智能自提柜冷藏控制系統的設計與實現

常熟理工學院電氣與自動化工程學院 崔勇強 蔡篤軍 沈壽鵬 李 鑫

1 引言

目前，電子商務正在我國快速發展，其中農產品電商也具有一定規模，果蔬、鮮肉、水產等生鮮產品和人們的生活息息相關，近年來開始受到眾多大小電商的關注。來自淘寶的數據顯示，2013年，生鮮類產品在2012年后依然保持最高增長率，同比增長高達195%。相比國內龐大的生鮮消費市場，我國的生鮮電商只能算是剛剛起步，行業發展潛力極大。

然而，生鮮產品的交付，在很大程度上限制了生鮮電商的發展。生鮮產品，對儲存運輸條件的要求非常苛刻，既要保證產品的新鮮度，又要保證消費的時效性。由于現有技術中物流配送鏈末端的配送設備大多不具有冷凍或冷藏能力，因此生鮮產品在購買至交付到消費者手中的過程中，并未一直處于冷凍或冷藏的環境中，再加上時有發生的消費者無法及時收貨等情況，消費者收到生鮮產品時，產品質量無法達到最佳狀態。針對此種現狀，本文提出了一種智能自提柜冷藏控制系統，貨物存入后處在冷藏保鮮狀態，消費者收到通知后可隨時前往自助取貨。避免了配送員直接配送到消費者手中的過程，從而解決了物流配送鏈末端的生鮮產品配送難題，滿足了低能耗的新型物流體系的發展需求。

2 系統方案設計

該系統需要控制數量較多的電控鎖，為便于靈活擴展貨箱，系統采用主從控制方式。10個貨箱為一組，每組貨箱分配一個從控制器。從控制器負責所在組的貨箱門鎖開關控制與檢測、溫濕度監測、壓縮機開關控制和紅外物體探測。主控制器負責人機界面交互、互聯網通信、語音播報、條形碼掃描、射頻卡讀卡和數據存儲。主從控制器通過RS-485總線通信，主控制器通過指令控制從控制器的動作。系統整體結構如圖1所示。

圖1 系統整體框圖

整個系統采用模塊化設計，顯著降低開發難度，節約開發時間，便于后期維護。主從控制器都選用意法半導體的STM32F103ZET6的32位MCU作為控制核心，其高性能、低功耗、低成本及多串口的特征非常符合本系統的需求。

3 系統硬件設計

本系統眾多模塊只需提供正確的電源，以及相應的通訊接口即可工作，故不作具體硬件電路分析。以下就系統主要電路設計作詳細闡述。

3.1 電源電路設計

本系統主從控制器所需電壓有如下幾種：

(1)3.3V：MCU、RS485、FLASH芯片和溫濕度等模塊所需電源。

(2)5V：條碼掃描槍、語音模塊和紅外探測模塊所需電源。

(3)12V：觸控屏、電門鎖、電機和網絡通信所需電源。

考慮到12V電源所需功率較大，故采用一款大功率成品開關電源，將220V交流電轉換成12V直流電輸入系統。其中5V電源由12V直流電變換而來，如圖2所示。

圖2 12V轉5V電路

電源方案選用TI公司單片集成式開關電壓調節器LM2596S-5.0作為輸出5V的降壓器件，該芯片功耗小、效率高，最高輸入電壓為40V，最大輸出電流可達3A，滿足系統的使用要求。在該芯片的外圍電路中，輸入電容C1選擇680uF，輸出電容C3選擇470uF，用于濾除低頻噪聲，穩定輸入、輸出電壓。C2、C4、C5為陶瓷小電容，對高頻噪聲有很好的濾波效果。L1和C3起到低通濾波的效果，可進一步降低輸出電壓的紋波，提高系統電源穩定性。

圖3 5V轉3.3V電路

3.3V電源由5V電源變換而來，電路如圖3所示。由于5V到3.3V壓差很小，故采用線性穩壓器LM1117-3.3來完成降壓。為了保證MCU的供電穩定可靠，不受其它部分的串擾，MCU單獨使用一片LM1117，其余需要3.3V供電的模塊共用一片LM1117。由于線性穩壓器本身具有很好的噪聲抑制能力，故輸入、輸出濾波要求不高，本設計選用47uF的電解電容+陶瓷小電容以改善電源效果。

3.2 存儲模塊電路設計

圖4 Flash存儲電路

如圖4所示，本系統的存儲模塊選用華邦串行Flash存儲芯片W25X16。該芯片采用標準SPI通信方式，傳輸速率75MHz，控制靈活、編程簡單，工作電壓在2.7V～3.6V之間，工作狀態電流消耗0.5毫安，掉電狀態電流消耗1uA。芯片具有16M比特的存儲空間，且完全兼容存儲空間更大的高版本芯片型號，方便存儲空間不足時的擴容需求。

3.3 門鎖控制電路

圖5 門鎖控制電路

單元柜所使用的鎖（圖5中LOCK）內部為四線結構：電源線、地線、控制線、反饋線，這樣的結構使得門控更為簡單直觀。為實現電控開鎖功能，就需要為控制端提供一個控制信號使原本吸合的電磁線圈斷開，進而打開與鎖芯連接的碰觸開關，從而實現開鎖的過程，而內部通過檢測觸碰開關的位置，就可以判斷此時鎖位狀態。

所需要的控制信號由MCU給出，即LOCK_IN信號，經過光耦U1隔離后驅動P溝道場效應管Q1。當輸入信號LOCK_IN為高電平時，U1、Q1導通，驅動門鎖打開，同時門鎖的LOCK_FB端輸出反饋信號，MCU通過檢測這一信號，就能判斷當前的門鎖狀態是否正確，并作出相應的處理。門鎖的關閉過程類似，在此不再贅述。

3.4 RS-485電路

圖6 RS-485電路

本系統主、從控制器之間采用RS-485總線通信方式，RS-485總線因應用簡單、成本低廉，在工業通訊、消費電子、過程自動化等領域都有廣泛應用。考慮現場環境多變，電磁環境復雜，本設計選用隔離型RS-485收發模塊，電路如上圖所示。

圖中485模塊與MCU采用串口通信，地線與系統GND隔離，有效的提升了系統的抗干擾能力。輸出A、B信號外加TVS管D3、D4，保證在惡劣環境（高壓、雷擊等環境）下產品不會損壞。實際使用中當A、B線差分電壓大于-200mV且小于-40mV時，模塊接收電平為不確定狀態，設計時要確保模塊接收不處于該狀態。所以用戶在RS-485網絡設計時，要根據實際情況來決定是否加120Ω（R14）終端電阻。

4 系統軟件設計

4.1 主控制器軟件設計

自提柜系統主控制器的功能除服務器遠程控制外都是面向用戶的，根據系統要求和實際情況，將用戶分為以下三類：

(1)消費者，權限最低，只能憑密碼或者刷卡取貨

(2)配貨員，具有中等權限，可存貨，也可對貨箱進行管理工作

(3)管理員，權限最高，比配貨員多了對自提柜系統參數設置的操作權限

配貨員和管理員通過密碼登錄對應各自權限的操作界面。自提柜參數設置是為了保證自提柜系統的通用性提出的，參數包括工作人員密碼修改、當前自提柜系統編號、網絡參數修改、冷藏參數設置和恢復出廠設置。

自提柜系統主控制器軟件分為應用層和驅動層，應用層面向用戶和服務器，負責實現自提柜系統主控制器的實體功能。驅動層負責配置MCU片上資源和實現各功能模塊的驅動底層及對應用層提供應用接口函數。應用層調用驅動層，用戶的各類操作經頂層程序計算后都會轉變為對功能模塊的應用。軟件設計框圖如下。

圖7 主控制器軟件設計框圖

4.2 從控制器軟件設計

本系統中從控制器一方面是為了減輕主控制器的軟硬件壓力，另一方面是考慮到實際應用時的可擴展性，從控制器主要實現與柜子有關的開關和檢測。從控制器在接收到主控制器的指令后完成柜門鎖開關控制、紅外傳感器物體探測、溫濕度監測與控制、壓縮機開關等功能。圖8為從控制器的軟件流程圖。

圖8 從控制器軟件流程圖

4.3 RS-485通信協議

上文介紹主、從控制器之間采用RS-485通信，為了提升數據傳輸的抗干擾能力，保證數據的正常收發，本系統制定了特定的通信協議。

(1)通信雙方均使用統一的數據幀形式，數據幀包括地址、命令類型、數據長度、數據以及校驗字節等部分，其格式如下：

表1 485通信數據格式

(2)在數據幀外部，為了保證通信的透明性，使用SLIP協議進行串行通信封裝，其轉義字符為0xdb，幀結束標志為0xc0。

(3)主控制器控制整個系統的通信過程，由主控制器定時輪詢各個從控制器，并請求這些從控制器提交相應設備的狀態信息返回給主控制器。

(4)主控制器在發送完讀設備請求后進入接收狀態，接收的同時開啟超時控制。如果在規定時間內未能接收到從控制器返回信息或接收到錯誤信息，則主控制器會重新發送讀設備請求。

(5)從控制器復位后，將等待主控制器發送請求命令，并根據命令內容做出相應的應答。如果接收到錯誤的數據幀，從控制器將直接丟棄該幀，不做任何處理。

通過制定上述通信協議，數據收發時必須嚴格按照協議格式進行，保證了通信的穩定性與可靠性。

5 系統測試

系統測試是建立在硬件設計和軟件代碼編寫全部完成的基礎上的，需逐項對自提柜系統的功能進行驗證。主控制器功能從底層往頂層測試，功能驗證通過后，與自提柜從控制器構成完整的自提柜系統并進行穩定性測試，采用長時間多環境運行和多人員操作的測試方法。本設計實物如圖9所示。

圖9 實物效果圖

5.1 網絡通信測試

將網絡參數改成服務器IP和端口，分別使用GPRS模塊和以太網模塊與服務器進行無線和有線通信測試。主控制器（客戶端）和服務器進行收發數據測試時，均能正常通信，且數據內容與發送內容一致，說明主控制器和服務器可以正常通信，測試效果如圖10所示。

圖10 網絡通信測試效果

圖11-1 存貨條碼掃描界面圖

圖11-2 管理員指定柜門界面

5.2 存取貨測試

存取貨操作需要將主控制器與從控制器連接構成完整自提柜系統。首先測試配貨員存貨，點選配貨菜單后成功進入條碼掃描界面，條碼掃描槍成功打開，實物效果如圖11-1.掃碼后成功與服務器取得聯系，貨箱門成功打開。管理員存貨在掃入條碼前有一個指定貨箱的操作，指定貨箱界面如圖11-2，剩余操作與配貨員一致，能成功存貨。貨物存入后測試消費者取貨，密碼取貨和刷卡取貨均正常。

5.3 穩定性測試

主控制器與從控制器組成完整自提柜系統后，進行了長時間的穩定性測試，期間發現了若干BUG，并都一一修復成功。

目前，測試工作已經完成，系統進入穩定階段，并已在實際場所中進行試運行工作。

6 總結

本文在分析當前生鮮電商的發展狀況后，提出了一種智能自提柜冷藏控制系統。從系統的整體設計思想到具體的軟硬件實現，詳細的闡述了整個系統的設計過程。本系統創新性的采用了模塊化的設計思想，顯著降低了開發難度、縮短了開發周期，降低了人力、物力成本。目前系統在實際環境下運行狀況良好，達到了設計要求，考慮到生鮮電商的目前還處于起步階段，本系統的成果具有極大的發展前景。

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