基于STM32單片機(jī)的智能外賣(mài)柜設(shè)計(jì)

摘要：近年來(lái)，外賣(mài)行業(yè)迅速發(fā)展壯大，越來(lái)越多的人為了節(jié)省時(shí)間選擇點(diǎn)外賣(mài)解決飲食問(wèn)題。當(dāng)前，傳統(tǒng)的外賣(mài)配送方式存在諸多問(wèn)題，如外賣(mài)放置混亂、被錯(cuò)拿丟失、外賣(mài)變冷口感變差等。基于STM32單片機(jī)的智能外賣(mài)柜有人臉識(shí)別和輸入密碼雙重解鎖方式，具有加熱恒溫和報(bào)警防偷功能，不僅可以解決外賣(mài)放置混亂問(wèn)題，還可以解決外賣(mài)易變冷和易丟失的問(wèn)題，進(jìn)而減少外賣(mài)員與顧客間可能存在的矛盾。該系統(tǒng)能夠打破傳統(tǒng)外賣(mài)柜的限制，降低配送成本，同時(shí)提高外賣(mài)柜的普及度和便利性，節(jié)約外賣(mài)員的時(shí)間，進(jìn)一步推動(dòng)外賣(mài)行業(yè)配送環(huán)節(jié)規(guī)范化，填補(bǔ)外賣(mài)配送的最后一百米空缺。

關(guān)鍵詞：人臉識(shí)別；加熱恒溫；報(bào)警防偷；語(yǔ)音提示；外賣(mài)配送

引言

自外賣(mài)行業(yè)誕生以來(lái)，我國(guó)的外賣(mài)市場(chǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大。第53次《中國(guó)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展?fàn)顩r統(tǒng)計(jì)報(bào)告》[1]顯示，截至2023年12月，我國(guó)網(wǎng)民規(guī)模達(dá)10.92億人，較2022年12月增長(zhǎng)2480萬(wàn)人，其中網(wǎng)上外賣(mài)用戶(hù)規(guī)模達(dá)5.45億人，較2022年12月增長(zhǎng)2338萬(wàn)人，占網(wǎng)民整體的49.9%。

目前的外賣(mài)市場(chǎng)面臨的最大問(wèn)題是配送的時(shí)效性，傳統(tǒng)的配送方式不僅耗時(shí)費(fèi)力且收益較低。現(xiàn)階段的外賣(mài)配送方式幾乎都是由外賣(mài)員配送，難以避免外賣(mài)員與消費(fèi)者之間出現(xiàn)溝通問(wèn)題。例如，消費(fèi)者無(wú)法及時(shí)取餐，要求外賣(mài)員在原地等待，或者外賣(mài)員無(wú)法將外賣(mài)送達(dá)消費(fèi)者指定地點(diǎn)等。這些問(wèn)題的出現(xiàn)不僅降低了消費(fèi)者的外賣(mài)體驗(yàn)度，也會(huì)打擊外賣(mài)員從事外賣(mài)行業(yè)的熱情，不利于外賣(mài)行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。

1. 設(shè)計(jì)背景

在日常生活中，經(jīng)常能見(jiàn)到傳統(tǒng)的木制外賣(mài)架或外賣(mài)柜存在外賣(mài)放置混亂問(wèn)題，甚至出現(xiàn)外賣(mài)錯(cuò)拿以及外賣(mài)變冷口感變差等問(wèn)題。當(dāng)前信息化技術(shù)高速發(fā)展，市面上投放的智能外賣(mài)柜卻少之又少，外賣(mài)行業(yè)對(duì)智能外賣(mài)柜的使用并未普及，公眾對(duì)智能外賣(mài)柜缺少一定的認(rèn)知[2]。目前，雖然市面上已經(jīng)存在部分智能外賣(mài)柜，但由于造價(jià)高昂、耗電量大，未得到有效推廣。而且，市面上已有的外賣(mài)柜主要放置在居民區(qū)和辦公區(qū)，主要針對(duì)居民和上班族群體，很少有專(zhuān)門(mén)針對(duì)大學(xué)生群體的外賣(mài)柜。本文將針對(duì)大學(xué)生群體進(jìn)行系統(tǒng)和模式上的優(yōu)化升級(jí)[3]。

本文所設(shè)計(jì)的基于STM32單片機(jī)的智能外賣(mài)柜具有智能化、無(wú)接觸的性能，不僅能為外賣(mài)員提供快速存儲(chǔ)外賣(mài)的方法，減輕外賣(mài)配送壓力，且取餐時(shí)間自由，安全系數(shù)高，能夠大幅降低外賣(mài)錯(cuò)拿的風(fēng)險(xiǎn)。在高校外賣(mài)管理方面，更是解決了外賣(mài)亂放、疊放等問(wèn)題，為消費(fèi)者提供了一個(gè)安全有序的校園外賣(mài)環(huán)境，完善了高校外賣(mài)配送體系，提升了消費(fèi)者的體驗(yàn)度和滿(mǎn)意度。此外，該設(shè)計(jì)可以打破傳統(tǒng)外賣(mài)柜的限制，降低外賣(mài)配送成本，節(jié)約外賣(mài)配送時(shí)間，提高智能外賣(mài)柜的普及度，從而推動(dòng)外賣(mài)柜市場(chǎng)的進(jìn)一步發(fā)展。

2. 外賣(mài)柜系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在外賣(mài)員將外賣(mài)放入外賣(mài)柜后，可利用短信通信模塊向取餐人員發(fā)送取餐短信，短信內(nèi)容包括取餐提醒及取餐碼。在等待取餐的過(guò)程中，測(cè)溫模塊每隔750ms便會(huì)采集一次外賣(mài)柜內(nèi)的溫度，并根據(jù)設(shè)定的溫度閾值自動(dòng)判斷是否需要啟用加熱片打開(kāi)加熱恒溫功能，以防止外賣(mài)變冷。取餐人員在取餐時(shí)可采用按鍵輸入密碼或人臉識(shí)別兩種解鎖方式取餐，降低了外賣(mài)丟失的風(fēng)險(xiǎn)。若在取餐過(guò)程中攝像頭模塊多次識(shí)別到錯(cuò)誤人臉，則單片機(jī)會(huì)控制語(yǔ)音模塊發(fā)出“請(qǐng)勿錯(cuò)拿他人外賣(mài)”的語(yǔ)音提示，提高外賣(mài)的安全系數(shù)，防止外賣(mài)錯(cuò)拿。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架圖如圖1所示。

3. 硬件設(shè)計(jì)

3.1 攝像頭模塊的設(shè)計(jì)

攝像頭首先利用函數(shù)Feature_lbp對(duì)圖像庫(kù)內(nèi)的人臉信息進(jìn)行特征提取，并計(jì)算每張圖像的lbp值，之后利用Min函數(shù)和Match_descriptor函數(shù)對(duì)lbp值進(jìn)行計(jì)算和比較，得到人臉特征差異度的平均值A(chǔ)verage和人臉匹配程度Facial_Degree，并輸出人臉匹配程度最高的人臉序號(hào)，單片機(jī)得到人臉序號(hào)后，即可根據(jù)序號(hào)判斷是否要打開(kāi)外賣(mài)柜門(mén)，人臉部分變量及函數(shù)使用表如表1所示。

攝像頭模塊每隔10ms會(huì)進(jìn)行一次人臉數(shù)據(jù)采集及比對(duì)，若與人臉庫(kù)內(nèi)的人臉圖像比對(duì)成功，則會(huì)打開(kāi)外賣(mài)柜，若是比對(duì)失敗，則會(huì)重新采集人臉數(shù)據(jù)，并再次進(jìn)行人臉比對(duì)。

3.2 恒溫加熱模塊的設(shè)計(jì)

溫度檢測(cè)模塊采用DS18B20芯片，DS18B20模塊是一款由美國(guó)DALLAS半導(dǎo)體公司設(shè)計(jì)的數(shù)字溫度傳感器，具有成本低廉、傳輸高效以及電路簡(jiǎn)單的特點(diǎn)[4]。DS18B20供電環(huán)境信息及功耗如表2所示。

溫度檢測(cè)模塊每隔750ms對(duì)外賣(mài)柜內(nèi)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并將溫度數(shù)據(jù)顯示在LCD顯示屏上。一旦溫度檢測(cè)模塊檢測(cè)到外賣(mài)柜內(nèi)的溫度低于所設(shè)定的溫度閾值，單片機(jī)就會(huì)啟動(dòng)加熱片對(duì)外賣(mài)柜進(jìn)行加熱，保證外賣(mài)不會(huì)變冷，從而保持外賣(mài)的口感。

3.3 短信模塊的設(shè)計(jì)

GPRS模塊采用的芯片為SIM800C。SIM800C是一款四頻的GSM/GPRS模塊，可以實(shí)現(xiàn)嵌入式環(huán)境下語(yǔ)音、信息等數(shù)據(jù)的傳輸，插入SIM卡后，可以進(jìn)行短信發(fā)送等操作[5]。外賣(mài)員可通過(guò)短信發(fā)送頁(yè)面的按鍵輸入取餐人員的電話(huà)，按下發(fā)送鍵后，短信模塊會(huì)向輸入的號(hào)碼發(fā)送取餐提醒及取餐碼。

3.4 按鍵模塊的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中的按鍵輸入功能通過(guò)使用按鍵模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。為減少單片機(jī)端口的占用，將按鍵排列成矩陣，通過(guò)編碼的方式使每個(gè)按鍵對(duì)應(yīng)唯一的編碼，實(shí)現(xiàn)按鍵功能[6]。除人臉識(shí)別解鎖外，取餐人員也可選擇傳統(tǒng)的密碼解鎖方式。取餐人員可在按鍵模塊上輸入短信中收到的取餐碼，輸入完成后按下*鍵即可完成確認(rèn)，若取餐碼正確，則柜門(mén)打開(kāi)，若取餐碼錯(cuò)誤，則須重新輸入取餐碼。

3.5 語(yǔ)音播報(bào)模塊的設(shè)計(jì)

當(dāng)攝像頭模塊采集到的人臉數(shù)據(jù)被多次判斷為錯(cuò)誤人臉時(shí)，語(yǔ)音播報(bào)模塊會(huì)發(fā)出“請(qǐng)不要錯(cuò)拿他人外賣(mài)”的語(yǔ)音提示，提示不要錯(cuò)拿他人外賣(mài)，降低外賣(mài)錯(cuò)拿風(fēng)險(xiǎn)，提高外賣(mài)點(diǎn)餐的安全性。

4. 整體測(cè)試結(jié)果

經(jīng)過(guò)測(cè)試，該設(shè)計(jì)能夠向指定的號(hào)碼發(fā)送取餐短信，很好地實(shí)現(xiàn)了人臉識(shí)別和按鍵輸入密碼兩種解鎖方式，并且在識(shí)別到錯(cuò)誤人臉時(shí)能夠發(fā)出“請(qǐng)不要錯(cuò)拿他人外賣(mài)”的語(yǔ)音提示，同時(shí)，也可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)外賣(mài)柜內(nèi)溫度，可以在溫度過(guò)低時(shí)啟動(dòng)加熱片，起到加熱恒溫作用。作品實(shí)物圖如圖2所示。

結(jié)語(yǔ)

本文主要針對(duì)高校外賣(mài)放置混亂、外賣(mài)易變冷和易被錯(cuò)拿丟失這三個(gè)問(wèn)題進(jìn)行研究，在研究過(guò)程中，對(duì)目前我國(guó)的外賣(mài)市場(chǎng)規(guī)模增長(zhǎng)趨勢(shì)、未來(lái)的發(fā)展態(tài)勢(shì)和現(xiàn)有的外賣(mài)配送體系進(jìn)行了深入研究和探索，最終設(shè)計(jì)出本產(chǎn)品，以期解決目前外賣(mài)配送環(huán)節(jié)所存在的問(wèn)題。相比傳統(tǒng)拿取外賣(mài)的方式，這種新型的外賣(mài)柜能大幅提高騎手的工作效率，讓外賣(mài)員減少不必要的溝通成本，投放方式簡(jiǎn)單快捷，能夠有效解決高校外賣(mài)管理難題。對(duì)教師、學(xué)生來(lái)說(shuō)，能讓取餐時(shí)間變得更加充裕，提升教師與學(xué)生的時(shí)間彈性。同時(shí)，能夠有效保證外賣(mài)食品安全及地址隱私[7]。該設(shè)計(jì)填補(bǔ)了目前外賣(mài)行業(yè)的漏洞，減少了外賣(mài)員與消費(fèi)者之間的矛盾，推動(dòng)了外賣(mài)行業(yè)配送環(huán)節(jié)的進(jìn)一步規(guī)范，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]中國(guó)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)信息中心（CNNIC）.第53次中國(guó)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展?fàn)顩r統(tǒng)計(jì)報(bào)告[R/OL].（2024-03-22）[2024-05-23].https：//www.cnnic.cn/n4/2024/0322/c88-10964.html.

[2]蔡夢(mèng)玲，趙楊.智能外賣(mài)柜高校市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)策略研究[J].價(jià)值工程，2022， 41（28）：44-46.

[3]吳越，萬(wàn)媛，陸雪陽(yáng)，等.關(guān)于“外賣(mài)保”自提柜運(yùn)營(yíng)模式的創(chuàng)新研究[J].山西農(nóng)經(jīng)，2021（6）：172-173.

[4]王青楊，谷鈞桐，丁佩豪，等.基于DS18B20的溫度測(cè)量報(bào)警系統(tǒng)[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2023（7）：24-27.

[5]車(chē)鵬飛.基于A(yíng)T80C51單片機(jī)的物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)智能灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2024，63（1）：177-184.

[6]熊英鵬，陳姝穎，熊偉.基于STM32單片機(jī)的智能儲(chǔ)物電梯的設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化應(yīng)用，2024，65（4）：93-95.

[7]李元暢，王志強(qiáng)，溫藝康，等.高校無(wú)人交接外賣(mài)柜運(yùn)營(yíng)模式探析[J].公關(guān)世界，2023（8）：52-54.

作者簡(jiǎn)介：曹京龍，本科在讀，研究方向：通信工程；通信作者：周艷霞，碩士研究生，實(shí)驗(yàn)師，研究方向：圖像識(shí)別、科技史。

基金項(xiàng)目：西藏大學(xué)自治區(qū)級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目——“外賣(mài)管家”——藏漢雙語(yǔ)人臉識(shí)別智能外賣(mài)柜（編號(hào)：S202410694049）。