基于STM32 智能快遞儲(chǔ)物柜的設(shè)計(jì)

藍(lán)國財(cái)，黃梅春，黎鳳敏，吳樹添，覃雪婷，閉傳琦，冉秋桂

（廣西民族師范學(xué)院 數(shù)理與電子信息工程學(xué)院，廣西崇左，532200）

0 引言

在高速發(fā)展的互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，網(wǎng)上購物已成為一種主流購物方式之一。對(duì)于快速發(fā)展的快遞行業(yè)來說既是發(fā)展的良機(jī),也是一項(xiàng)不小的挑戰(zhàn)。隨著快遞數(shù)量的增長，包裹丟失和損壞的現(xiàn)象也日益增多，而快遞公司索賠流程麻煩，得到的賠償大多不能使客戶滿意，導(dǎo)致客戶的合法權(quán)益得不到保障，所以目前人們需要的不僅是良好的服務(wù)態(tài)度，更多的是快遞的安全問題。對(duì)快遞行業(yè)而言不管是那個(gè)快遞公司都會(huì)為“最后一公里”配送和簽收的問題而煩惱。目前國內(nèi)疫情嚴(yán)峻但快遞的數(shù)量依舊只增不減，甚至有些疫情嚴(yán)重地區(qū)發(fā)來的快遞可能攜帶病毒沒有能及時(shí)消毒從而導(dǎo)致快遞員和收件人存在的間接性感染等風(fēng)險(xiǎn)，針對(duì)上述問題，設(shè)計(jì)出一款配送便捷、自動(dòng)消毒、操作簡單和安全實(shí)用的智能快遞柜。

1 系統(tǒng)組成

該設(shè)計(jì)包括硬件與軟件兩個(gè)方面，其中硬件方面采用STM32 單片機(jī)、HMI 串口屏、SIM900A 短信模塊、消毒模塊、HC-05 藍(lán)牙模塊、電磁鎖模塊和LM2596S 電源模塊組成，軟件方面由單片機(jī)程序設(shè)計(jì)和手機(jī)APP 程序設(shè)計(jì)相結(jié)合。本設(shè)計(jì)采用STM32F103C8T6 作為主控，負(fù)責(zé)系統(tǒng)所有的數(shù)據(jù)接收和發(fā)送工作，HMI 串口屏的數(shù)據(jù)通過串口1 和單片機(jī)通信保持?jǐn)?shù)據(jù)的傳輸，單片機(jī)使用串口2 向SIM900A短信模塊發(fā)送AT 指令，SIM900A 短信模塊會(huì)根據(jù)單片機(jī)給他發(fā)送的AT 指令判斷電話號(hào)碼是什么，并給指定用戶發(fā)送取件碼，同時(shí)單片機(jī)經(jīng)串口3 向HC-05 藍(lán)牙模塊發(fā)送數(shù)據(jù)，并在手機(jī)APP 連接HC-05 后向手機(jī)APP 發(fā)送數(shù)據(jù)。系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 STM32F103C8T6 單片機(jī)介紹

STM32F103C8T6 采 用ARM Cortex-M 內(nèi) 核，STM32系列32 位微控制器，其功耗較低、穩(wěn)定性高、價(jià)格便宜和速度較快等特點(diǎn)。STM32F103C8T6 有兩個(gè)12 位A/D 轉(zhuǎn)換器、7 通道DMA 控制器、多達(dá)80 路快速I/O 端口以及7 路定時(shí)器和3 路UASRT 串口，最高主頻可達(dá)72MHz。其操作簡單、功能多變，可以發(fā)送和處理接收到的數(shù)據(jù)，各參數(shù)和性能都符合本設(shè)計(jì)要求，所以我們將該芯片作為本設(shè)計(jì)的主控芯片。智能快遞儲(chǔ)物柜主控系統(tǒng)電路圖如圖2 所示。

圖2 智能快遞儲(chǔ)物柜主控系統(tǒng)電路圖

2.2 HMI 串口屏的設(shè)計(jì)

HMI 串口屏通過串口1 與單片機(jī)主控進(jìn)行通信。HMI串口屏功能多、開發(fā)簡單，具有按扭控件、音頻控件、圖片控件和定時(shí)器控件等多種組態(tài)控件。HMI 串口屏自帶一個(gè)編程軟件可對(duì)其編寫程序，幾乎不占用單片機(jī)的內(nèi)存，單片機(jī)通過串口1 發(fā)送指令更改控件屬性即可更改屏幕顯示內(nèi)容，同時(shí)我們利用HMI 串口屏制作了四個(gè)頁面，分別是取件頁面、輸入管理員密碼頁面、管理員寄件頁面和管理員修改密碼頁面。本設(shè)計(jì)采用的是一款淘晶馳HMI 串口屏，顯示屏的分辨率達(dá)到800×480，顯示屏可以顯示彩色并且自帶CPU 處理器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和可編程口，提高了整體的易用性。HIM 串口屏頁面設(shè)計(jì)圖如圖3 所示。

圖3 HIM 串口屏頁面設(shè)計(jì)圖

2.3 SIM900A 模塊

在本次設(shè)計(jì)中，短信的發(fā)送主要是STM32 單片機(jī)通過串口2 向SIM 短信模塊發(fā)送AT 指令，SIM 短信模塊給輸入的指定電話號(hào)碼發(fā)送一個(gè)由單片機(jī)隨機(jī)生成的6 位數(shù)取件碼。SIM 短信模塊使用SMT封裝雙頻GSM/GPRS 模塊方案，該模塊的處理器運(yùn)行速度快、成本低等優(yōu)勢(shì)滿足開發(fā)需求。SIM900A 能快速，安全可靠地完成系統(tǒng)方案的數(shù)據(jù)，語音傳輸，短消息服務(wù)以及傳真等功能。SIM900A 短信模塊工作流程圖如圖4 所示。

圖4 SIM900A 短信模塊工作流程圖

2.4 消毒模塊與電源模塊

消毒模塊通過超聲波換能，使液態(tài)水分子經(jīng)陶瓷霧化板高頻共振分解為天然流動(dòng)水霧，超聲波可使水溶性藥物在常溫下霧化為1～5μm 微霧顆粒作為消毒水介質(zhì)，利用超聲波的定向壓力作用，將消毒水噴灑到物體表面，起到消菌殺毒的作用。

LM2596S 電源模塊其輸出驅(qū)動(dòng)電流高達(dá)3A、輸出電壓穩(wěn)定、效率高，符合本設(shè)計(jì)要求，HMI 串口屏和SIM900A都是需要5V 大電流來驅(qū)動(dòng)，單片機(jī)的驅(qū)動(dòng)地電流是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，所以采用此模塊可以更好的為該設(shè)計(jì)提供穩(wěn)定的供電。

2.5 電磁鎖模塊與藍(lán)牙模塊

電磁鎖采用電生磁原理，當(dāng)電流通過硅鋼片后電磁鎖產(chǎn)生強(qiáng)大的磁力將鐵板牢牢吸出實(shí)現(xiàn)關(guān)門功能。很小的電流還能使電磁鎖產(chǎn)生巨大磁力，可以有效的控制快遞柜門的關(guān)閉和打開，雖然驅(qū)動(dòng)電磁鎖的電流很小但是只靠單片機(jī)的驅(qū)動(dòng)是完全不夠的，因此我們利用繼電器模塊與單片機(jī)相配合，對(duì)電磁鎖進(jìn)行控制，當(dāng)單片機(jī)給繼電器發(fā)送高電平時(shí)繼電器導(dǎo)通電磁鎖吸合達(dá)到開門目的，當(dāng)單片機(jī)給繼電器發(fā)送低電平時(shí)繼電器斷開電磁鎖失去磁力達(dá)到關(guān)門目的，由此來實(shí)現(xiàn)柜門打開和關(guān)閉。

單片機(jī)利用串口3 和藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。藍(lán)牙模塊既可作為主機(jī)也可作為從機(jī)。當(dāng)我們需要藍(lán)牙從單片機(jī)中獲取數(shù)據(jù)時(shí)，藍(lán)牙就作為從機(jī)接收數(shù)據(jù)，然后再作為主機(jī)給手機(jī)APP 傳送數(shù)據(jù)由此實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸。

3 軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)包含硬件程序設(shè)計(jì)和軟件程序設(shè)計(jì)。硬件是基于主控芯片STM32F103C8T6 的C 語言程序設(shè)計(jì)，軟件設(shè)計(jì)則是采用App Inventor 圖形化編程。

3.1 STM32 單片機(jī)的軟件設(shè)計(jì)

STM32 單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的核心，它的3 個(gè)串口分別與HMI 串口屏、SIM900A 短信模塊和HC-05 藍(lán)牙模塊連接，負(fù)責(zé)這3 個(gè)模塊的數(shù)據(jù)收發(fā)與執(zhí)行。該系統(tǒng)的HMI串口屏和藍(lán)牙模塊需要向單片機(jī)發(fā)送大量的數(shù)據(jù)和接收單片機(jī)的指令，所以單片機(jī)就需要處理這復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，SIM900A 短信模塊發(fā)送短信是需要花費(fèi)一定的時(shí)間，在此期間內(nèi)我們不可再次輸入新號(hào)碼進(jìn)行短信的發(fā)送，直到短信發(fā)送完成后才能進(jìn)行新短信的發(fā)送，為解決這個(gè)問題我們采用非阻塞式、帶標(biāo)志位的結(jié)構(gòu)體和鏈表等方式進(jìn)行處理。SIM900A 短信模塊采取非阻塞式的方式發(fā)送短信，這樣就解決了短信發(fā)送時(shí)需要等待的時(shí)間，用鏈表的方式進(jìn)行短信的排序，無需等待上一條是否發(fā)送成功就可以繼續(xù)輸入新的電話號(hào)碼，系統(tǒng)已經(jīng)自動(dòng)排序和存儲(chǔ)好該電話號(hào)碼的隊(duì)列，上一條短信發(fā)送成功后，自動(dòng)發(fā)送下一條短信直至發(fā)送完全部短信，當(dāng)上一條短信發(fā)送失敗時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)檢測(cè)，并且重新給該電話號(hào)碼發(fā)送短信直到發(fā)送成功為止，因此本設(shè)計(jì)的工作效率高、可靠性強(qiáng)、安全性高等優(yōu)點(diǎn)。單片機(jī)程序流程如圖5 所示。

圖5 單片機(jī)程序流程圖

■3.2 手機(jī)APP 設(shè)計(jì)

這款手機(jī)APP是 App Inventor 和Google 公司和麻省理工學(xué)院一起設(shè)計(jì)的，一款完全圖形化開發(fā)手機(jī)APP 網(wǎng)站，不需要太復(fù)雜的程序，只需要把對(duì)應(yīng)的模塊拼接起來即可完成編程操作。很大程度便捷了開發(fā)人員和初學(xué)者。該設(shè)計(jì)軟件頁面主要包含取件碼取件、掃碼取件和顯示快遞柜后臺(tái)數(shù)據(jù)等功能。手機(jī)APP 設(shè)計(jì)界面如圖6 所示。

圖6 手機(jī)APP 設(shè)計(jì)界面

4 系統(tǒng)測(cè)試

4.1 HMI 串口屏的測(cè)試結(jié)果

用戶頁面、快遞員頁面的取件碼和電話號(hào)碼我們都設(shè)計(jì)限位的功能，取件碼必須大于等于5 位，電話號(hào)碼也必須等于11 位才會(huì)進(jìn)行存取件的操作?？爝f員、用戶可根據(jù)自己需求到快遞柜前進(jìn)行存取件的操作，快遞員頁面還可以查看快遞柜的存儲(chǔ)情況，例如當(dāng)1 號(hào)箱存有件時(shí)1 號(hào)箱后面會(huì)顯示一個(gè)數(shù)字1，如果箱號(hào)無存件時(shí)箱號(hào)后顯示數(shù)字0，在存件時(shí)快遞柜也會(huì)自動(dòng)推薦箱號(hào)給你存件，當(dāng)1 號(hào)和2號(hào)箱都有件的情況下快遞柜會(huì)自動(dòng)推薦三號(hào)箱給你存件，無需快遞員選擇，除此之外，我們?cè)诶肏MI 串口屏配置的喇叭接口為本設(shè)計(jì)添加了語音提示功能，當(dāng)快遞員存件成功時(shí)會(huì)播放音頻提示快遞員幾號(hào)柜存件成功，當(dāng)用戶取件成功時(shí)會(huì)播放音頻提示用戶幾號(hào)柜門取件成功，然而這些音頻的操作并不需要去外加一個(gè)語音模塊或者喇叭驅(qū)動(dòng)器，只需要錄入音頻和簡單的指令操作即可驅(qū)動(dòng)喇叭播放指定的音頻提示。存件、取件效果圖如圖7、圖8 所示。

圖7 快遞員存件效果圖

圖8 用戶取件效果圖

4.2 手機(jī)APP 測(cè)試效果

用戶進(jìn)入手機(jī)APP 連接好藍(lán)牙后可直接使用取件碼進(jìn)行取件，也可以通過手機(jī)APP 掃描二維碼取件。當(dāng)然第一次掃碼取件時(shí)，需要用戶綁定自己的電話號(hào)碼后即可使用掃碼取件功能，當(dāng)用戶再次進(jìn)入手機(jī)APP 連接藍(lán)牙后會(huì)自動(dòng)顯示用戶上一次綁定的電話號(hào)碼，無需再次綁定就可以掃碼取件。管理員進(jìn)入手機(jī)APP 連接好藍(lán)牙后輸入管理員密碼就可以看到快遞柜后臺(tái)的詳細(xì)數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)會(huì)根據(jù)快遞柜的存取情況實(shí)時(shí)刷新。手機(jī)APP 測(cè)試效果圖如圖9 所示。

圖9 手機(jī)APP 測(cè)試效果圖

5 結(jié)語

本作品是基于STM32 F103C8T6 單片機(jī)設(shè)計(jì)出一款智能快遞儲(chǔ)物柜。該設(shè)計(jì)采用消毒模塊對(duì)其入柜的快遞進(jìn)行消毒，藍(lán)牙模塊給手機(jī)APP 傳輸數(shù)據(jù)，用戶可通過手機(jī)APP 直接掃描二維碼或輸入取件碼進(jìn)行取件，無需對(duì)快遞柜進(jìn)行操作，這種無接觸的取件方式更符合當(dāng)前社會(huì)的需求。快遞員可以進(jìn)入APP 輸入管理員密碼后，隨時(shí)隨地查看快遞柜的詳細(xì)數(shù)據(jù)，并且超過規(guī)定時(shí)間后會(huì)再次通過短信提醒用戶過來取件。經(jīng)實(shí)踐證明該設(shè)計(jì)可行性高、操作簡單、安全性高、投件便捷、運(yùn)營成本低等優(yōu)點(diǎn)，符合當(dāng)前社會(huì)需求。