓷小电容，对高频噪声有很好的滤波效果。L1和C3起到低通滤波的效果，可进一步降低输出电压的纹波，提高系统电源稳定性。

图3 5V转3.3V电路

3.3V电源由5V电源变换而来，电路如图3所示。由于5V到3.3V压差很小，故采用线性稳压器LM1117-3.3来完成降压。为了保证MCU的供电稳定可靠，不受其它部分的串扰，MCU单独使用一片LM1117，其余需要3.3V供电的模块共用一片LM1117。由于线性稳压器本身具有很好的噪声抑制能力，故输入、输出滤波要求不高，本设计选用47uF的电解电容+陶瓷小电容以改善电源效果。

3.2 存储模块电路设计

图4 Flash存储电路

如图4所示，本系统的存储模块选用华邦串行Flash存储芯片W25X16。该芯片采用标准SPI通信方式，传输速率75MHz，控制灵活、编程简单，工作电压在2.7V～3.6V之间，工作状态电流消耗0.5毫安，掉电状态电流消耗1uA。芯片具有16M比特的存储空间，且完全兼容存储空间更大的高版本芯片型号，方便存储空间不足时的扩容需求。

3.3 门锁控制电路

图5 门锁控制电路

单元柜所使用的锁（图5中LOCK）内部为四线结构：电源线、地线、控制线、反馈线，这样的结构使得门控更为简单直观。为实现电控开锁功能，就需要为控制端提供一个控制信号使原本吸合的电磁线圈断开，进而打开与锁芯连接的碰触开关，从而实现开锁的过程，而内部通过检测触碰开关的位置，就可以判断此时锁位状态。

所需要的控制信号由MCU给出，即LOCK_IN信号，经过光耦U1隔离后驱动P沟道场效应管Q1。当输入信号LOCK_IN为高电平时，U1、Q1导通，驱动门锁打开，同时门锁的LOCK_FB端输出反馈信号，MCU通过检测这一信号，就能判断当前的门锁状态是否正确，并作出相应的处理。门锁的关闭过程类似，在此不再赘述。

3.4 RS-485电路

图6 RS-485电路

本系统主、从控制器之间采用RS-485总线通信方式，RS-485总线因应用简单、成本低廉，在工业通讯、消费电子、过程自动化等领域都有广泛应用。考虑现场环境多变，电磁环境复杂，本设计选用隔离型RS-485收发模块，电路如上图所示。

图中485模块与MCU采用串口通信，地线与系统GND隔离，有效的提升了系统的抗干扰能力。输出A、B信号外加TVS管D3、D4，保证在恶劣环境（高压、雷击等环境）下产品不会损坏。实际使用中当A、B线差分电压大于-200mV且小于-40mV时，模块接收电平为不确定状态，设计时要确保模块接收不处于该状态。所以用户在RS-485网络设计时，要根据实际情况来决定是否加120Ω（R14）终端电阻。

4 系统软件设计

4.1 主控制器软件设计

自提柜系统主控制器的功能除服务器远程控制外都是面向用户的，根据系统要求和实际情况，将用户分为以下三类：

(1)消费者，权限最低，只能凭密码或者刷卡取货

(2)配货员，具有中等权限，可存货，也可对货箱进行管理工作

(3)管理员，权限最高，比配货员多了对自提柜系统参数设置的操作权限

配货员和管理员通过密码登录对应各自权限的操作界面。自提柜参数设置是为了保证自提柜系统的通用性提出的，参数包括工作人员密码修改、当前自提柜系统编号、网络参数修改、冷藏参数设置和恢复出厂设置。

自提柜系统主控制器软件分为应用层和驱动层，应用层面向用户和服务器，负责实现自提柜系统主控制器的实体功能。驱动层负责配置MCU片上资源和实现各功能模块的驱动底层及对应用层提供应用接口函数。应用层调用驱动层，用户的各类操作经顶层程序计算后都会转变为对功能模块的应用。软件设计框图如下。

图7 主控制器软件设计框图

4.2 从控制器软件设计

本系统中从控制器一方面是为了减轻主控制器的软硬件压力，另一方面是考虑到实际应用时的可扩展性，从控制器主要实现与柜子有关的开关和检测。从控制器在接收到主控制器的指令后完成柜门锁开关控制、红外传感器物体探测、温湿度监测与控制、压缩机开关等功能。图8为从控制器的软件流程图。

图8 从控制器软件流程图

4.3 RS-485通信协议

上文介绍主、从控制器之间采用RS-485通信，为了提升数据传输的抗干扰能力，保证数据的正常收发，本系统制定了特定的通信协议。

(1)通信双方均使用统一的数据帧形式，数据帧包括地址、命令类型、数据长度、数据以及校验字节等部分，其格式如下：

表1 485通信数据格式

(2)在数据帧外部，为了保证通信的透明性，使用SLIP协议进行串行通信封装，其转义字符为0xdb，帧结束标志为0xc0。

(3)主控制器控制整个系统的通信过程，由主控制器定时轮询各个从控制器，并请求这些从控制器提交相应设备的状态信息返回给主控制器。

(4)主控制器在发送完读设备请求后进入接收状态，接收的同时开启超时控制。如果在规定时间内未能接收到从控制器返回信息或接收到错误信息，则主控制器会重新发送读设备请求。

(5)从控制器复位后，将等待主控制器发送请求命令，并根据命令内容做出相应的应答。如果接收到错误的数据帧，从控制器将直接丢弃该帧，不做任何处理。

通过制定上述通信协议，数据收发时必须严格按照协议格式进行，保证了通信的稳定性与可靠性。

5 系统测试

系统测试是建立在硬件设计和软件代码编写全部完成的基础上的，需逐项对自提柜系统的功能进行验证。主控制器功能从底层往顶层测试，功能验证通过后，与自提柜从控制器构成完整的自提柜系统并进行稳定性测试，采用长时间多环境运行和多人员操作的测试方法。本设计实物如图9所示。

图9 实物效果图

5.1 网络通信测试

将网络参数改成服务器IP和端口，分别使用GPRS模块和以太网模块与服务器进行无线和有线通信测试。主控制器（客户端）和服务器进行收发数据测试时，均能正常通信，且数据内容与发送内容一致，说明主控制器和服务器可以正常通信，测试效果如图10所示。

图10 网络通信测试效果

图11-1 存货条码扫描界面图

图11-2 管理员指定柜门界面

5.2 存取货测试

存取货操作需要将主控制器与从控制器连接构成完整自提柜系统。首先测试配货员存货，点选配货菜单后成功进入条码扫描界面，条码扫描枪成功打开，实物效果如图11-1.扫码后成功与服务器取得联系，货箱门成功打开。管理员存货在扫入条码前有一个指定货箱的操作，指定货箱界面如图11-2，剩余操作与配货员一致，能成功存货。货物存入后测试消费者取货，密码取货和刷卡取货均正常。

5.3 稳定性测试

主控制器与从控制器组成完整自提柜系统后，进行了长时间的稳定性测试，期间发现了若干BUG，并都一一修复成功。

目前，测试工作已经完成，系统进入稳定阶段，并已在实际场所中进行试运行工作。

6 总结

本文在分析当前生鲜电商的发展状况后，提出了一种智能自提柜冷藏控制系统。从系统的整体设计思想到具体的软硬件实现，详细的阐述了整个系统的设计过程。本系统创新性的采用了模块化的设计思想，显著降低了开发难度、缩短了开发周期，降低了人力、物力成本。目前系统在实际环境下运行状况良好，达到了设计要求，考虑到生鲜电商的目前还处于起步阶段，本系统的成果具有极大的发展前景。

[1]宋岩.ARM Cortex-M3权威指南[M].北京:航空航天大学出版社,2009.

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[3]冯子陵,俞建新.RS485总线通信协议的设计与实现[J].计算机工程,2012,38(20):215-218.

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[5]陈启军.嵌入式系统及其应用[M].上海:同济大学出版社.2014.