高校無接觸式外賣保溫柜的設計

摘 要：隨著社會經濟的迅速發展和人們生活水平的提升，外賣服務在大學校園中日益受到青睞。然而，傳統的外賣配送方式存在一些較為普遍的問題，例如送餐員與學生之間的接觸所帶來的衛生安全隱患以及送餐效率低下等。針對上述問題，在外賣配送服務中引入傳感器技術、物聯網技術和人工智能算法等先進技術，借助傳感器監測保溫柜內部的溫度，保證食品的新鮮度和安全性。同時，通過物聯網技術實現保溫柜與學生手機APP的互聯互通，大幅提升了外賣配送的效率和準確性。測試結果表明，該系統能夠有效解決傳統外賣配送存在的問題，提高了外賣員的配送效率并保障了食品安全性。同時，學生對該系統的接受度也較高，認為其方便快捷、安全可靠。

關鍵詞：智能化控制技術；傳感器技術；物聯網通信技術；無接觸式配送；外賣存儲；遠程監控

中圖分類號：TP368.1；TH122 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）05-0-05

0 引 言

隨著社會經濟的蓬勃發展和人們生活水平的顯著提升，外賣服務在大學校園中迅速風靡起來。大學生們通常面臨著繁重的學業壓力，經常無法抽出時間去食堂或餐廳用餐。外賣配送的便捷性和靈活性則滿足了學生們的需求。然而，傳統的外賣配送方式仍存在一些問題。首先，送餐員與學生之間的接觸可能導致食品安全問題。在傳統的外賣配送方式下，送餐員會將食品直接交給學生，這可能導致病毒和細菌在他們之間傳播。其次，送餐員與學生之間的交流也可能存在溝通不暢或者無法聯系等問題，影響學生點餐體驗和送餐員的工作效率。

為了解決這些問題，本文提出了一種高校無接觸式外賣保溫柜的設計方案。該設計通過智能化控制技術和先進的傳感器技術，實現了無接觸的外賣配送過程。學生通過手機外賣APP進行下單后，無需與送餐員接觸。外賣菜品將被放入保溫柜中，同時發送一條帶有取餐碼的短信至學生手機，學生在指定的時間段內到達保溫柜，在外賣柜上輸入短信中的取餐碼即可取餐。這種無接觸的配送方式既提高了食品的安全性，又提高了外賣配送的效率，同時也提升了用戶的體驗。

1 高校無接觸式外賣保溫柜功能介紹

為了實現外賣的無接觸式配送設計方案，引入了無接觸式外賣保溫柜，該外賣柜采用了傳感器技術、物聯網技術等先進技術。通過紅外溫度傳感器和空間溫度傳感器監測外賣柜內食物溫度和外賣柜內部溫度，確保食品的新鮮度、安全性和溫度的穩定。當外賣員到達外賣柜后，外賣員通過柜體交互屏幕點擊上面的“我要存餐”按鈕并將顧客的電話號碼信息輸入系統后，外賣柜會自動打開一個存放柜，外賣員將餐食放入進行存餐，并關好柜門，同時后臺會自動生成取餐碼存入數據庫并由系統的GSM無線通信模塊將該取餐碼發送給學生。學生到達前，外賣柜自動識別食物溫度，并進行相應的食物保溫，以及自動打開紫外線燈進行消殺工作。學生到達后，需要在外賣柜的屏幕上點擊對應的“取餐”按鈕并在彈出的界面中輸入手機短信中的取餐碼。輸入的取餐碼在后臺與數據庫進行比對，若比對失敗，則屏幕上顯示輸入錯誤，需要學生重新輸入；若比對成功，則打開相應的柜門，學生取餐后關閉柜門，取餐完成[1]。外賣柜配備了智能安保系統，為外賣柜的安全做出了保障。

外賣柜采用STM32F103RBT6單片機作為主控芯片，基于C語言對程序進行程序開發，負責整個系統的控制和管理。此外，該外賣柜還配備了3.5英寸的ILI9341可觸摸顯示屏，能夠為用戶帶來良好的操作體驗[2]。

傳感器包括負責檢測柜體內溫度的空間溫度傳感器和負責檢測食物溫度的紅外溫度傳感器。外賣保溫柜存入外賣后，紅外溫度傳感器和空間溫度傳感器會分別對外賣的溫度和保溫柜的溫度進行檢測。若外賣溫度高于40 ℃且柜內溫度低于50 ℃，系統會對內部電熱絲進行通電，增加柜內溫度，達到55 ℃時自動斷電，低于50 ℃時繼續接通電源，以達到對熱食保溫的效果。若檢測到外賣溫度低于10 ℃，則對柜內半導體制冷片進行通電，同時打開風扇對其進行散熱，直至柜內溫度至0 ℃時停止工作，柜內溫度高于10 ℃時繼續工作，以達到冷藏效果，直至外賣被取出。工作流程如圖1所示。

外賣食物消毒通常采用紫外線殺菌技術，以確保食品的安全性。紫外線殺菌技術利用紫外線照射，消滅食物中的病原體。在紫外線的光敏作用下，氧氣分子（O2）會被分解成兩個自由基氧原子（O），這些氧原子非常活潑，會與其他氧氣分子結合生成臭氧（O3），即三個氧原子組成的分子。這個過程是臭氧循環的一部分，其中臭氧分子不穩定，紫外線照射后又可以分解成氧氣分子和氧原子，形成一個持續的過程[1-4]。臭氧是一種具有強氧化作用的氣體，能夠破壞細菌及病毒的DNA，從而達到消毒的目的。工作原理如圖2所示。

智能外賣保溫柜系統的核心技術之一是先進的移動通信技術。本系統選用了高性能的GSM移動通信模塊——SIM800C，來實現外賣柜的通信任務。SIM800C不僅功能全面，涵蓋了短信、彩信、語音通信及藍牙數據傳輸等多種能力，而且在功耗控制上達到了業界領先水平，是一款專為工業應用設計的四頻GSM/GPRS模塊。SIM800C模塊還配備了先進的硬件流控制功能，在提供了短信傳輸、彩信傳輸、語音通信、藍牙連接以及GPRS數據傳輸等多種功能的同時，還可適配5 ～24 V超寬范圍的工作電壓[2]。

送餐員只需在外賣柜的液晶屏上輸入客戶的電話號碼，系統將自動發送包含取餐碼的短信，通知客戶前往外賣柜取餐，為用戶提供了便捷的取餐體驗。

外賣柜融入了先進的智能安保體系，配置了智能攝像頭，并利用4G通信模塊將實時視頻畫面傳送至校園安保科。當外賣柜被非正常打開時，立即通知安保科并通過智能對講系統在外賣柜異常時第一時間與安保科取得聯系，從而應對突發的狀況。外賣柜智能安保系統設計流程如圖3所示。

2 高校無接觸式外賣保溫柜系統設計

本外賣保溫柜采用STM32F103RBT6單片機作為控制核心，由硬件控制系統和軟件控制系統兩大部分組成。硬件系統主要包括柜體存儲系統、柜體安保系統、柜體交互系統、柜體控制系統[5]。軟件控制系統主要包括系統本地數據處理端和服務器數據處理端的設計。系統的總體設計如圖4所示。

2.1 硬件部分設計

外賣智能柜硬件主要分為四個部分：柜體存儲系統、柜體安保系統、柜體交互系統和柜體核心系統。其中外賣柜的柜體存儲系統由空間溫度傳感器、紅外溫度傳感器、紫外線殺菌燈和智能恒溫系統組成，用于保證外賣食品的新鮮度和安全性[5]。柜體安保系統通過I/O口直接采集無FIFO攝像頭的數據；同時配備通信模塊，以實現遠程監視和對講功能，提升外賣柜的安全性。柜體交互系統由4G LET模塊、GMS模塊和觸摸顯示屏組成，用于與用戶進行交互，提供外賣信息展示、訂單查詢等功能。柜體的核心控制系統由STM32F103RBT6單片機構成，負責整個系統的控制和管理。

2.1.1 柜體存儲系統

（1）紫外線殺菌燈

目前市場上存在兩種主要類型的紫外線消毒燈，分別是185 nm和254 nm波長的燈。其中，185 nm紫外線在使用過程中會釋放臭氧，而254 nm紫外線的波長最短，能量最高，具有更強的殺菌能力。本外賣柜使用的是波長為185 nm的紫外線消毒燈。這種紫外線消毒燈可以分解氧氣分子，進而生成氧原子，通過氧原子與氧氣分子結合從而產生臭氧（具體過程如圖5所示）。臭氧因為其強大的氧化性而具有較強的消毒效果，可以有效殺滅外賣包裝上滋生的病毒和細菌，從而有效防止疾病的傳播。此外，使用帶有臭氧的紫外線消毒燈具有極高的安全性并且沒有副作用。紫外線殺菌技術是一種安全而又綠色的物理消毒法。由于紫外線強大的殺菌能力，其可以有效地消除外賣包裝上生長的細菌和所攜帶的病毒，同時也可以保證食物口感和品質不會受到影響[1-5]。

（2）智能恒溫系統及溫度傳感器的設計

為了保證外賣食物的最佳口感和風味，該智能外賣保溫柜具備感知外賣溫度和保溫柜內部溫度的能力，并能根據外賣的溫度選擇適當的溫度進行保溫處理。為了實現對柜內溫度數據的收集，智能恒溫系統采用了邁來芯所生產的MLX90614非接觸式紅外溫度計，如圖6所示。

該傳感器具有體積小、成本低以及易于安裝的優點，對其進行二次加工封裝后安裝到外賣柜中。MLX90614采用了TO-39金屬封裝，內部集成了專用集成芯片，其中整合了低噪聲放大器、17位模數轉換器和強大的數字信號處理單元。這一設計使得該溫度傳感器具備了高精度和高分辨率的溫度計功能，能夠以10位PWM的輸出格式傳輸-20～120 ℃

范圍內的物體溫度，并且具備高達0.14 ℃的分辨率[6-7]。MLX90614整合了多代產品的溫度傳感器元件和轉換電路，通過緊湊的封裝設計，僅需4個引腳即可連接。當柜內的食物溫度低于設定的閾值時，智能恒溫系統會向中心控制系統發出信號，從而進行加熱或者制冷操作，確保食物的溫度在正常范圍內[5]。MLX90614采集溫度電路如圖7所示。

2.1.2 柜體安保系統

（1）無 FIFO的OV7670攝像頭

圖8所示為OV7670攝像頭模塊，該模塊工作電壓較低、體積較小，集成了單片VGA攝像頭和影像處理器的全部功能，但因為不含FIFO芯片，所以價格較為經濟實惠。該模塊通過SCCB總線來進行控制，支持多種分辨率的8位影像數據輸出，包括整幀、子采樣、取窗口等方式[8]。VGA圖像輸出速率最高可達30幀/s。用戶可全面控制圖像質量、數據格式和傳輸方式，具有靈活性和可定制性。

連接OV7670的SDA、SCL、VSYNC、HREF、PCLK、D0～D7等引腳到STM32F103RBT6單片機的對應引腳后，需要編寫相應的驅動程序，包括I2C總線驅動程序、攝像頭寄存器配置程序和圖像采集程序等。在程序中，需要先對OV7670進行初始化，設置攝像頭的分辨率、色彩格式、幀率等參數。這樣可以確保圖像采集的質量和效率。由于OV7670的數據傳輸速率較高，需要使用DMA方" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " 式進行數據傳輸，以提高效率，如果不使用DMA方式，可能會影響圖像采集和處理的效率。另外，需要注意STM32F103RBT6單片機的處理能力有限，對于高分辨率和高幀率的圖像采集可能會存在一定的性能瓶頸。因此，在設計程序時需要充分考慮單片機的處理能力，并進行合理的優化。

（2）語音對講系統

使用外部語音編解碼芯片INMP441麥克風和VS1053音頻編解碼芯片，使用STM32F103RBT6的ADC模塊來實現音頻輸入功能，進而采集來自麥克風的模擬語音信號，并將其轉換成數字音頻數據。這些芯片可以進行音頻編解碼處理，將音頻數據轉換成可以傳輸的MP3或其他壓縮格式。連接麥克風和音頻編解碼芯片到STM32F103RBT6單片機的相應的外部語音編解碼芯片和音頻輸入輸出電路的引腳，同時可以使用STM32F103RBT6單片機的通用輸入輸出引腳（GPIO）來連接外部設備，以實現音頻輸入和輸出功能。

實現語音對講功能的關鍵是要能夠實現雙向通信，即能夠同時采集和播放語音信號。因此，需要在STM32F103 RBT6單片機上實現雙向音頻數據的處理和傳輸。通過適當的通信接口SPI或I2S將編碼后的音頻數據傳輸到通信接口連接的外部設備的網絡模塊，將音頻數據進行傳輸。接收來自對方的音頻數據，從通信接口接收來自網絡通信模塊的音頻數據。使用外部的音頻編解碼芯片VS1053來解碼接收到的音頻數據，并將其轉換成數字音頻數據。使用STM32F103RBT6的ADC模塊處理解碼后的數字音頻數據，將其轉換成模擬語音信號輸出到揚聲器。

2.1.3 柜體交互系統

（1）4G LTE和GMS通信模塊

選用SIMCom生產的SIM7600CE作為STM32F103RBT6單片機的通信模塊。將SIM7600CE模塊的TX（發送）、RX（接收）引腳連接到STM32F103RBT6單片機的對應引腳，同時連接模塊的電源引腳（VCC、GND）和SIM卡插槽，需要確保為其提供足夠的電流和穩定的電源。根據SIM7600模塊的使用手冊，編寫串口通信的初始化代碼，配置STM32F103RBT6單片機的串口通信參數，并通過USART1串口與SIM7600CE模塊進行通信[9]；通過發送AT指令控制模塊，編寫初始化代碼，配置STM32F103RBT6單片機的串口通信參數[10]。通過USART1串口與SIM7600CE模塊進行通信，并發送AT指令以控制模塊，實現初始化模塊、連接網絡、短信發送等操作。使用LwIP協議棧來實現網絡通信協議。最后進行測試和調試，確保STM32F103RBT6單片機能夠通過SIM7600CE模塊連接到4G LTE網絡，實現數據的發送和接收，并完成短信的發送。

（2）ILI9341觸摸顯示屏

通過觸控顯示屏實現智能外賣柜與用戶之間的信息交互，通過核心控制模塊進行數據處理與轉換，并與內部數據庫進行數據匹配和驗證，以提供良好的用戶體驗[5]。本設計選用了3.5英寸的ILI9341觸摸顯示屏，它是一款常用的SPI接口觸摸顯示屏。ILI9341作為單片機SoC驅動器，用于驅動分辨率為240×320的TFT液晶顯示屏。它擁有720通道的源驅動和320通道的門驅動，內置了172 800字節的GRAM（240×320像素的圖形顯示數據）以及電源電路。該驅動器支持并行8-/9-/16-/18位數據總線的MCU接口，以及6-/16-/18位數據總線的RGB接口，同時也支持3/4線串行外圍接口SPI通信。

與觸摸顯示屏完成交互需要使用STM32F103RBT6單片機的GPIO（通用輸入輸出）端口和SPI（串行外設接口）通信接口。首先，通過GPIO端口連接STM32F103RBT6單片機和觸摸顯示屏的控制線；然后，通過SPI接口連接STM32F103RBT6單片機和觸摸顯示屏的數據線，通過SPI接口實現數據的傳輸和通信。在STM32F103RBT6單片機的程序中，需要編寫相應的驅動程序來讀取觸摸顯示屏的數據，并根據用戶的觸摸輸入坐標來控制顯示屏的顯示內容?？梢允褂肧TM32CubeMX生成初始化代碼，并編寫相應的中斷處理程序和數據處理程序，以實現顯示屏的交互功能。

2.1.4 柜體核心系統

單片機最小系統以STM32F103RBT6為核心，其與柜體存儲系統、安保系統、交互系統等相連接，實現對智能外賣柜的控制和完整存儲取餐功能。STM32F103RBT6具有高性能、低功耗、低成本、接口豐富等優點，同時它還具有較大的閃存和RAM，相較于其他類型的單片機，性價比更高，功能更強大。

2.2 軟件部分設計

智能外賣柜的軟件控制系統用來實現用戶與外賣員之間的信息交互以及協調硬件之間的調配和信息的處理等[10]。根據本文的設計理念，為外賣柜及相關硬件開發相應的運行程序。在外賣送達后，外賣員在屏幕上點擊“我要存餐”按鈕，輸入訂餐者手機號碼并存入外賣。隨后，GMS模塊會向訂餐者的手機發送一條帶有隨機生成的取餐碼的短信。外賣存儲過程中，智能外賣柜會檢測食物的溫度并進行相應的保溫處理，同時打開紫外線燈對外賣食物包裝進行殺菌處理，直至訂餐者前來取餐。取餐時，訂餐者點擊屏幕上的“取餐”按鈕并輸入短信上的取餐碼，若輸入正確，柜門發開，流程結束。

STM32F103RBT6芯片的主控執行流程包括開機自檢、 通信模塊功能自檢、傳感器功能自檢、數據采集、判斷閾值等操作。具體流程如圖9所示。

3 結 語

在外賣行業蓬勃發展的當下，本文針對當前外賣取餐等候時間長、外賣易丟失、外賣包裝不衛生等諸多問題，設計了一款功能強大的智能外賣保溫柜。該外賣保溫柜集保溫、消毒、監控安防等功能為一體，還通過顛覆性的技術創新解決了多重問題。紫外線殺菌功能有效地降低了外賣員與用戶之間的細菌和病毒傳播風險，不僅保障了外賣食品的品質，還有效解決了因食物保存不當可能給用戶帶來的健康隱患。智能安保系統則降低了外賣因為無人看管被偷或者被他人拿錯的可能性，提高了外賣配送的可靠性。此外，智能外賣保溫柜配備了先進的觸摸屏操作界面，為顧客和外賣員提供了便捷的使用體驗，從而進一步提升了外賣配送效率。多功能外賣保溫柜的問世不僅改善了外賣的存儲環境，同時還減少了商家對外賣保溫包裝的需求，從而減少了資源的浪費，對環境保護也起到了積極的作用。

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