高校无接触式外卖保温柜的设计

摘 要：随着社会经济的迅速发展和人们生活水平的提升，外卖服务在大学校园中日益受到青睐。然而，传统的外卖配送方式存在一些较为普遍的问题，例如送餐员与学生之间的接触所带来的卫生安全隐患以及送餐效率低下等。针对上述问题，在外卖配送服务中引入传感器技术、物联网技术和人工智能算法等先进技术，借助传感器监测保温柜内部的温度，保证食品的新鲜度和安全性。同时，通过物联网技术实现保温柜与学生手机APP的互联互通，大幅提升了外卖配送的效率和准确性。测试结果表明，该系统能够有效解决传统外卖配送存在的问题，提高了外卖员的配送效率并保障了食品安全性。同时，学生对该系统的接受度也较高，认为其方便快捷、安全可靠。

关键词：智能化控制技术；传感器技术；物联网通信技术；无接触式配送；外卖存储；远程监控

中图分类号：TP368.1；TH122 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2025）05-0-05

0 引 言

随着社会经济的蓬勃发展和人们生活水平的显著提升，外卖服务在大学校园中迅速风靡起来。大学生们通常面临着繁重的学业压力，经常无法抽出时间去食堂或餐厅用餐。外卖配送的便捷性和灵活性则满足了学生们的需求。然而，传统的外卖配送方式仍存在一些问题。首先，送餐员与学生之间的接触可能导致食品安全问题。在传统的外卖配送方式下，送餐员会将食品直接交给学生，这可能导致病毒和细菌在他们之间传播。其次，送餐员与学生之间的交流也可能存在沟通不畅或者无法联系等问题，影响学生点餐体验和送餐员的工作效率。

为了解决这些问题，本文提出了一种高校无接触式外卖保温柜的设计方案。该设计通过智能化控制技术和先进的传感器技术，实现了无接触的外卖配送过程。学生通过手机外卖APP进行下单后，无需与送餐员接触。外卖菜品将被放入保温柜中，同时发送一条带有取餐码的短信至学生手机，学生在指定的时间段内到达保温柜，在外卖柜上输入短信中的取餐码即可取餐。这种无接触的配送方式既提高了食品的安全性，又提高了外卖配送的效率，同时也提升了用户的体验。

1 高校无接触式外卖保温柜功能介绍

为了实现外卖的无接触式配送设计方案，引入了无接触式外卖保温柜，该外卖柜采用了传感器技术、物联网技术等先进技术。通过红外温度传感器和空间温度传感器监测外卖柜内食物温度和外卖柜内部温度，确保食品的新鲜度、安全性和温度的稳定。当外卖员到达外卖柜后，外卖员通过柜体交互屏幕点击上面的“我要存餐”按钮并将顾客的电话号码信息输入系统后，外卖柜会自动打开一个存放柜，外卖员将餐食放入进行存餐，并关好柜门，同时后台会自动生成取餐码存入数据库并由系统的GSM无线通信模块将该取餐码发送给学生。学生到达前，外卖柜自动识别食物温度，并进行相应的食物保温，以及自动打开紫外线灯进行消杀工作。学生到达后，需要在外卖柜的屏幕上点击对应的“取餐”按钮并在弹出的界面中输入手机短信中的取餐码。输入的取餐码在后台与数据库进行比对，若比对失败，则屏幕上显示输入错误，需要学生重新输入；若比对成功，则打开相应的柜门，学生取餐后关闭柜门，取餐完成[1]。外卖柜配备了智能安保系统，为外卖柜的安全做出了保障。

外卖柜采用STM32F103RBT6单片机作为主控芯片，基于C语言对程序进行程序开发，负责整个系统的控制和管理。此外，该外卖柜还配备了3.5英寸的ILI9341可触摸显示屏，能够为用户带来良好的操作体验[2]。

传感器包括负责检测柜体内温度的空间温度传感器和负责检测食物温度的红外温度传感器。外卖保温柜存入外卖后，红外温度传感器和空间温度传感器会分别对外卖的温度和保温柜的温度进行检测。若外卖温度高于40 ℃且柜内温度低于50 ℃，系统会对内部电热丝进行通电，增加柜内温度，达到55 ℃时自动断电，低于50 ℃时继续接通电源，以达到对热食保温的效果。若检测到外卖温度低于10 ℃，则对柜内半导体制冷片进行通电，同时打开风扇对其进行散热，直至柜内温度至0 ℃时停止工作，柜内温度高于10 ℃时继续工作，以达到冷藏效果，直至外卖被取出。工作流程如图1所示。

外卖食物消毒通常采用紫外线杀菌技术，以确保食品的安全性。紫外线杀菌技术利用紫外线照射，消灭食物中的病原体。在紫外线的光敏作用下，氧气分子（O2）会被分解成两个自由基氧原子（O），这些氧原子非常活泼，会与其他氧气分子结合生成臭氧（O3），即三个氧原子组成的分子。这个过程是臭氧循环的一部分，其中臭氧分子不稳定，紫外线照射后又可以分解成氧气分子和氧原子，形成一个持续的过程[1-4]。臭氧是一种具有强氧化作用的气体，能够破坏细菌及病毒的DNA，从而达到消毒的目的。工作原理如图2所示。

智能外卖保温柜系统的核心技术之一是先进的移动通信技术。本系统选用了高性能的GSM移动通信模块——SIM800C，来实现外卖柜的通信任务。SIM800C不仅功能全面，涵盖了短信、彩信、语音通信及蓝牙数据传输等多种能力，而且在功耗控制上达到了业界领先水平，是一款专为工业应用设计的四频GSM/GPRS模块。SIM800C模块还配备了先进的硬件流控制功能，在提供了短信传输、彩信传输、语音通信、蓝牙连接以及GPRS数据传输等多种功能的同时，还可适配5 ～24 V超宽范围的工作电压[2]。

送餐员只需在外卖柜的液晶屏上输入客户的电话号码，系统将自动发送包含取餐码的短信，通知客户前往外卖柜取餐，为用户提供了便捷的取餐体验。

外卖柜融入了先进的智能安保体系，配置了智能摄像头，并利用4G通信模块将实时视频画面传送至校园安保科。当外卖柜被非正常打开时，立即通知安保科并通过智能对讲系统在外卖柜异常时第一时间与安保科取得联系，从而应对突发的状况。外卖柜智能安保系统设计流程如图3所示。

2 高校无接触式外卖保温柜系统设计

本外卖保温柜采用STM32F103RBT6单片机作为控制核心，由硬件控制系统和软件控制系统两大部分组成。硬件系统主要包括柜体存储系统、柜体安保系统、柜体交互系统、柜体控制系统[5]。软件控制系统主要包括系统本地数据处理端和服务器数据处理端的设计。系统的总体设计如图4所示。

2.1 硬件部分设计

外卖智能柜硬件主要分为四个部分：柜体存储系统、柜体安保系统、柜体交互系统和柜体核心系统。其中外卖柜的柜体存储系统由空间温度传感器、红外温度传感器、紫外线杀菌灯和智能恒温系统组成，用于保证外卖食品的新鲜度和安全性[5]。柜体安保系统通过I/O口直接采集无FIFO摄像头的数据；同时配备通信模块，以实现远程监视和对讲功能，提升外卖柜的安全性。柜体交互系统由4G LET模块、GMS模块和触摸显示屏组成，用于与用户进行交互，提供外卖信息展示、订单查询等功能。柜体的核心控制系统由STM32F103RBT6单片机构成，负责整个系统的控制和管理。

2.1.1 柜体存储系统

（1）紫外线杀菌灯

目前市场上存在两种主要类型的紫外线消毒灯，分别是185 nm和254 nm波长的灯。其中，185 nm紫外线在使用过程中会释放臭氧，而254 nm紫外线的波长最短，能量最高，具有更强的杀菌能力。本外卖柜使用的是波长为185 nm的紫外线消毒灯。这种紫外线消毒灯可以分解氧气分子，进而生成氧原子，通过氧原子与氧气分子结合从而产生臭氧（具体过程如图5所示）。臭氧因为其强大的氧化性而具有较强的消毒效果，可以有效杀灭外卖包装上滋生的病毒和细菌，从而有效防止疾病的传播。此外，使用带有臭氧的紫外线消毒灯具有极高的安全性并且没有副作用。紫外线杀菌技术是一种安全而又绿色的物理消毒法。由于紫外线强大的杀菌能力，其可以有效地消除外卖包装上生长的细菌和所携带的病毒，同时也可以保证食物口感和品质不会受到影响[1-5]。

（2）智能恒温系统及温度传感器的设计

为了保证外卖食物的最佳口感和风味，该智能外卖保温柜具备感知外卖温度和保温柜内部温度的能力，并能根据外卖的温度选择适当的温度进行保温处理。为了实现对柜内温度数据的收集，智能恒温系统采用了迈来芯所生产的MLX90614非接触式红外温度计，如图6所示。

该传感器具有体积小、成本低以及易于安装的优点，对其进行二次加工封装后安装到外卖柜中。MLX90614采用了TO-39金属封装，内部集成了专用集成芯片，其中整合了低噪声放大器、17位模数转换器和强大的数字信号处理单元。这一设计使得该温度传感器具备了高精度和高分辨率的温度计功能，能够以10位PWM的输出格式传输-20～120 ℃

范围内的物体温度，并且具备高达0.14 ℃的分辨率[6-7]。MLX90614整合了多代产品的温度传感器元件和转换电路，通过紧凑的封装设计，仅需4个引脚即可连接。当柜内的食物温度低于设定的阈值时，智能恒温系统会向中心控制系统发出信号，从而进行加热或者制冷操作，确保食物的温度在正常范围内[5]。MLX90614采集温度电路如图7所示。

2.1.2 柜体安保系统

（1）无 FIFO的OV7670摄像头

图8所示为OV7670摄像头模块，该模块工作电压较低、体积较小，集成了单片VGA摄像头和影像处理器的全部功能，但因为不含FIFO芯片，所以价格较为经济实惠。该模块通过SCCB总线来进行控制，支持多种分辨率的8位影像数据输出，包括整帧、子采样、取窗口等方式[8]。VGA图像输出速率最高可达30帧/s。用户可全面控制图像质量、数据格式和传输方式，具有灵活性和可定制性。

连接OV7670的SDA、SCL、VSYNC、HREF、PCLK、D0～D7等引脚到STM32F103RBT6单片机的对应引脚后，需要编写相应的驱动程序，包括I2C总线驱动程序、摄像头寄存器配置程序和图像采集程序等。在程序中，需要先对OV7670进行初始化，设置摄像头的分辨率、色彩格式、帧率等参数。这样可以确保图像采集的质量和效率。由于OV7670的数据传输速率较高，需要使用DMA方" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " 式进行数据传输，以提高效率，如果不使用DMA方式，可能会影响图像采集和处理的效率。另外，需要注意STM32F103RBT6单片机的处理能力有限，对于高分辨率和高帧率的图像采集可能会存在一定的性能瓶颈。因此，在设计程序时需要充分考虑单片机的处理能力，并进行合理的优化。

（2）语音对讲系统

使用外部语音编解码芯片INMP441麦克风和VS1053音频编解码芯片，使用STM32F103RBT6的ADC模块来实现音频输入功能，进而采集来自麦克风的模拟语音信号，并将其转换成数字音频数据。这些芯片可以进行音频编解码处理，将音频数据转换成可以传输的MP3或其他压缩格式。连接麦克风和音频编解码芯片到STM32F103RBT6单片机的相应的外部语音编解码芯片和音频输入输出电路的引脚，同时可以使用STM32F103RBT6单片机的通用输入输出引脚（GPIO）来连接外部设备，以实现音频输入和输出功能。

实现语音对讲功能的关键是要能够实现双向通信，即能够同时采集和播放语音信号。因此，需要在STM32F103 RBT6单片机上实现双向音频数据的处理和传输。通过适当的通信接口SPI或I2S将编码后的音频数据传输到通信接口连接的外部设备的网络模块，将音频数据进行传输。接收来自对方的音频数据，从通信接口接收来自网络通信模块的音频数据。使用外部的音频编解码芯片VS1053来解码接收到的音频数据，并将其转换成数字音频数据。使用STM32F103RBT6的ADC模块处理解码后的数字音频数据，将其转换成模拟语音信号输出到扬声器。

2.1.3 柜体交互系统

（1）4G LTE和GMS通信模块

选用SIMCom生产的SIM7600CE作为STM32F103RBT6单片机的通信模块。将SIM7600CE模块的TX（发送）、RX（接收）引脚连接到STM32F103RBT6单片机的对应引脚，同时连接模块的电源引脚（VCC、GND）和SIM卡插槽，需要确保为其提供足够的电流和稳定的电源。根据SIM7600模块的使用手册，编写串口通信的初始化代码，配置STM32F103RBT6单片机的串口通信参数，并通过USART1串口与SIM7600CE模块进行通信[9]；通过发送AT指令控制模块，编写初始化代码，配置STM32F103RBT6单片机的串口通信参数[10]。通过USART1串口与SIM7600CE模块进行通信，并发送AT指令以控制模块，实现初始化模块、连接网络、短信发送等操作。使用LwIP协议栈来实现网络通信协议。最后进行测试和调试，确保STM32F103RBT6单片机能够通过SIM7600CE模块连接到4G LTE网络，实现数据的发送和接收，并完成短信的发送。

（2）ILI9341触摸显示屏

通过触控显示屏实现智能外卖柜与用户之间的信息交互，通过核心控制模块进行数据处理与转换，并与内部数据库进行数据匹配和验证，以提供良好的用户体验[5]。本设计选用了3.5英寸的ILI9341触摸显示屏，它是一款常用的SPI接口触摸显示屏。ILI9341作为单片机SoC驱动器，用于驱动分辨率为240×320的TFT液晶显示屏。它拥有720通道的源驱动和320通道的门驱动，内置了172 800字节的GRAM（240×320像素的图形显示数据）以及电源电路。该驱动器支持并行8-/9-/16-/18位数据总线的MCU接口，以及6-/16-/18位数据总线的RGB接口，同时也支持3/4线串行外围接口SPI通信。

与触摸显示屏完成交互需要使用STM32F103RBT6单片机的GPIO（通用输入输出）端口和SPI（串行外设接口）通信接口。首先，通过GPIO端口连接STM32F103RBT6单片机和触摸显示屏的控制线；然后，通过SPI接口连接STM32F103RBT6单片机和触摸显示屏的数据线，通过SPI接口实现数据的传输和通信。在STM32F103RBT6单片机的程序中，需要编写相应的驱动程序来读取触摸显示屏的数据，并根据用户的触摸输入坐标来控制显示屏的显示内容。可以使用STM32CubeMX生成初始化代码，并编写相应的中断处理程序和数据处理程序，以实现显示屏的交互功能。

2.1.4 柜体核心系统

单片机最小系统以STM32F103RBT6为核心，其与柜体存储系统、安保系统、交互系统等相连接，实现对智能外卖柜的控制和完整存储取餐功能。STM32F103RBT6具有高性能、低功耗、低成本、接口丰富等优点，同时它还具有较大的闪存和RAM，相较于其他类型的单片机，性价比更高，功能更强大。

2.2 软件部分设计

智能外卖柜的软件控制系统用来实现用户与外卖员之间的信息交互以及协调硬件之间的调配和信息的处理等[10]。根据本文的设计理念，为外卖柜及相关硬件开发相应的运行程序。在外卖送达后，外卖员在屏幕上点击“我要存餐”按钮，输入订餐者手机号码并存入外卖。随后，GMS模块会向订餐者的手机发送一条带有随机生成的取餐码的短信。外卖存储过程中，智能外卖柜会检测食物的温度并进行相应的保温处理，同时打开紫外线灯对外卖食物包装进行杀菌处理，直至订餐者前来取餐。取餐时，订餐者点击屏幕上的“取餐”按钮并输入短信上的取餐码，若输入正确，柜门发开，流程结束。

STM32F103RBT6芯片的主控执行流程包括开机自检、 通信模块功能自检、传感器功能自检、数据采集、判断阈值等操作。具体流程如图9所示。

3 结 语

在外卖行业蓬勃发展的当下，本文针对当前外卖取餐等候时间长、外卖易丢失、外卖包装不卫生等诸多问题，设计了一款功能强大的智能外卖保温柜。该外卖保温柜集保温、消毒、监控安防等功能为一体，还通过颠覆性的技术创新解决了多重问题。紫外线杀菌功能有效地降低了外卖员与用户之间的细菌和病毒传播风险，不仅保障了外卖食品的品质，还有效解决了因食物保存不当可能给用户带来的健康隐患。智能安保系统则降低了外卖因为无人看管被偷或者被他人拿错的可能性，提高了外卖配送的可靠性。此外，智能外卖保温柜配备了先进的触摸屏操作界面，为顾客和外卖员提供了便捷的使用体验，从而进一步提升了外卖配送效率。多功能外卖保温柜的问世不仅改善了外卖的存储环境，同时还减少了商家对外卖保温包装的需求，从而减少了资源的浪费，对环境保护也起到了积极的作用。

参考文献

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