基于STM32 智能快遞儲物柜的設計

藍國財，黃梅春，黎鳳敏，吳樹添，覃雪婷，閉傳琦，冉秋桂

（廣西民族師范學院 數理與電子信息工程學院，廣西崇左，532200）

0 引言

在高速發展的互聯網時代，網上購物已成為一種主流購物方式之一。對于快速發展的快遞行業來說既是發展的良機,也是一項不小的挑戰。隨著快遞數量的增長，包裹丟失和損壞的現象也日益增多，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，導致客戶的合法權益得不到保障，所以目前人們需要的不僅是良好的服務態度，更多的是快遞的安全問題。對快遞行業而言不管是那個快遞公司都會為“最后一公里”配送和簽收的問題而煩惱。目前國內疫情嚴峻但快遞的數量依舊只增不減，甚至有些疫情嚴重地區發來的快遞可能攜帶病毒沒有能及時消毒從而導致快遞員和收件人存在的間接性感染等風險，針對上述問題，設計出一款配送便捷、自動消毒、操作簡單和安全實用的智能快遞柜。

1 系統組成

該設計包括硬件與軟件兩個方面，其中硬件方面采用STM32 單片機、HMI 串口屏、SIM900A 短信模塊、消毒模塊、HC-05 藍牙模塊、電磁鎖模塊和LM2596S 電源模塊組成，軟件方面由單片機程序設計和手機APP 程序設計相結合。本設計采用STM32F103C8T6 作為主控，負責系統所有的數據接收和發送工作，HMI 串口屏的數據通過串口1 和單片機通信保持數據的傳輸，單片機使用串口2 向SIM900A短信模塊發送AT 指令，SIM900A 短信模塊會根據單片機給他發送的AT 指令判斷電話號碼是什么，并給指定用戶發送取件碼，同時單片機經串口3 向HC-05 藍牙模塊發送數據，并在手機APP 連接HC-05 后向手機APP 發送數據。系統框圖如圖1 所示。

圖1 系統框圖

2 系統硬件設計

2.1 STM32F103C8T6 單片機介紹

STM32F103C8T6 采 用ARM Cortex-M 內 核，STM32系列32 位微控制器，其功耗較低、穩定性高、價格便宜和速度較快等特點。STM32F103C8T6 有兩個12 位A/D 轉換器、7 通道DMA 控制器、多達80 路快速I/O 端口以及7 路定時器和3 路UASRT 串口，最高主頻可達72MHz。其操作簡單、功能多變，可以發送和處理接收到的數據，各參數和性能都符合本設計要求，所以我們將該芯片作為本設計的主控芯片。智能快遞儲物柜主控系統電路圖如圖2 所示。

圖2 智能快遞儲物柜主控系統電路圖

2.2 HMI 串口屏的設計

HMI 串口屏通過串口1 與單片機主控進行通信。HMI串口屏功能多、開發簡單，具有按扭控件、音頻控件、圖片控件和定時器控件等多種組態控件。HMI 串口屏自帶一個編程軟件可對其編寫程序，幾乎不占用單片機的內存，單片機通過串口1 發送指令更改控件屬性即可更改屏幕顯示內容，同時我們利用HMI 串口屏制作了四個頁面，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。本設計采用的是一款淘晶馳HMI 串口屏，顯示屏的分辨率達到800×480，顯示屏可以顯示彩色并且自帶CPU 處理器、數據存儲器和可編程口，提高了整體的易用性。HIM 串口屏頁面設計圖如圖3 所示。

圖3 HIM 串口屏頁面設計圖

2.3 SIM900A 模塊

在本次設計中，短信的發送主要是STM32 單片機通過串口2 向SIM 短信模塊發送AT 指令，SIM 短信模塊給輸入的指定電話號碼發送一個由單片機隨機生成的6 位數取件碼。SIM 短信模塊使用SMT封裝雙頻GSM/GPRS 模塊方案，該模塊的處理器運行速度快、成本低等優勢滿足開發需求。SIM900A 能快速，安全可靠地完成系統方案的數據，語音傳輸，短消息服務以及傳真等功能。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，使液態水分子經陶瓷霧化板高頻共振分解為天然流動水霧，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，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 電源模塊其輸出驅動電流高達3A、輸出電壓穩定、效率高，符合本設計要求，HMI 串口屏和SIM900A都是需要5V 大電流來驅動，單片機的驅動地電流是遠遠不夠的，所以采用此模塊可以更好的為該設計提供穩定的供電。

2.5 電磁鎖模塊與藍牙模塊

電磁鎖采用電生磁原理，當電流通過硅鋼片后電磁鎖產生強大的磁力將鐵板牢牢吸出實現關門功能。很小的電流還能使電磁鎖產生巨大磁力，可以有效的控制快遞柜門的關閉和打開，雖然驅動電磁鎖的電流很小但是只靠單片機的驅動是完全不夠的，因此我們利用繼電器模塊與單片機相配合，對電磁鎖進行控制，當單片機給繼電器發送高電平時繼電器導通電磁鎖吸合達到開門目的，當單片機給繼電器發送低電平時繼電器斷開電磁鎖失去磁力達到關門目的，由此來實現柜門打開和關閉。

單片機利用串口3 和藍牙模塊實現數據的傳輸。藍牙模塊既可作為主機也可作為從機。當我們需要藍牙從單片機中獲取數據時，藍牙就作為從機接收數據，然后再作為主機給手機APP 傳送數據由此實現數據的雙向傳輸。

3 軟件設計

本設計包含硬件程序設計和軟件程序設計。硬件是基于主控芯片STM32F103C8T6 的C 語言程序設計，軟件設計則是采用App Inventor 圖形化編程。

3.1 STM32 單片機的軟件設計

STM32 單片機作為整個系統的核心，它的3 個串口分別與HMI 串口屏、SIM900A 短信模塊和HC-05 藍牙模塊連接，負責這3 個模塊的數據收發與執行。該系統的HMI串口屏和藍牙模塊需要向單片機發送大量的數據和接收單片機的指令，所以單片機就需要處理這復雜的數據結構，SIM900A 短信模塊發送短信是需要花費一定的時間，在此期間內我們不可再次輸入新號碼進行短信的發送，直到短信發送完成后才能進行新短信的發送，為解決這個問題我們采用非阻塞式、帶標志位的結構體和鏈表等方式進行處理。SIM900A 短信模塊采取非阻塞式的方式發送短信，這樣就解決了短信發送時需要等待的時間，用鏈表的方式進行短信的排序，無需等待上一條是否發送成功就可以繼續輸入新的電話號碼，系統已經自動排序和存儲好該電話號碼的隊列，上一條短信發送成功后，自動發送下一條短信直至發送完全部短信，當上一條短信發送失敗時系統會自動檢測，并且重新給該電話號碼發送短信直到發送成功為止，因此本設計的工作效率高、可靠性強、安全性高等優點。單片機程序流程如圖5 所示。

圖5 單片機程序流程圖

■3.2 手機APP 設計

這款手機APP是 App Inventor 和Google 公司和麻省理工學院一起設計的，一款完全圖形化開發手機APP 網站，不需要太復雜的程序，只需要把對應的模塊拼接起來即可完成編程操作。很大程度便捷了開發人員和初學者。該設計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數據等功能。手機APP 設計界面如圖6 所示。

圖6 手機APP 設計界面

4 系統測試

4.1 HMI 串口屏的測試結果

用戶頁面、快遞員頁面的取件碼和電話號碼我們都設計限位的功能，取件碼必須大于等于5 位，電話號碼也必須等于11 位才會進行存取件的操作。快遞員、用戶可根據自己需求到快遞柜前進行存取件的操作，快遞員頁面還可以查看快遞柜的存儲情況，例如當1 號箱存有件時1 號箱后面會顯示一個數字1，如果箱號無存件時箱號后顯示數字0，在存件時快遞柜也會自動推薦箱號給你存件，當1 號和2號箱都有件的情況下快遞柜會自動推薦三號箱給你存件，無需快遞員選擇，除此之外，我們在利用HMI 串口屏配置的喇叭接口為本設計添加了語音提示功能，當快遞員存件成功時會播放音頻提示快遞員幾號柜存件成功，當用戶取件成功時會播放音頻提示用戶幾號柜門取件成功，然而這些音頻的操作并不需要去外加一個語音模塊或者喇叭驅動器，只需要錄入音頻和簡單的指令操作即可驅動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APP 測試效果

用戶進入手機APP 連接好藍牙后可直接使用取件碼進行取件，也可以通過手機APP 掃描二維碼取件。當然第一次掃碼取件時，需要用戶綁定自己的電話號碼后即可使用掃碼取件功能，當用戶再次進入手機APP 連接藍牙后會自動顯示用戶上一次綁定的電話號碼，無需再次綁定就可以掃碼取件。管理員進入手機APP 連接好藍牙后輸入管理員密碼就可以看到快遞柜后臺的詳細數據，該數據會根據快遞柜的存取情況實時刷新。手機APP 測試效果圖如圖9 所示。

圖9 手機APP 測試效果圖

5 結語

本作品是基于STM32 F103C8T6 單片機設計出一款智能快遞儲物柜。該設計采用消毒模塊對其入柜的快遞進行消毒，藍牙模塊給手機APP 傳輸數據，用戶可通過手機APP 直接掃描二維碼或輸入取件碼進行取件，無需對快遞柜進行操作，這種無接觸的取件方式更符合當前社會的需求。快遞員可以進入APP 輸入管理員密碼后，隨時隨地查看快遞柜的詳細數據，并且超過規定時間后會再次通過短信提醒用戶過來取件。經實踐證明該設計可行性高、操作簡單、安全性高、投件便捷、運營成本低等優點，符合當前社會需求。