无接触智能外卖配送系统设计

郑云祥，张心怡，邹林，刘会衡（通讯作者）

（湖北文理学院物理与电子工程学院，湖北襄阳，441053）

0 引言

随着外卖行业的发展，外卖服务已进入老百姓的日常生活中，并以不可替代的方式给人们的生活需求带来了足够的便利。随着新冠肺炎疫情的爆发和传播，为了在外卖配送过程中避免一定的人员接触，传统外卖配送方式并不能很好的解决某些实际问题，在提倡少接触、不接触的背景下，应该给予外卖配送一个新的思路。

如今，电子行业发展迅速，以嵌入式为代表的智能系统设计越来越成熟，通过以单片机为核心的无接触外卖配送系统是基于疫情当下的特殊环境而考虑的解决方案，并且也能很好地运用在非疫情期间。无接触智能外卖配送系统通过外卖暂存柜与骑手的配合，通过手机让消费者知晓当前外卖所存地点，可以有效避免消费者与骑手之间的接触，骑手不用像往常担心外卖超时问题，同时消费者又能灵活的选择时间去取餐。外卖暂存柜通过恒温系统可以最大限度地保留食物的热度，使柜子能够更为可靠地对外卖进行存放管理，大大增加了系统的实用性。

1 系统设计

无接触智能外卖配送系统的整体结构如图1 所示。它主要由STC89C52 单片机为主控制器，其与外围电路构成整个系统。该系统主要研究智能化外卖存取与统一管理，其中包括LCD 显示、数字键盘、二维码扫码模块、加热系统及恒温控制系统组成，其中恒温系统通过单片机、温度传感器与继电器的配合，可以有效地实现暂存柜的加热与温度控制。

图1 系统框图

2 系统软件设计

■2.1 总体设计

系统软件设计流程如图2 所示，主要是由系统总体软件设计方案、温度控制程序以及扫码控制程序组成。其中总体方案流程如下：对系统以及外围器件进行初始化，外卖柜通过物联网与手机APP 接合，当骑手将外卖配送至暂存柜，系统发出二维码到点餐者手机APP 里并等待取餐，点餐者也可通过APP 里一同生成的数字验证码通过数字键盘输入进行取餐。

图2 系统软件设计流程

当取餐者取餐时，系统会对其二维码或者验证码进行比对，当比对成功，信息反馈给单片机操作外卖柜打开，当完成取餐并关上外卖柜后，系统返回到初始化。QT960 扫码模块自带蜂鸣器，所以当比对失败则会发出警报，并通过LCD1602 显示警报内容。

暂存柜温度控制由单片机主导控制，由DS18B20 进行实时测温，并通过单总线协议反馈给单片机，单片机与预设温度进行比较，继电器控制加热电路实现对箱内温度的控制，通过PID 控制算法可以预测误差变化并及时修正从而减小温度误差、提高精准度。

■2.2 控制方式

温控系统通过PID 控制原理进行温度控制，PID 是一种线性的控制器，由于其算法简单、鲁棒性好与可靠性高，故被广泛应用于工业过程控制，又称为比例-积分-微分控制器。主要由比例（P）积分（I）与微分（D）三个单元组成。其中比例控制是基于偏差进行调节的，即有差调节；积分环节能够对误差进行记忆、主要用于消除静差，提高系统的无差感；微分环节能够反映偏差信号的变化速率，并能在偏差信号变得太大之前在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。三者的组合是“过去、现在、未来”的完美结合。PID 基本控制原理如图3 所示。

图3 PID 控制原理

其控制原理数学描述为：

其传递函数表达式：

其中Kp为比例系数，T1为积分时间常数，TD为微分时间常数。

图4 为MATLAB 仿真的PID 控制响应曲线。通过仿真可以看出PID 自身拥有的快速响应、反应迅速的特点。

图4 PID 响应曲线

3 系统硬件设计

■3.1 STC89C52 单片机

STC89C52 是一种低功耗、高性能CMOS8 位微控制器，与80C51 产品指令和引脚完全兼容。单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash、56 字节RAM、I/O 口线、看门狗定时器、三个位定时器/计数器、一个6 向量2 级中断结构、全双工串行口、片内晶振及时钟电路。STC89C52为许多嵌入式系统提供了高效价廉的方案，是一个低成本、可靠的片上系统。在该系统中，STC89C52 主要处理二维码模块返回的信息并比对，控制暂存柜的开启，以及处理DS18B20 传送的温度信息并做出反馈。STC89C52 单片机最小系统如图5 所示。

图5 单片机最小系统

■3.2 二维码模块

本设计的二维码模块选用了微光互联生产的QT960 模块。该模块具有体积小、厚度薄、扫码快等优点，集成方便，成本较低，且支持RS232、TTL、USB 输出。该模块还提供前端的开发代码，可进行二次开发，扫码速度高达50ms/次，支持一维和二维码，因此完全能够满足本系统的设计需求。通过对手机APP 里的用户配送二维码的扫描，将信息通过串口发送给单片机，单片机与系统进行对比，对比一致则开启相对应的外卖暂存箱，若比对失败则会通过该模块自带的蜂鸣器发出信息并通过LCD1602 进行文字提示。数字键盘则是为了防止当二维码扫描出现异常无法工作时所采取的第二种取餐方式，本系统以二维码取餐为主。

■3.3 LCD 显示模块

显示电路采用LCD1602，是目前最常用的液晶显示模块。LCD1602 液晶显示模块可以只用D4-D7 作为四位数据分两次传送。这样的话，可以节省MCU 的I/O 口资源。LCD1602 可以显示2 行16 个字符，支持ASCII 码，有8位数据总线D0-D7，和RS、R/W、EN 三个控制端口，工作电压为5V，并且带有字符对比度调节和背光。本系统中LCD1602 主要用于显示扫码提示、错误提示等基本信息如“

请扫码取餐。”“扫码错误，请确认二维码是否有效。”等。其中LCD1602 原理图如图6 所示。

图6 LCD1602 原理图

■3.4 直流电源模块

7805 是最常用的三端稳压集成电路，其电路简单、实用，能够满足单片机与加热电阻等模块的供电。一般情况下7805 输入在9V、12V、15V 不等，最高不超过35V，但其输出电压会稳定在5V，极限电流值为1.5V。该系统中7805 主要用于提供5V 供电，电路原理图如图7 所示。

图7 7805 稳压芯片原理图

■3.5 温度控制模块

DS18B20 是比较常用的数字温度传感器，具有体积小、低功耗、抗干扰能力强、精度高的特点。由3～5.5V 电压驱动，通过DS18B20 可将温度转化成串行数字信号处理，系统采用加热电阻对箱体进行加热，通过单片机与继电器相连来对电源进行通断。当箱内实际温度低于预设温度时，单片机P1.1 口输出低电平导致继电器吸合开关促使加热电路接通，加热电阻开始工作达到升温的目的；当箱内实际温度高于预设温度时，单片机P1.1 口输出高电平促使继电器关闭达到温度控制的目的。温度控制框图如图8 所示；加热控制电路原理如图9 所示。

图8 温度控制框图

图9 加热控制电路原理图

4 结束语

与传统外卖配送相比，无接触外卖配送是一个新的目标和起点。基于STC89C52 的无接触智能外卖配送系统具有灵活、安全、操作简单方便等特点。系统通过与骑手的协同合作，让外卖配送变得快捷化、简单化，外卖暂存柜的温控系统能够最大限度地留存食物的热度，二维码与数字验证码的配合也能更人性化地解决系统可能出现的扫码异常等意外问题。