無接觸智能外賣配送系統設計

鄭云祥，張心怡，鄒林，劉會衡（通訊作者）

（湖北文理學院物理與電子工程學院，湖北襄陽，441053）

0 引言

隨著外賣行業的發展，外賣服務已進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了足夠的便利。隨著新冠肺炎疫情的爆發和傳播，為了在外賣配送過程中避免一定的人員接觸，傳統外賣配送方式并不能很好的解決某些實際問題，在提倡少接觸、不接觸的背景下，應該給予外賣配送一個新的思路。

如今，電子行業發展迅速，以嵌入式為代表的智能系統設計越來越成熟，通過以單片機為核心的無接觸外賣配送系統是基于疫情當下的特殊環境而考慮的解決方案，并且也能很好地運用在非疫情期間。無接觸智能外賣配送系統通過外賣暫存柜與騎手的配合，通過手機讓消費者知曉當前外賣所存地點，可以有效避免消費者與騎手之間的接觸，騎手不用像往常擔心外賣超時問題，同時消費者又能靈活的選擇時間去取餐。外賣暫存柜通過恒溫系統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外賣進行存放管理，大大增加了系統的實用性。

1 系統設計

無接觸智能外賣配送系統的整體結構如圖1 所示。它主要由STC89C52 單片機為主控制器，其與外圍電路構成整個系統。該系統主要研究智能化外賣存取與統一管理，其中包括LCD 顯示、數字鍵盤、二維碼掃碼模塊、加熱系統及恒溫控制系統組成，其中恒溫系統通過單片機、溫度傳感器與繼電器的配合，可以有效地實現暫存柜的加熱與溫度控制。

圖1 系統框圖

2 系統軟件設計

■2.1 總體設計

系統軟件設計流程如圖2 所示，主要是由系統總體軟件設計方案、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：對系統以及外圍器件進行初始化，外賣柜通過物聯網與手機APP 接合，當騎手將外賣配送至暫存柜，系統發出二維碼到點餐者手機APP 里并等待取餐，點餐者也可通過APP 里一同生成的數字驗證碼通過數字鍵盤輸入進行取餐。

圖2 系統軟件設計流程

當取餐者取餐時，系統會對其二維碼或者驗證碼進行比對，當比對成功，信息反饋給單片機操作外賣柜打開，當完成取餐并關上外賣柜后，系統返回到初始化。QT960 掃碼模塊自帶蜂鳴器，所以當比對失敗則會發出警報，并通過LCD1602 顯示警報內容。

暫存柜溫度控制由單片機主導控制，由DS18B20 進行實時測溫，并通過單總線協議反饋給單片機，單片機與預設溫度進行比較，繼電器控制加熱電路實現對箱內溫度的控制，通過PID 控制算法可以預測誤差變化并及時修正從而減小溫度誤差、提高精準度。

■2.2 控制方式

溫控系統通過PID 控制原理進行溫度控制，PID 是一種線性的控制器，由于其算法簡單、魯棒性好與可靠性高，故被廣泛應用于工業過程控制，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）三個單元組成。其中比例控制是基于偏差進行調節的，即有差調節；積分環節能夠對誤差進行記憶、主要用于消除靜差，提高系統的無差感；微分環節能夠反映偏差信號的變化速率，并能在偏差信號變得太大之前在系統中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統的動作速度，減小調節時間。三者的組合是“過去、現在、未來”的完美結合。PID 基本控制原理如圖3 所示。

圖3 PID 控制原理

其控制原理數學描述為：

其傳遞函數表達式：

其中Kp為比例系數，T1為積分時間常數，TD為微分時間常數。

圖4 為MATLAB 仿真的PID 控制響應曲線。通過仿真可以看出PID 自身擁有的快速響應、反應迅速的特點。

圖4 PID 響應曲線

3 系統硬件設計

■3.1 STC89C52 單片機

STC89C52 是一種低功耗、高性能CMOS8 位微控制器，與80C51 產品指令和引腳完全兼容。單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統可編程Flash、56 字節RAM、I/O 口線、看門狗定時器、三個位定時器/計數器、一個6 向量2 級中斷結構、全雙工串行口、片內晶振及時鐘電路。STC89C52為許多嵌入式系統提供了高效價廉的方案，是一個低成本、可靠的片上系統。在該系統中，STC89C52 主要處理二維碼模塊返回的信息并比對，控制暫存柜的開啟，以及處理DS18B20 傳送的溫度信息并做出反饋。STC89C52 單片機最小系統如圖5 所示。

圖5 單片機最小系統

■3.2 二維碼模塊

本設計的二維碼模塊選用了微光互聯生產的QT960 模塊。該模塊具有體積小、厚度薄、掃碼快等優點，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發代碼，可進行二次開發，掃碼速度高達50ms/次，支持一維和二維碼，因此完全能夠滿足本系統的設計需求。通過對手機APP 里的用戶配送二維碼的掃描，將信息通過串口發送給單片機，單片機與系統進行對比，對比一致則開啟相對應的外賣暫存箱，若比對失敗則會通過該模塊自帶的蜂鳴器發出信息并通過LCD1602 進行文字提示。數字鍵盤則是為了防止當二維碼掃描出現異常無法工作時所采取的第二種取餐方式，本系統以二維碼取餐為主。

■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 作為四位數據分兩次傳送。這樣的話，可以節省MCU 的I/O 口資源。LCD1602 可以顯示2 行16 個字符，支持ASCII 碼，有8位數據總線D0-D7，和RS、R/W、EN 三個控制端口，工作電壓為5V，并且帶有字符對比度調節和背光。本系統中LCD1602 主要用于顯示掃碼提示、錯誤提示等基本信息如“

請掃碼取餐。”“掃碼錯誤，請確認二維碼是否有效。”等。其中LCD1602 原理圖如圖6 所示。

圖6 LCD1602 原理圖

■3.4 直流電源模塊

7805 是最常用的三端穩壓集成電路，其電路簡單、實用，能夠滿足單片機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35V，但其輸出電壓會穩定在5V，極限電流值為1.5V。該系統中7805 主要用于提供5V 供電，電路原理圖如圖7 所示。

圖7 7805 穩壓芯片原理圖

■3.5 溫度控制模塊

DS18B20 是比較常用的數字溫度傳感器，具有體積小、低功耗、抗干擾能力強、精度高的特點。由3～5.5V 電壓驅動，通過DS18B20 可將溫度轉化成串行數字信號處理，系統采用加熱電阻對箱體進行加熱，通過單片機與繼電器相連來對電源進行通斷。當箱內實際溫度低于預設溫度時，單片機P1.1 口輸出低電平導致繼電器吸合開關促使加熱電路接通，加熱電阻開始工作達到升溫的目的；當箱內實際溫度高于預設溫度時，單片機P1.1 口輸出高電平促使繼電器關閉達到溫度控制的目的。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 結束語

與傳統外賣配送相比，無接觸外賣配送是一個新的目標和起點。基于STC89C52 的無接觸智能外賣配送系統具有靈活、安全、操作簡單方便等特點。系統通過與騎手的協同合作，讓外賣配送變得快捷化、簡單化，外賣暫存柜的溫控系統能夠最大限度地留存食物的熱度，二維碼與數字驗證碼的配合也能更人性化地解決系統可能出現的掃碼異常等意外問題。