基于单片机的智能快递柜.docx
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基于单片机的智能快递柜.docx
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摘要
网络购物的时代的到来带动了快递行业的快速发展,尤其是当今社会,许多人无法实时等待快递的到达,因此快递柜应运而生,而当前快递柜的操作均较为繁琐,为了让快递柜更加智能使用更加方便,本文设计了一套可用于智能发送验证码、开柜、检测柜内是否有物体的智能快递柜方案。
本套设计方案采用STM32单片机作为系统主控芯片,搭配LCD显示屏、红外对管传感器、按键模块、GSM通信模块以及其它外围I/O设备,通过方案论证,最终确定了本文方案。
在对设计出的硬件进行系统测试时,通过模拟放置快递进快递柜发送手机验证码,并且利用接收到的验证码进行开快递柜均成功实现,另外为了防止快递遗漏导致快递门被误锁,通过红外对管传感器检测到快递柜内仍有物品时采用原验证码仍可打开原柜门,为用户也提供了很大的方便。
最终从测试的实验结果看来,本文所设计的智能快递柜达到了设计要求。
关键词:
智能快递柜;STM32单片机;GSM通信模块;红外检测模块
Abstract
Theadventoftheeraofonlineshoppinghasledtotherapiddevelopmentoftheexpressdeliveryindustry.Especiallyintoday'ssociety,manypeoplecannotwaitforthearrivalofexpressdeliveryinrealtime.Therefore,expressdeliverycabinetscameintobeing.Thecurrentexpressdeliverycabinetsarerelativelycumbersometooperate.InordertomaketheexpressdeliverycabinetsmorecomplicatedSmartuseismoreconvenient.Thisarticledesignsasetofsmartexpresscabinetsolutionsthatcanbeusedtointelligentlysendverificationcodes,opencabinets,anddetectwhetherthereareobjectsinthecabinet.ThisdesignschemeusesSTM32single-chipmicrocomputerasthemaincontrolchipofthesystem,withLCDdisplay,infraredpairoftubesensors,keymodules,GSMcommunicationmodulesandotherperipheralI/Odevices.Throughthedemonstrationofthescheme,theschemeofthisarticleisfinallydetermined.
Inthesystemtestofthedesignedhardware,themobilephoneverificationcodewassentintotheexpresscabinetbysimulatingandtheverificationcodewasusedtoopentheexpresscabinet.Inaddition,inordertopreventtheexpressdeliveryomissionfromcausingtheexpressdoortobelockedbymistake,Whentheinfraredpairtubesensordetectsthattherearestillitemsintheexpresscabinet,theoriginalverificationcodecanstillbeusedtoopentheoriginalcabinetdoor,whichalsoprovidesgreatconvenienceforusers.Finally,fromtheexperimentalresultsofthetest,theintelligentexpresscabinetdesignedinthisarticlemeetsthedesignrequirements.
Keywords:
intelligentexpresscabinet;STM32singlechipmicrocomputer;GSMcommunicationmodule;infrareddetectionmodule
目录
摘要 I
Abstract II
1绪论 1
1.1论文研究的背景及意义 1
1.2国内外研究现状 1
1.3本文主要研究内容及论文结构安排 2
2系统方案论证 3
2.1系统设计方案 3
2.2主控模块选型 3
2.3显示模块选型 4
2.4红外传感器模块选择 5
2.7通信方案的选择 6
2.8按键模块选择 6
3硬件电路的设计 7
3.1单片机 7
3.1.1单片机的应用 7
3.1.2单片机最小系统 8
3.1.3系统时钟电路 9
3.1.4系统复位电路 9
3.2显示模块电路 10
3.3电源供电电路 10
3.4ISP下载模块电路 11
4系统软件设计 13
4.1系统设计软件 13
4.1.1AltiumDesigner 13
4.1.2KeilC51 13
4.2软件设计流程图 13
4.2.1主函数流程图 13
4.2.2传感器模块流程图 14
4.2.3显示模块流程图 15
4.2.4按键模块流程图 15
4.2.5GSM通信模块流程图 17
5系统测试 18
总结 21
参考文献 22
致谢 24
1绪论
1.1论文研究的背景及意义
提到近十年来对人们日常生活影响重大的新兴产业,电子商务一定是最常被谈及的行业之一,通过网络进行的成交金额也每年都处于增长的状态,可以说电子商务已经成为了我国经济发展的一个巨大助力[1-3]。
但与此同时快递物流行业也迎来了巨大的机遇和挑战,据国家邮政局统计,仅2020年12月份全国快递业务数量便以达到了92.5亿件,业务收入更是达到了926.2亿元[4-5]。
而如此巨大的快递数量也给快递的配送服务带来了一个难题,即派件人与收件人的沟通投递问题⑹。
传统快递派送服务需要派送员与收件人按照快递单联系方式沟通后当面进行签收,但由于目前快递数量的大幅度增加,沟通不畅、收件人无法及时签收等情况层出不穷,尤其是在办公楼、学校和小区等人员、快递件数量较多的地方问题更甚,配送效率难以提高,“最后一公里配送”成为了急需解决的一个难题。
伴随着“互联网+”与社会各行业融合范围的不断加深,通过电子、通信及互联网等技术相结合来应对末端配送困难的方法开始被提出。
通过在人员密集地点安置智能投递箱等方式,可以及时存放快递并通知收件人闲暇时进行提取,一方面减轻了快递员在快递数量过多时配送不及的烦恼,另一方面也为收件人能够更加灵活的对快递进行拿取提供了实实在在的便利[7-11]。
1.2国内外研究现状
发达国家对末端快递自取系统的研究与使用较早,也很早便出现了实际的应用案例。
加拿大一家名为BufferBox的公司早在2012年便已经推出了一款快递自助存放提取设备[12]。
美国的大型电子商务公司亚马逊在20n年也将“Amazonlocker”智能快递柜在美国的许多大城市便利店及住宅区进行了安装,并在后面几年逐渐推广到了一些欧洲国家,使企业服务的竞争力得到了巨大提升[13]。
日本城市里的大部分办公楼等地点也都已经安装了快递专用存取箱,使用起来十分方便。
俄罗斯的邮政快递公司在2011年设计出了智能自助快递终端。
国内由于电子商务发展迅速,在末端快递存取问题上也有了许多解决方法。
国内两家最大的电子商务平台一一淘宝与京东商城分别采用了“菜鸟驿站”与京东自提柜等方法来实现收件人快递的末端自助存取[14],目前在国内已经基本普及。
在一些高端写字楼与住宅小区中,丰巢科技公司所推出的智能快递柜存取方式也得到了广泛应用,但往往采用的是收费方式[15]。
本文利用单片机设计了一款智能快递柜,可以实现存取功能,并在快递员存入快递时可以利用红外传感器进行自动感知快递存取与否,然后智能快递箱将发送短信验证码至收件人手机提醒对方及时提取,对于解决末端快递存取难题提供一种解决思路。
1.3本文主要研究内容及论文结构安排
本文主要研究内容是设计一款基于STM32单片机的智能快递柜系统。
系统能够实现输入收件人手机号并按下存件按钮后通过GSM模块自动发送验证码给用户,用户可通过验证码打开相应的快递柜,通过红外检测传感器检测是否存在遗漏快递,在快递门误关的时候可以利用原二维码进行开启原柜门。
本文的主要结构分为六个章节:
第一章主要是对本文所研究的智能快递柜系统的背景及意义进行了描述;
第二章从如何设计该课题开始,首先对系统进行了总体架构的描述,然后针对系统中用到的各个模块进行了选型和分析,以节约成本和实用性为基础对各个模块进行介绍和选型,综合分析并确定本设计采用的具体硬件;
第三章开始从硬件电路入手,对主控芯片以及各个模块进行介绍,尤其涉及了单片机的最小系统、按键消抖、时钟复位、传感器控制模块等;
第四章描述了该项目在软件方面的设计,包括介绍了本项目中用到的开发软件和系统流程图等;
第五章对项目成果进行展示和实验,主要是对系统的实际效果进行测试,判断是否满足本文研究要求;
第六章是针对于本文的一个总结。
2系统方案论证
2.1系统设计方案
本课题是基于单片机的智能快递柜系统的设计,系统可以划分为主控模块、显示模块、红外检测模块、GSM通信模块和按键模块等。
系统需要完成的工作是利用红外对管来检测快递柜中是否存在快递,若存在可用原验证码重新打开柜门,通过GSM模块来对取件人手机发送验证码,通过验证码打开柜门,通过显示模块来对系统当前状态进行显示,通过按键模块来进行取件、确认、输入等作用。
系统硬件组成框图如图2.1所示。
图2.1系统硬件组成框图
2.2主控模块选型
在本系统的设计与实验中,主控模块作为核心器件相当于人类的大脑一样负责指令的发出与转发功能,所以主控芯片的选型尤为重要,既要考虑到资源够用又要考虑到价格成本。
在本次设计中主要对以下芯片进行分析并最终做出选择。
方案一:
FPGA全称为现场可编程逻辑门阵列,属于专用集成电路中的半定制电路,可对其进行无限次擦除和读写操作。
FPGA的出现使得定制芯片不足以及可编程逻辑门电路数目不足的问题得到了有效的解决,各种档次的芯片也为设计提供了更多的选择。
FPGA具有多种分类方法,有国产和国外两大类。
国产比较著名的FPGA厂商有紫光同创、上海安路、京微雅格、复旦微电子、易灵思等,国外我们常用且比较著名的FPGA厂商有Xilinx和Altera,目前这两家公司分别被AMD和Intel收购。
方案二:
STM32系列芯片是上世纪八十年代被ST公司首先提出的一种新兴处理器芯片的概念,而这种芯片的内部核心以ARM公司的芯片作为内核。
在STM32概念被提出之后,该系列芯片迅速崛起风靡整个电子设计市场。
在较长一段时间内STM32芯片占据了大部分的电子设计市场,其中以STM32F103和7
STM32F407系列最受追捧。
而STM32也分为基础性和增强型,基础型芯片是目前较为常用的一种,而增强型的STM32芯片最高时钟频率可达72MHz,并且还可以进行超频使用。
在性能提升的同时,功耗却能保持较低水平,经过专业测评运行相同程序时STM32的功耗极低。
方案三:
51单片机所有工科专业接触的第一类单片机,这是一类泛称,指的是所有兼容8051指令的单片机。
Intel的8004单片机是该系列单片机的第一款,当时能实现的功能和性能都很有限,目前市场上比较常见的51单片机主要有Intel的80C、87C系歹U,ATMEL的89C、89S系歹U,Philips,华邦、Dallas,Siemens等,但最常用的应当属于国产宏晶的STC系列。
虽然目前科学技术已经发展到较高的水平,但是51系列单片机因为其价格低廉在电子市场仍占据较为重要的地位,价格低廉的同时也就限制了其性能。
通过对上述几种类型的单片机在性能、价格、功耗等方面的对比,结合本项目实际使用情况,决定选择方案二的STM32系列芯片作为本项目的主控芯片。
其具体型号为STM32F103RCT6。
2.3显示模块选型
为了满足系统设计要求且能够直观看到系统运行的当前状态,需要通过显示装置来对数据进行显示。
如我们通过显示器可以操作电脑一样,在电子设计中,常用来对数据进行显示的设备有以下四种,每种显示设备的优缺点以及设计难度各有不同,下面针对这四种显示设备进行简单描述。
方案一:
LED通常用作指示灯使用,其功耗低驱动简单。
随着单片机性能和人们需求的增加,LED灯也开始朝着显示的方向发展,其显示原理是利用一个个小的LED灯珠搭建成大型LED矩阵,通过控制LED矩阵中部分LED灯的亮灭和颜色来实现显示屏的效果,这种形式的显示利用的是照片像素的原理,每个LED灯当作一个像素点。
虽然单个LED灯驱动简单,就像电子学习的第一课都是点亮LED灯一样,但是当拼凑成矩阵后想要显示不同图形难度则直线上升,并且想要通过LED矩阵来显示数据体积也过大。
方案二:
OLED液晶显示屏是近几年在电子设计上流行起来的一种显示方式。
OLED(OrganicLight-EmittingDiode)又称是激光显示或发光半导体显示,其原理是通过注入不同的载流子相结合产生发光的现象。
这种显示屏具有较多有点,如显示内容多且丰富,显示画质更加细致,在现在很多设计中使用。
方案三:
LCD液晶显示屏,这种显示屏又常常被成为LCD1602,其功能如名字一样,是LCD的显示方式,由于使用历史较久,开发历程非常成熟,可直接借鉴别人的历程拿来直接使用,所以在开发难易程度上较容易,并且这种显示装置价格低廉,显示数据也较为清晰,并且进展用较少的单片机I/O口。
方案四:
LED数码管,也是电子类学生最先接触的电子元器件类型之一,这种数码管也常被成为八段管,顾名思义,利用八段发光二极管灯组合成一位,通过控制八个发光二极管的不同亮灭位置可以显示出不同的数字。
通过若干个数码管拼接可用来显示一串数字。
复用引脚可大大节约单片机I/O口的使用。
通过对几种显示器件的分析,结合本设计中需要对系统状态进行显示,所以选择OLED显示屏作为本设计的显示设备。
2.4红外传感器模块选择
方案一:
热释电感应传感器在当前的生活中应用非常广泛,并且种类划分很多。
该传感器的工作原理就是通过对红外线的感应来实现检测功能。
该类传感器在使用时一般会搭配菲涅尔透镜来实现更远距离更高精准度的检测。
该模块采用红外线技术实现自动化的控制,具有灵敏度高、可靠性强、功耗低等特点,非常适合家用。
该模块能够实现检测到人体红外时输出高电平,当人体离开后输出低电平。
在该模块上预留了光敏电阻的接入端口节省开发周期,温度补偿功能可以让该模块在夏天时依旧能准确进行检测,可重复触发和不可重复触发两种触发方式能适应更多应用场景。
方案二:
E18-D8ONK是一款将信号的发射与接收设计在一个器件内部的传感器,该传感器的发射端将需要发射的光经过一定的调制后发出,传感器的接收端在接收到反弹回来的信号后需要对信号进行相应的解调才能供给处理单元使用,解调的加入使得该传感器在很大程度上降低了可见光对测量的影响。
并且该传感器也可以通过菲涅尔透镜来让检测距离变长,最远的探测距离可达到0.8m,由于不同颜色对于光的反射能力不同,因此针对不同颜色探测距离略有差距,通过调节该传感器尾部的旋钮可以对探测距离进行调节。
考虑到本文设计主要用红外模块来对物体进行检测而非对人体进行检测,所以选择E18-D8ONK红外对管传感器来进行对快递柜内是否存在物体进行检测。
2.7通信方案的选择
方案一:
WiFi是当今人们所熟知的一次,常被认为是WirelessFidelity的缩写,是由于WiFi联能也经常使用WirelessFidelity,事实上WiFi没有实际意义也没有所谓的英文全称。
如今我们日常生活中称呼无线网为WiFi。
目前市面上常见的路由器已经多为千兆的了,并且随着WIfi6标准的制定使无线网的速率越来越快。
WiFi在无线通信上具有以下几个优点:
第一,覆盖范围广,一般来说,一台WiFi路由器可覆盖半径大约可达100米,但如果存在墙体隔档可能会存在略微影响。
第二,虽然WiFi在传输数据和传输安全性上没有蓝牙等安全,但是其速度非常快,这在某些应用上完全完胜。
第三,使用门槛和市场准入门槛低,如今在任何地方包括大街上打开手机的WLAN都可以收到很多的WiFi信号。
第四,使用该项技术无需进行网线的布置,方便了设备的搬移。
方案二:
采用SIM800模块来实现数据的远程发送,通过对该模块事先设定,指定发送号码和发送内容,发送的内容为:
**************本设计采用的通信模块为SIM800A,该模块在远程信息发送设计上常被使用。
综合本设计使用情况发送消息是为了让快递收件人获取到验证码从而根据验证码进行取快递操作,因此选择SIM8000模块来实现本设计的通信功能。
2.6按键模块选择
键盘有多种构成方式,这里系统选择两种方案来讨论。
方案一:
4*4的矩阵键盘。
这种键盘最少能够设置出多达16种按键的功能,需要4行4列总共8个接口,通过程序进行简单的控制,就可以方便的实现要求的功能,并且这种键盘为矩形形状,十分美观,布局布线十分方便,也符合人体学设计。
方案二:
使用独立按键。
独立按键的电路构成十分简单,每个按键都需要一个接口,可设置为高电平有效或者低电平有效,程序编写也十分方便,但是当需要大量按键时,这种独立按键明显就有点浪费资源。
综上所述,矩阵键盘满足本系统的需求,并且占用的资源也比较少,所以选择方案一4*4矩阵键盘作为本系统的输入模块。
3硬件电路的设计
3.1单片机
单片机是对单片微型计算机的一种统称,我们可以根据自己的需求在上面进行各种开发和设计。
单片机的起源可以追溯到上世纪八十年代,当时的单片机只有4位或8位,种类也仅有数十种,可选择性较低,且功能较弱。
纵观现在300M的高速单片机已然成为主流。
目前,单片机的种类已超数百种,电子设计爱好者可根据自身需求选择最合适的芯片来进行设计,且设计例程也越来越多,设计也越来越方便,芯片的尺寸也朝着低功耗、低电压、小尺寸的方向发展。
单片机拥有多种分类方式,如果按照种类分可以将单片机分为通用型和专用型。
通用型是可以根据自己的爱好和想法进行开发设计,而专用型则在出厂时已经设定好了其功能。
单片机的结构框图如图3.1所示。
图3.1单片机结构框图
1.1.1单片机的应用
如今,单片机的应用遍及我们生活的方方面面,智能家居、智能仪器、通讯设备、家用电器等。
(1)节能控制
当今,便携性已然成为各类电子产品的发展趋势,电池的待机时长仍是电子产品的缺陷,因此可以利用单片机来设计节能模块,用来增强电子产品的续航。
主要有以下几个应用:
第一,在电子产品自我检测到无需工作时可将其自身设定为待机状态以减少功耗;第二,利用单片机来进行间歇控制,例如通过单片机程序的编写让电子设备每间隔多久运行一次。
上述两种方式都使电子产品的续航能11
力有了很大提升。
(2)智能语音设备
目前广泛使用的智能语音设备有很多,如:
小爱同学、天猫精灵等,这些都是在单片机中编程一定的逻辑,当接收到相对应的逻辑后,单片机执行预先设定的操作。
(3)报警控制
各类报警装置已经应用到各个领域,具体体现在空气质量报警装置、火灾报警装置、家用安全报警装置等,这是通过单片机控制各类传感器从而实现功能。
传感器将检测到的报警信号转化成电信号传输给单片机,单片机根据传送过来的电信号来判断是否需要报警。
(4)医疗设备
随着科学技术的发展,在医疗设备上也逐渐开始向智能化发展,以本次疫情为例,所使用的额温枪就是通过红外传感器来对人体温度进行测量。
还有很多类似设备,如:
电子脉搏测量仪、智能体检数据分析设备等等。
1.1.2单片机最小系统
单片机想要进行正常工作,最小系统是必须具备的,最小系统指的是存在主控芯片的情况下系统应当具备晶振电路和复位电路,本文系统的最小系统电路图如图3.2所示。
图3.2单片机最小系统电路图
12
1.1.3系统时钟电路
晶振电路一般又叫时钟电路,该电路对整个系统运转提供时钟参考,因此也被叫做主控时钟。
在单片机系统中,单片机想要执行操作必须经过取指令、译码然后将译码后的信号发送到寄存器,然后通过指令交换。
每个步骤都遵循着系统时钟,系统时钟不仅提供了参考时间也对各个步骤执行的先后顺序进行定义。
本项目的时钟电路如图3.3所示。
图3.3系统时钟电路
由图3.3可以看出,系统的时钟电路由8MHz的晶振和两个22pF的电容组成。
该时钟电路也决定了系统的主频时钟为8MHz。
但对于STM32系统来说,严格意义上应当存在两种时钟频率,这是由STM32系列芯片的共性决定的。
其中8M的时钟频率用来正常设计和倍频使用,而32.768KHZ的时钟频率用于进行低功耗产品的设计或者在系统处于待机休眠状态时使用。
因此也证明了本文所设计的系统在正常工作下的时钟频率为8MHz。
需要注意的是,在进行时钟电路PCB设计或直接焊接时,电容与晶振的设计应尽可能靠近芯片,以减少对电路的影响。
1.1.4系统复位电路
复位电路是用来对电路工作状态进行还原的电路,由单片机电路原理图可知,该系列单片机为高电平复位,一般情况下是将RST端向上接一个10uF的电容接高电平,向下接一个10K电阻接地,在高电平与RST端接按键开关,也可不接开关。
外接开关是为了在使用时可以随时复位。
本项目复位电路如图3.4所示。
图3.4系统复位电路
由图3.4可以看出,该系统的复位电路通过10KF电容与电源相连,通过O.luF电阻与地相连,同时设置了复位开关,方便随时进行复位,同时该系统保持高电平复位,当开关按下后,电源和地形成通路则系统进入复位状态,若开关断开当电容充满电后也进入复位状态。
3.2显示模块电路
OLED在本设计中的作用是对当前实时系统状态进行显示,其电路图如图3.5所示。
图3.5显示模块电路图
由图3.5可以看出,本文选用的OLED显示模块为8端口元件,其中引脚1和引脚2分别与3.3V和GND相连,该器件的引脚3和引脚4与主控芯片通过IIC协议实现通信,引脚5为OLED片选信号引脚,引脚6位显示模块的复位引脚,弓|脚7位命令/数据标志位。
3.3电源供电电路
电源决定着系统能否正常运行,本文设计中使用到了多种电压,因此需要对电源模块进行设计,其电路图如图3.6
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