一種嵌入式智能送餐終端的設計

一種嵌入式智能送餐終端的設計

都文和，徐偉，楊婧翾，王婷

(齊齊哈爾大學 通信與電子工程學院，黑龍江 齊齊哈爾 161006)

摘要：針對目前第三方送餐公司常出現的送餐慢、送錯餐等問題，設計了一款智能送餐終端。終端由送餐員攜帶，搭載Linux操作系統，使用自行設計的引導程序啟動終端，并以QT技術為核心實現了地圖顯示、地理導航和3G網絡數據傳輸等功能。研究結果表明：該終端能實時接收送餐命令，自動上報送餐員位置信息，協助公司制定合理的送餐路線，可提高送餐員的送餐效率約30%。

關鍵詞：送餐；智能終端；通信；導航

基金項目：國家自然科學基金項目(10374027,60432047);黑龍江省教育廳基金項目(12521603)

作者簡介：都文和(1970-),男,黑龍江齊齊哈爾人,副教授,博士,研究方向為嵌入式系統、衛星激光通信等.

收稿日期：2014-07-30

文章編號：1672-6871(2015)01-0058-04

中圖分類號：TP368.1

文獻標志碼：A

0引言

隨著人們生活質量的提高和生活節奏的加快，通過叫外賣方式解決用餐問題，已經越來越普遍。巨大的外賣市場吸引許多第三方送餐公司涌入，送餐公司的送餐服務符合現代社會生活的快節奏，極大方便了人們的生活和工作，但送餐慢、送錯餐的情況時有發生。而在送餐公司的信息化建設上，對訂餐系統的研究相對較多,提供給送餐員的移動終端的設計開發卻極少[1]。

為推動送餐服務的信息化發展，解決送餐服務中送餐慢、送錯餐等問題，本文設計開發了一種嵌入式智能送餐終端，終端包含全球定位系統(GPS)定位模塊、3G無線傳輸模塊，由送餐員攜帶，可充電重復使用，同時實現送餐員送餐狀態和位置信息的上報，方便公司合理進行送餐調度。該終端成本低、方便攜帶，有效地提高了送餐員送餐效率，具備較高的實用價值。

1系統總體設計

系統由主控制模塊、液晶顯示模塊、GPS定位模塊和3G無線傳輸模塊構成，系統總體結構如圖1所示。主控制模塊以ARM9處理器為核心，包含電源、接口電路、存儲單元，用以實現供電、數據傳輸和存儲等功能。液晶顯示模塊由液晶顯示器(LCD)的液晶觸摸屏實現，能夠顯示處理完的數據和當前操作界面，送餐員可直接通過觸摸屏進行操作。GPS定位模塊獲取送餐員位置數據，通過串口發送給處理器進一步處理，3G傳輸模塊利用3G網絡實現送餐員與公司的雙向數據通信。

圖1　系統總體結構示意圖

2系統硬件設計

2.1　主控制模塊硬件設計

系統處理器芯片采用三星公司的S3C2440芯片。由于送餐終端為送餐員配備，終端應有較長的待機時間，應能充電重復使用。所以采用體積小、能量密度高的5 V鋰離子電池供電，同時利用凌特公司LTC3555芯片解決電源充電問題。LTC3555有通用串行總線(USB)電源控制器和電池充電模塊，當USB電源有輸入電壓時，電源充電模塊啟動，USB總線對電池充電。LTC3555芯片三路輸出電壓分別為S3C2440存儲單元、輸入/輸出端口(I/O)、內核供電。

存儲單元設計中，系統內存使用兩片16位數據帶寬的SDRAM器件K4S561632N，將其擴展為32位數據帶寬來提高訪問速度。NANDFlash選用64 MB的K9F1208芯片，K9F1208擦除和寫效率高，用來存儲內核和文件系統。接口電路包含JTAG接口、串口和USB接口，串口實現主控制模塊對GPS定位模塊的數據獲取。

2.2　液晶顯示模塊硬件設計

LCD液晶觸摸屏采用4.3英寸(10.922 cm)LCD液晶屏AT043TN24，其接口電路設計如圖2所示。處理器芯片S3C2440控制時鐘信號引腳VCLK，使LCD控制器的數據在VCLK的上升沿處送出，在VCLK的下降沿被LCD驅動器采樣。

圖2　LCD接口電路設計

2.3　GPS定位模塊和3G無線傳輸模塊設計

系統GPS定位模塊選用Gstar公司的GS-91衛星定位接收模塊，該模塊的衛星接收芯片靈敏度較高，可以同時追蹤20個衛星信道[2]。GS-91模塊輸出TTL電平，通過MAX232芯片實現電平轉換，與主控制模塊串口連接。3G是支持高速數據傳輸的第三代移動通信技術，終端的3G無線傳輸模塊選用支持聯通WCDMA的EM770W無線模塊，模塊有1路高速USB接口與主控制模塊連接[3]。

3系統軟件設計

系統選用Linux操作系統，其軟件整體設計包括：引導程序Bootloader的設計，Linux內核移植，應用程序的編寫。Linux系統內核采用Linux2.6.22.6，該版本使用了新的調度器，進程切換更高效，GUI應用程序采用奇趣公司的QTE圖形用戶界面庫開發設計，QTE是該公司針對嵌入式環境推出的產品[4-5]。

3.1　引導程序Bootloader設計與改進

當前流行的嵌入式Linux系統引導程序有U-boot、VIVI等，這些引導程序移植簡單方便，但由于面對大部分硬件，代碼量較大，占用系統存儲空間大。針對S3C2440芯片和Linux操作系統，本文自行設計Bootloader。Bootloader啟動內核首先需把內核從NAND FLASH讀到SDRAM，然后跳轉執行函數啟動內核，其設計步驟如下：

(1)關看門狗，初始化硬件。

(2)把內核從Nandflash拷貝至SDRAM。

(3)跳轉執行內核初始化代碼。

(4)測試Bootloader并進行改進。

使用Bootloader啟動內核，啟動時間約為8 s，效率較低。通過提高時鐘頻率和啟動指令CACHE修改Bootloader，使啟動內核時間減小為2 s。

3.2　應用程序開發

應用程序開發分為兩部分：GPS導航程序設計和信息交互程序設計。

3.2.1GPS導航程序設計

首先，獲取送餐員位置數據。GPS模塊接收送餐員位置數據，通過串口傳送給主控制模塊。程序不采用調用內核函數讀取串口數據的方法，而是直接使用第三方QT串口類QextserialPort實現對串口的操作，簡單方便。GPS數據中GPGGA存儲經緯度信息，程序先定義QextserialPort類對象mygps,通過調用其成員函數readall函數，將GPGGA語句讀入QByteArray字符數組，處理后獲取經緯度數據[6]。

然后，繪制顯示導航地圖，實現導航功能。為避免地圖版權問題，結合送餐終端的市場前景，本文選擇Mapinfo自行繪制地圖，地圖顯示齊齊哈爾勞動湖區域，繪圖完成后導出MIF格式電子地圖。程序使用開源的動態庫Mitab讀取地圖要素，并自定義Map_Point、Map_Line、Map_Region這3個類，分別用來存儲點、線、面地圖要素[7]；然后將串口讀取的經緯度轉換成場景坐標；最后將各地圖要素加載到場景類QGraphicsScene，利用提供視圖部件的QGraphicsView類可視化場景。地圖顯示程序流程圖如圖3所示[8]。

圖3　地圖顯示程序流程圖

終端導航相關功能有：地圖放大、地圖縮小、地理查詢、最優路徑搜索、定位模式、導航模式6大功能，程序為每一個功能設置一個槽函數。用戶選擇導航模式時，程序利用QT提供的QTime類每隔5 s更新當前位置。最優路徑搜索采用A*算法，公式表示為：f(i)=g(i)+h(i),f(i)是從起點經由節點i到終點的估價函數;g(i)是從起點到i節點的移動成本;h(i)是從i節點到終點最佳路徑的預估移動成本。A*算法設計模型如圖4所示，以齊齊哈爾大學三致廣場到女生宿舍樓為模型，程序執行步驟如下：(1)從人文樓開始給地點節點標記1到15，從10號節點三致廣場開始，把它作為待處理點存入開啟列表；(2)尋找10號節點周圍所有節點，加入開啟列表，計算f(i)、g(i)、h(i)(方格下的數字),為計算方便，方格斜線取邊的1.4倍；(3)尋找f(i)最小的7號節點輪滑場跳轉；(4)重復執行上述步驟直到當前節點就是終點停止尋找。

3．2．2信息交互程序設計

圖4　A *算法設計模型

信息交互程序要通過3G網絡實現送餐員位置信息的上報和送餐公司調度命令的接收等功能。首先進行PPP撥號上網，配置編譯PPP撥號工具，將生成的可執行文件pppd等放入fs_xu/bin/目錄，最后編寫撥號腳本撥號上網，成功后會獲得IP地址。

TCP/IP協議是最為廣泛使用的網絡通信協議之一，TCP、UDP都是其傳輸層協議[9]。程序采用TCP協議，使用客戶機/服務器模型，送餐終端作為客戶端，送餐公司作服務器端，兩部分進行信息交互。Linux系統提供socket接口進行套接字編程，但是代碼量大，接收的數據不能直接顯示到界面，本文使用QT庫提供的QTcpServer類和QTcpSocket類來實現終端和送餐公司之間數據傳輸。QTcpSocket類是QAbstractSocket類非常方便的一個子類，通過創建一個TCP連接，來連接服務器，讀取公司發送的送餐命令。QTcpServer類繼承自QObject類，用來接收到來的TCP連接[10]。

圖5　信息交互程序設計流程圖

信息交互程序流程圖如圖5所示。圖5中connectServer函數連接服務器之后，readRead函數檢測送餐命令數據是否到達，數據到達后判斷有效性，并觸發槽函數readMessage讀取數據，最后顯示屏顯示讀取的數據。

4系統功能測試

選擇齊齊哈爾勞動湖區域進行終端GPS導航功能測試。測試地圖界面有地理查詢、路徑搜索、定位模式等功能選項，送餐員可根據需要選擇或退出界面。

為測試該終端對送餐員實際送餐效率的影響，本文通過齊齊哈爾第三方送餐公司點(易達送餐平臺)進行測試。綜合考慮交通、天氣等因素，測試分兩個小組，參與測試的送餐員固定為送餐員A，第1組送餐員在第1周正常送餐，第2組送餐員在第2周送餐時攜帶智能送餐終端。測試地點選取訂單量較大的仕林小區、附屬二院、瀏園小區3個地點。測試數據見表1。表1中的測試結果表明：3個地點的送餐效率都得到較大提高，分別提高27%、32%、30%。而且，送餐員對終端的路徑導航和人員報到等功能較為認可，終端的應用前景得到肯定。

表1　送餐時間統計　min

5結束語

本文設計的智能送餐終端以ARM9處理器為核心，使用LTC3555芯片實現電源管理，利用GPS定位模塊為送餐員提供GPS導航，通過3G無線傳輸模塊實現了送餐公司和送餐員信息實時交互。本文設計和改進了操作系統的引導程序，自行繪制了導航地圖，提高了終端的市場前景。該智能送餐終端在送餐服務中提高了送餐效率和送餐的準確性，有較好的發展前景，對送餐業的信息化發展有較大的推動作用。

參考文獻：

[1]楊玲蘊.基于情境法的外賣送餐應用系統設計與研究[D].上海:上海交通大學,2013.

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[3]程振宇,張燦,和智濤,等.基于3G網絡視頻傳輸的一種QoS控制方法[J].中國科學院大學學報,2014,31(1):117-123.

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[9]焦雙偉.基于TCP/IP網絡的智能家居控制系統的研究與實現[D].南昌:南昌航空大學，2012.

[10]Blanchete J,Summerfield M.C++GUI Programming with Qt4[M].Englewood Cliffs:Prentice Hall,2006.