基于STM32单片机的无接触式外卖配送车设计

唐慧娜

（西北民族大学电气工程学院 甘肃省兰州市 730030）

民以食为天，吃一直是人类亘古不变的话题。外卖行业早已渗入中国各个地区，现如今甚至有些农村出现了外卖配送。来华暂住的外国友人回到自己的国家后都在感叹生活在中国的便利性。显然，外卖行业已经成为中国社会生活不可或缺的重要组成部分。网上订餐由于其独有的便捷性，从兴起之时就得到了大众的推崇。线上订餐环节已经做到了趋于完美的地步，而配送环节一直以来都是外卖员亲自配送，在此环节上有很大的改善空间，因此，智能配送就显得尤为重要。本次设计的无接触式外卖配送小车有着很好的研究方向及很大的发展前景。

1 发展前景

（1）无接触式外卖配送必将引起各高校大学生的推崇。疫情之下，各高校都在进行闭环管理，想要与外界取得联系有不与人面对面接触，这时候一种带有自动消杀灭菌功能的智能外卖配送机器人的作用就被发挥的淋漓尽致。一旦实施成功，外卖配送车将会在不同群体间流行开来。

（2）突如其来的疫情让很多餐饮企业面临生死考验，外卖企业在提供服务的过程中也遭遇诸多困难。智能外卖配送小车的应用与推广，解决了买卖双方以及配送员之间很多棘手的问题，正是相关企业化危为机的一个方向。

（3）在外卖配送高峰期之余的时间内，外卖小车也可以配送其它物质。现如今代购、跑腿、快递等都可以由此小车配送。如此高利用率也进一步促进了无接触式外卖小车的推广。

2 功能介绍及工作流程

本次无接触式外卖小车主要由六大模块组成，各模块之间经STM32F103 微控制器联系起来。其完成的主要功能有基于GPS 的自动驾驶来进行外卖配送、基于GMS 的短信发送、病毒消杀、保温、加热、对冰冻饮料进行制冷、语音播报，提醒用户输入验证码、遇到障碍物紧急刹车等，除了这些主要功能之外，该外卖配送小车还具备摄像功能，对配送沿途路线进行路况录像，还可防止其他人错领、盗取顾客的外卖，对未能及时领取外卖的顾客进行超时收费处理等。功能多样，既满足了外卖配送的时效性，也满足了疫情防控要求。此外卖配送小车，不仅可以配送外卖，还可以在用餐低峰期配送快递，实现了外卖配送与快递配送之间的联动。而且，疫情过后，这些功能依然适用。

主要工作流程分为三步：

（1）商家对外卖的存放。商家将外卖放入箱体中时需要通过键盘输入存餐识别码，放入外卖、关闭箱门后，外卖箱启动紫外线消杀功能并自动产生取餐号码。

（2）智能外卖车的配送。外卖车根据事先规定好的路线进行配送，并在配送过程中时刻检测外卖温度，并对其进行温控处理。

（3）顾客取餐。小车到达目的地后，发送短信，提醒用户取餐，而用户只需要根据语音提醒输入正确的取餐码，小车就会自动打开相应柜门让顾客取餐。工作流程图如图1所示。

图1：无接触式外卖车存（左）取（右）餐品工作流程图

3 主要硬件模块

硬件系统结构方框图如图2所示。

图2：硬件系统结构方框图

3.1 STM32微控制器

STM32 是为低成本、低功耗、高性能的嵌入式应用而设计的一系列微控制器。其自带各种常用通信接口：串口USART，用于和串口接口的设备通信，比如：GPS 模块、GSM 模块、USB 转串口模块；内部集成电路I2C；串行通信接口；ADC、GPIO。其片内FLASH 为512K、片内RAM为64K、价格低、引脚多、快处理、功能强大、应用广泛。因此，性价比超高的STM32F103ZET6 成为本次设计中32位微控制器的首选。

3.2 GPS模块及传感器

GPS 模块是一个集成了基带芯片、RF 射频芯片、核心CPU 以及相关外围电路四者而组成的集成电路。GPS 模组功耗低、灵敏度高。现已广泛应用于导航器、手机、笔记本电脑等。采用GPS 模块以此来实现自动驾驶外卖车的正常配送。该模块的系统设计图3所示。

图3：系统设计结构图

如上所示，该模块基于树莓派，来自GPS 提供的数据经串口传至树莓派，由树莓派计算出的导航角度和当前外卖车所在区域进行对比后，计算出导航角度，以此调整外卖车方向，外卖车将行至预先设置的地点。经预先设置好的多个导航点，小车就可到达目的地。

如图4所示，是外卖车导航的基本原理图示。即对当前小车所在坐标和航点所在坐标的比较，得出当前位置与航点的距离。经haversine 公式（即hav(d/R)=hav(φ2-φ1)+cos(φ1)cos(φ2)hav(λ2-λ1)，d 是小车与航点之间的距离，R 为地球半径，φ1 和φ2 表示两点的纬度，λ1 和λ2 表示两点的经度）计算出两位置间距离和方位角。

图4：小车导航图示

红外线传感器的作用是利用其本身将数字或者模拟信号转换成开关量信号，达到外卖车紧急躲避障碍物的目的。以其高灵敏性、高可靠性的优点得到了广泛应用。GPS 模块的设置不仅仅是为了外卖车的顺利且正确行驶，还具有手机终端可查下车当前位置的功能，使用户时时刻刻了解自己外卖的配送情况，提前得知外卖送达的时间，就可预先准备取餐。

3.3 GSM模块

如图5所示，本GSM 模块使用德国西门子工业GSM模块TC351。能够实现上位机控制GSM 模块来发送短消息等。插入SIM 卡后，可通过串口助手与之建立通信，在串口助手中发送相应的AT+CMGS 指令即可实现短信的发送。

图5：TC351 仿真原理图

该模块主要用于向顾客自动发送取餐提醒及取件码,有效地避免了外卖员同时在同一地点配送多个外卖时，漏打电话这一问题的发生。GSM 模块的设计流程如图6所示。

图6：短信通讯流程图

由于该模块完成的功能主要是发送短信，故需要对其短信消息进行PDU 编译码，此模式不仅支持英文短信，还支持中文信息发送，具有很大的实用性与适用性。利用PDU编译码时，我们采用的编码方式为UCS2，属于Unicode 编码标准。中国Uincode 编码为4E2D56FD。PDU 数据包发送信息帧格式如表1所示。

表1：PDU 发送帧格式

此外，采用USC2 编码方式发送信息不超过70 字符，即140 字节，然而对于本次设计已完全够用。

3.4 温控模块

温控器就是用来控制温度的模块，主要由电源部分、接收信号部分、输出控制和警报输出部分、以及一些附加功能。控制温度的方法一般分为两种：一种是由物体的温度变化来进行控制，这种一般采用的是蒸气压力式温度控制器，另外一种是由物体温差变化来进行控制的，多采用电子式温度控制器。机械式温控器采用两种压在一起的不同热膨胀系数的金属，当温度改变时，其弯曲度会随着温度而改变，当这两种组合在一起的金属弯曲到一定程度时，接通或者断开回路，以达到加热或者冷却的目的。电子式温控器通过热电偶、铂电阻等温度传感装置，将温度信号转换为电信号，通过单片机、PLC 等电路控制继电器来达到加热或者冷却的目的。温控模块在外卖小车中发挥的主要作用就是控制外卖餐品的温度，以使顾客得到良好的口感体验。

如图7所示，本次选用的温度传感器是由美国DALLAS公司推出的数字化温度传感器DS18B20，其采用单总线协议，也就是仅仅需要一个I/O 端口与之相连而实现了双向通讯，接线方便，并且直接将温度信息转化为数字信号传达给单片机处理，因此能够省去传统的信号放大及A/D 转换等外围电路。其工作时序包括初始化时序、写时序和读时序。经封装后放入外卖柜体中，由于其体积小并不会占用太大空间。关于温度设置不仅可以通过温度传感器进行温控处理，商家也可自行进行温度设置。

图7：DS18B20 引脚图

3.5 紫外线消杀模块

紫外线消毒灯是利用紫外线的杀菌作用进行灭菌消毒而设计的一种消毒灯具。紫外线消毒灯向外辐射的紫外线波长为253.7nm，此波段的紫外线杀菌具有最强的杀菌功能。紫外线消毒的科学原理是作用于病毒、细菌的DNA，破坏其DAN 的结构，使其失去繁殖、自我复制的能力而达到消杀灭菌的功能。如图8所示。

图8：紫外线杀菌原理

如今的餐厅食堂都会配备紫外线消毒灯对餐具进行消毒灭菌，除去餐具，其还能对水、衣物等进行消毒。紫外线消毒灯主要分成低压、高压与中压，而低压主要用来消毒。一般紫外线杀菌时间相对较久，其在外卖快递小车中的应用完美的避开了这一缺点，外卖车配送过程中就可以完成杀菌工作。

3.6 LCD显示器及键盘

LCD 液晶显示器具有功耗低、体积小、不伤眼及承载的信息量大的优点，因此成为了当前社会的主流电子显示设备，其中包括电视、电脑显示器、手机屏幕、及各种嵌入式设备的显示器。4×4 矩阵键盘的设计，减少了I/O 口的占用数量。主要设计于水平线和垂直线的交叉处，以此来达到行线与列线的交叉连接。当没有键按下的时候，输入端都是高电平。一旦按下键盘，输入线就会被拉低，这样通过输入线的状态来得知哪个键盘被按下。除去0 到9 十位数字以外，还有清零键、取消键、确认键、温度设置键、消毒按键、定时键等。

而对于取餐的顾客来说，只需要根据显示器按下对应的取件码就可以打开相应柜门，取得餐食。如果顾客未能输入正确的取餐码，此时主控芯片对按键进行判断后，会在显示器上显示并语音播报：“取餐码输入错误，请重新输入。”

3.7 语音播报模块

主要由SC8065 芯片、扬声器和继电器构成。SC8065 语音芯片使用的是最新的OTP（One Time Programmable）语音晶元。在串行PWM 控制时，先发送高电平RESET 信号，DATA 再发送N 个脉冲信号，就可以完成第N 地址语音的播报。

如图9，第二、三引脚为PWM 音频输出，第六引脚是输入输出口/串行脉冲复位脚，需要复位时，首先要将其内部地址指针归位，再发送对应脉冲就可以完成语音播报。第七引脚是输入口/串行触发计数脚。第八引脚的作用是检测语音是否播报完毕，当第八引脚为低电平的时候表明语音播报已经完成。

图9：SC8065 引脚图

4 软件设计方面

本次设计中所用到的编程软件是Keil uVision4。由于外卖配送小车的功能多样，在软件上进行仿真实验时，实行的其中几个模块的彼此联合进行测试。程序的编程利用的是C语言程序设计，其在可读性、可移植性上具有很大的优势。Keil 系统兼容性非常好，能够支持的语言编程设计多样，Keil 软件在各个版本的Windows 系统下都能成为的Keil 软件运行环境。本次设计中，按键选择、行驶路线、语音播报等功能均采用C 语言编译的程序对其进行控制。

5 结语

无接触式外卖配送小车将打破传统外卖的配送方式，实现外卖餐品的高效化、便捷化、智能化。实现了外卖员与用户的无接触配送，并配有紫外线消杀功能更加符合疫情防控。存取方便、保温加热、语音提醒、防偷防盗等。如今不止外卖的便捷配送，各种代取、代买、代送层出不穷，除去用餐时间的外卖存取，此外卖箱也可存取其他物品，如用户下单代买的生活用品均可放入柜中存取，这样一来，外卖箱在用餐之外的时间也可得到利用，必将受到大众的喜爱，为疫情下的餐饮行业提供了新方向。