無(wú)接觸智能外賣配送系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄭云祥，張心怡，鄒林，劉會(huì)衡（通訊作者）

（湖北文理學(xué)院物理與電子工程學(xué)院，湖北襄陽(yáng)，441053）

0 引言

隨著外賣行業(yè)的發(fā)展，外賣服務(wù)已進(jìn)入老百姓的日常生活中，并以不可替代的方式給人們的生活需求帶來(lái)了足夠的便利。隨著新冠肺炎疫情的爆發(fā)和傳播，為了在外賣配送過(guò)程中避免一定的人員接觸，傳統(tǒng)外賣配送方式并不能很好的解決某些實(shí)際問(wèn)題，在提倡少接觸、不接觸的背景下，應(yīng)該給予外賣配送一個(gè)新的思路。

如今，電子行業(yè)發(fā)展迅速，以嵌入式為代表的智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)越來(lái)越成熟，通過(guò)以單片機(jī)為核心的無(wú)接觸外賣配送系統(tǒng)是基于疫情當(dāng)下的特殊環(huán)境而考慮的解決方案，并且也能很好地運(yùn)用在非疫情期間。無(wú)接觸智能外賣配送系統(tǒng)通過(guò)外賣暫存柜與騎手的配合，通過(guò)手機(jī)讓消費(fèi)者知曉當(dāng)前外賣所存地點(diǎn)，可以有效避免消費(fèi)者與騎手之間的接觸，騎手不用像往常擔(dān)心外賣超時(shí)問(wèn)題，同時(shí)消費(fèi)者又能靈活的選擇時(shí)間去取餐。外賣暫存柜通過(guò)恒溫系統(tǒng)可以最大限度地保留食物的熱度，使柜子能夠更為可靠地對(duì)外賣進(jìn)行存放管理，大大增加了系統(tǒng)的實(shí)用性。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

無(wú)接觸智能外賣配送系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。它主要由STC89C52 單片機(jī)為主控制器，其與外圍電路構(gòu)成整個(gè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要研究智能化外賣存取與統(tǒng)一管理，其中包括LCD 顯示、數(shù)字鍵盤、二維碼掃碼模塊、加熱系統(tǒng)及恒溫控制系統(tǒng)組成，其中恒溫系統(tǒng)通過(guò)單片機(jī)、溫度傳感器與繼電器的配合，可以有效地實(shí)現(xiàn)暫存柜的加熱與溫度控制。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

■2.1 總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程如圖2 所示，主要是由系統(tǒng)總體軟件設(shè)計(jì)方案、溫度控制程序以及掃碼控制程序組成。其中總體方案流程如下：對(duì)系統(tǒng)以及外圍器件進(jìn)行初始化，外賣柜通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)與手機(jī)APP 接合，當(dāng)騎手將外賣配送至?xí)捍婀?，系統(tǒng)發(fā)出二維碼到點(diǎn)餐者手機(jī)APP 里并等待取餐，點(diǎn)餐者也可通過(guò)APP 里一同生成的數(shù)字驗(yàn)證碼通過(guò)數(shù)字鍵盤輸入進(jìn)行取餐。

圖2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程

當(dāng)取餐者取餐時(shí)，系統(tǒng)會(huì)對(duì)其二維碼或者驗(yàn)證碼進(jìn)行比對(duì)，當(dāng)比對(duì)成功，信息反饋給單片機(jī)操作外賣柜打開(kāi)，當(dāng)完成取餐并關(guān)上外賣柜后，系統(tǒng)返回到初始化。QT960 掃碼模塊自帶蜂鳴器，所以當(dāng)比對(duì)失敗則會(huì)發(fā)出警報(bào)，并通過(guò)LCD1602 顯示警報(bào)內(nèi)容。

暫存柜溫度控制由單片機(jī)主導(dǎo)控制，由DS18B20 進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)溫，并通過(guò)單總線協(xié)議反饋給單片機(jī)，單片機(jī)與預(yù)設(shè)溫度進(jìn)行比較，繼電器控制加熱電路實(shí)現(xiàn)對(duì)箱內(nèi)溫度的控制，通過(guò)PID 控制算法可以預(yù)測(cè)誤差變化并及時(shí)修正從而減小溫度誤差、提高精準(zhǔn)度。

■2.2 控制方式

溫控系統(tǒng)通過(guò)PID 控制原理進(jìn)行溫度控制，PID 是一種線性的控制器，由于其算法簡(jiǎn)單、魯棒性好與可靠性高，故被廣泛應(yīng)用于工業(yè)過(guò)程控制，又稱為比例-積分-微分控制器。主要由比例（P）積分（I）與微分（D）三個(gè)單元組成。其中比例控制是基于偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)的，即有差調(diào)節(jié)；積分環(huán)節(jié)能夠?qū)φ`差進(jìn)行記憶、主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無(wú)差感；微分環(huán)節(jié)能夠反映偏差信號(hào)的變化速率，并能在偏差信號(hào)變得太大之前在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減小調(diào)節(jié)時(shí)間。三者的組合是“過(guò)去、現(xiàn)在、未來(lái)”的完美結(jié)合。PID 基本控制原理如圖3 所示。

圖3 PID 控制原理

其控制原理數(shù)學(xué)描述為：

其傳遞函數(shù)表達(dá)式：

其中Kp為比例系數(shù)，T1為積分時(shí)間常數(shù)，TD為微分時(shí)間常數(shù)。

圖4 為MATLAB 仿真的PID 控制響應(yīng)曲線。通過(guò)仿真可以看出PID 自身?yè)碛械目焖夙憫?yīng)、反應(yīng)迅速的特點(diǎn)。

圖4 PID 響應(yīng)曲線

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

■3.1 STC89C52 單片機(jī)

STC89C52 是一種低功耗、高性能CMOS8 位微控制器，與80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash、56 字節(jié)RAM、I/O 口線、看門狗定時(shí)器、三個(gè)位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、一個(gè)6 向量2 級(jí)中斷結(jié)構(gòu)、全雙工串行口、片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。STC89C52為許多嵌入式系統(tǒng)提供了高效價(jià)廉的方案，是一個(gè)低成本、可靠的片上系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，STC89C52 主要處理二維碼模塊返回的信息并比對(duì)，控制暫存柜的開(kāi)啟，以及處理DS18B20 傳送的溫度信息并做出反饋。STC89C52 單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖5 所示。

圖5 單片機(jī)最小系統(tǒng)

■3.2 二維碼模塊

本設(shè)計(jì)的二維碼模塊選用了微光互聯(lián)生產(chǎn)的QT960 模塊。該模塊具有體積小、厚度薄、掃碼快等優(yōu)點(diǎn)，集成方便，成本較低，且支持RS232、TTL、USB 輸出。該模塊還提供前端的開(kāi)發(fā)代碼，可進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，掃碼速度高達(dá)50ms/次，支持一維和二維碼，因此完全能夠滿足本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求。通過(guò)對(duì)手機(jī)APP 里的用戶配送二維碼的掃描，將信息通過(guò)串口發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)與系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比一致則開(kāi)啟相對(duì)應(yīng)的外賣暫存箱，若比對(duì)失敗則會(huì)通過(guò)該模塊自帶的蜂鳴器發(fā)出信息并通過(guò)LCD1602 進(jìn)行文字提示。數(shù)字鍵盤則是為了防止當(dāng)二維碼掃描出現(xiàn)異常無(wú)法工作時(shí)所采取的第二種取餐方式，本系統(tǒng)以二維碼取餐為主。

■3.3 LCD 顯示模塊

顯示電路采用LCD1602，是目前最常用的液晶顯示模塊。LCD1602 液晶顯示模塊可以只用D4-D7 作為四位數(shù)據(jù)分兩次傳送。這樣的話，可以節(jié)省MCU 的I/O 口資源。LCD1602 可以顯示2 行16 個(gè)字符，支持ASCII 碼，有8位數(shù)據(jù)總線D0-D7，和RS、R/W、EN 三個(gè)控制端口，工作電壓為5V，并且?guī)в凶址麑?duì)比度調(diào)節(jié)和背光。本系統(tǒng)中LCD1602 主要用于顯示掃碼提示、錯(cuò)誤提示等基本信息如“

請(qǐng)掃碼取餐。”“掃碼錯(cuò)誤，請(qǐng)確認(rèn)二維碼是否有效?！钡取Ｆ渲蠰CD1602 原理圖如圖6 所示。

圖6 LCD1602 原理圖

■3.4 直流電源模塊

7805 是最常用的三端穩(wěn)壓集成電路，其電路簡(jiǎn)單、實(shí)用，能夠滿足單片機(jī)與加熱電阻等模塊的供電。一般情況下7805 輸入在9V、12V、15V 不等，最高不超過(guò)35V，但其輸出電壓會(huì)穩(wěn)定在5V，極限電流值為1.5V。該系統(tǒng)中7805 主要用于提供5V 供電，電路原理圖如圖7 所示。

圖7 7805 穩(wěn)壓芯片原理圖

■3.5 溫度控制模塊

DS18B20 是比較常用的數(shù)字溫度傳感器，具有體積小、低功耗、抗干擾能力強(qiáng)、精度高的特點(diǎn)。由3～5.5V 電壓驅(qū)動(dòng)，通過(guò)DS18B20 可將溫度轉(zhuǎn)化成串行數(shù)字信號(hào)處理，系統(tǒng)采用加熱電阻對(duì)箱體進(jìn)行加熱，通過(guò)單片機(jī)與繼電器相連來(lái)對(duì)電源進(jìn)行通斷。當(dāng)箱內(nèi)實(shí)際溫度低于預(yù)設(shè)溫度時(shí)，單片機(jī)P1.1 口輸出低電平導(dǎo)致繼電器吸合開(kāi)關(guān)促使加熱電路接通，加熱電阻開(kāi)始工作達(dá)到升溫的目的；當(dāng)箱內(nèi)實(shí)際溫度高于預(yù)設(shè)溫度時(shí)，單片機(jī)P1.1 口輸出高電平促使繼電器關(guān)閉達(dá)到溫度控制的目的。溫度控制框圖如圖8 所示；加熱控制電路原理如圖9 所示。

圖8 溫度控制框圖

圖9 加熱控制電路原理圖

4 結(jié)束語(yǔ)

與傳統(tǒng)外賣配送相比，無(wú)接觸外賣配送是一個(gè)新的目標(biāo)和起點(diǎn)?；赟TC89C52 的無(wú)接觸智能外賣配送系統(tǒng)具有靈活、安全、操作簡(jiǎn)單方便等特點(diǎn)。系統(tǒng)通過(guò)與騎手的協(xié)同合作，讓外賣配送變得快捷化、簡(jiǎn)單化，外賣暫存柜的溫控系統(tǒng)能夠最大限度地留存食物的熱度，二維碼與數(shù)字驗(yàn)證碼的配合也能更人性化地解決系統(tǒng)可能出現(xiàn)的掃碼異常等意外問(wèn)題。