基于STM32的智能车配送系统设计

嵇前铭，陈胜笛，周伊琳，侯鸿涛，刘舒祺

（江苏理工学院 电气信息工程学院，江苏常州，213001）

0 引言

随着互联网技术和电商的蓬勃发展，消费的方式开始发生转变，网络购物开始成为人们购物的主要手段[1]。年轻人逐渐成为新型消费主力，尤其大学生的消费方式也发生了改变。据数据显示，每年校园快递量都在增长，校园快递量的增长随之而来的是面临着校园最后一公里配送难题。当前，校园快递采取集中投放和管理的方式，快递“最后一公里”的配送模式还是传统的送货上门或定点取货[2~3]。结合防疫需求，很多高校实行封闭管理，学生网购需求增加，不断增长的快递需求与校园的防疫秩序之间矛盾凸显。在当前疫情不断反复的情况下，按照传统的快递投放方式，需要投入大量的人力，物力对快递物品进行消毒、静置。另外，校园快递驿站数量少和快递量大的问题，造成学生取件不便，尤其到了下课取件高峰期，排长队取快递屡见不鲜[4~7]。以上诸多问题，对传统的配送方式产生了巨大的考验，在物联网和电子技术发展背景下，智能化配送也逐步走进现实。基于此，面向校园的智能车配送系统研究显得尤为重要。

1 系统方案

系统工作时，小车首先在取货点对物品进行扫描二维码获得物品信息及需要派送到的位置，然后小车执行派送任务，在配送过程中通过摄像头对路况进行判断，并将货物送到指定地点，在配送过程中，小车的运行位置、车速和货物信息等既在显示屏上，又通过无线模块发送给云平台，用户端可通过微信小程序浏览云端的信息，掌握货物的配送情况[5]。当然用户也可以通过微信小程序在校园内购物，用户在微信小程序上指定所需商品，微信小程序给用户分配取货号码，由人工把商品放至智能车内，智能车通过摄像头循迹将货物送达指定地点后，用户通过智能车上的矩阵键盘模块输入密码，打开车厢，拿走商品。系统框图如图1所示，在该系统中，主要由STM32控制模块、OneNet云平台、微信小程序三大部分组成。其中STM32控制模块包括ML302-GNSS 4G通信模块、LCD显示模块、矩阵键盘模块、Open MV 4 H7 Plus摄像头。

图1 系统设计框图

2 系统硬件设计

系统硬件采用STM32F103RCT6作为主控芯片的核心板，并根据所需功能包括如下模块：OpenMV4 H7 Plus摄像头模块、ML302-GNSS 4G CAT 1通信模块、LCD显示模块、矩阵按键、TB6612直流电机驱动模块实现信号的输入输出等功能。系统设计原理图如图2所示，具体功能结合硬件个模块设计详细讲解。硬件部分的设计框图如图3所示。

图2 芯片与各模块的引脚图

图3 硬件结构框图

■ 2.1 单片机模块设计

STM32F103RCT6单片机是一种嵌入式-微控制器的集成电路，是由ST公司开发的STM32F1系列的其中一种，芯体尺寸是32位，速度是72MHz，程序存储容量是256KB，程序存储器类型是FLASH，RAM容量是48K。本设计中采用AT指令对ML302-GNSS 4G CAT 1移动通信模块进行控制连网，主要用到主控制芯片中USART2串口通信，其他功能模块主要用到了控制器的I/O口。

■2.2 通信模块和定位模块

ML302-GNSS 4G CAT 1通信模块支持TD-LTE/FDDLTE通信制式，采用LCC+LGA封装方式。该模块供电电压为3 3V～4 2V，内置GPS定位模块，可以实现信息的传输和小车位置信息的获取。通信时必须保证电压稳定，不然容易造成设备与云平台出现断连的的情况，导致设备停止工作。在本系统设计中将ML302的VCC、GND、RXD、TXD分别与STM32F103RCT6单片机的VCC、GND、PA2、PA3相连，既用于连接云平台以及实现终端控制器与云平台间的通信，又可以实时获取小车的位置信息。

■ 2.3 摄像头模块

OpenMV摄像头是一款小巧，低功耗，低成本的电路板，可以很轻松的完成机器视觉应用，通过高级语言Python脚本控制OpenMV。本系统设计中主要用到该模块的UART与STM32F103RCT6单片机通信，具体将OpenMV的VCC、GND、PB10(TXD)和 PB11(RXD)分 别 与 STM32F103RCT6单片机的VCC、GND、PA9和PA10相连完成循迹和标识功能。

■2.4 LCD显示模块

本设计采用的是2 8寸显示分辨率为320×240的LCD触摸屏。它的液晶显示屏的每一个像素上都设置有一个薄膜晶体管，可以有效地克服非选通时的串扰，使显示液晶屏的静态特性与扫描线数无关，因此大大提高了图像质量。本系统设计中LCD与STM32F103RCT6单片机的具体引脚连接如图2所示。

■2.5 直流电机驱动模块

TB6612FNG是东芝半导体公司生产的一款直流电机驱动器件，它具有大电流MOSFET-H桥结构，双通道电路输出，可同时驱动2个电机。具有4种电机控制模式：正转/反转/制动/停止；PWM支持频率高达100kHz。本系统设计中，将TB6612的AIN1、AIN2、BIN1、BIN2分别与STM32F103RCT6单片机的PA1、PA4、PC0、PC7相连。

■ 2.6 矩阵键盘模块

本系统设计采用TELESKY 4×4直插式矩阵键盘与STM32F103RCT6连接，用行列扫描法原理识别按键按下。用户在取外卖或者快递时在该键盘上输入取货密码取货。本系统设计中，将STM32F103RCT6单片机的PA8、PC2、PC3、PA11、PA12、PA13、PA14和PA15设置成浮空输入模式用于外接矩阵键盘。

■ 2.7 报警模块

蜂鸣器驱动方式为GPIO切换高低电平。平时不工作，三极管由于I/O端口输出高电平从而截止。当取货密码输入正确时发出提示音；当配送小车停止工作或发生故障时发出警报。本系统设计中采用STM32F103RCT6单片机上自带的蜂鸣器模块（BUZZ PC1）。

■ 2.8 LED 模块

LED是一个发光二极管器件。通过控制I/O端口的高低电平状态从而控制LED的亮灭。LED正极与I/O端口之间连接了限流电阻，防止通过LED的电流过大导致损坏。LED1和LED2用于显示OpenMV4 H7 Plus摄像头与STM32F103RCT6之间的正常运行。本系统设计中采用STM32F103RCT6单片机上自带的LED模块。

3 系统软件设计

系统软件部分主要由4G移动通信模块、摄像头模块、LCD显示模块、直流电机驱动模块、矩阵键盘模块、蜂鸣器模块、LED模块和外围设备控制模块程序组成，程序开始后要依次对各个模块进行初始化，然后小车进入待命状态，等待微信小程序端下发运行的命令。待收到配送命令和目的地信息时开始工作，系统工作程序流程图如图4所示，STM32程序执行流程如5图所示。

图4 系统工作流程图

图5 STM32程序执行流程图

■3.1 单片机控制部分软件设计

小车收到客户需求并且OpenMV识别即将送往的目的地信息后，变量start被置1，小车开始工作。OpenMV将采集到的实时路况信息通过UART发送给STM32的USART1，小车由此选择路线并巡线前往目的地。此外STM32通过PI控制小车运动。在小车运动过程中，通过定时器定时每隔1s向云平台发送小车实时位置。当OpenMV识别到目的地标识后，小车停止运动，变量start被置0，并向云平台发送“订单已送达”的通知。待客户正确输入密码取货后，start被置2，TB6612控制舵机运转，使小车掉头原路返回，其中OpenMV中的部分代码如下：

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(" ")# 发送帧头

uart write(" ")

uart write(d1)

uart write(d2)

uart write(d3)

■3.2 微信小程序部分软件设计

微信小程序采用MINA小程序框架，页面结构由WXML（Wei Xin Markup Language）构建，页面样式由WXSS（Wei Xin Style Sheets）编写。软件逻辑采用App Service实现，逻辑编程语言采用JavaScript。

微信小程序有2个导航栏，分别为首页、关于。“首页”部分由4个模块组成，分别为发布需求、配送路线、订单查询、小车位置，如图6所示。“关于”部分则是显示了智慧校园的一些信息，如电话、微信、邮件、地址，如图7所示。

图6 小程序首页界面

图7 小程序关于界面

4 系统测试及结果分析

通过微信开发者工具的调试器验证测试，系统能够成功接收One Net云平台的数据，图8展示了微信小程序后端调用wx requset()获取配送单号的信息，图9展示了微信小程序后端调用wx requset()获取小车位置的信息。图10、图11是与之对应的微信小程序用户端界面。

图8 配送单号输出框

图9 小车位置输出框

图10 订单查询界面

图11 小车实时位置

5 结语

本文设计了一套基于STM32的物联网智能小车配送系统，通过STM32作为主控制单元，协调各模块工作，将货物准确无误地配送到目的地并安全返回。其中包括将小车位置和订单配送状态在微信小程序中显示等。重点在于用户用微信小程序通过HTTPS协议发布需求到OneNET云平台，OneNET云平台再通过HTTP协议与终端进行连接，从而达到数据传输的目的。从系统的整体上来看，制作成本较低，软件程序的可调性较高，能够应对较为复杂的环境变化和挑战。该智能小车配送系统在目前的校园配送中前景较好，尤其疫情当下，采用智能车配送服务既符合疫情封闭管理的措施，又能为人们提供便捷、安全可靠的服务。