无人外卖终端设计研究

钱 润，马成林，李王欣，杨若怡，陈怡冰，郑宇佳，王婧婷

（东北林业大学 工程技术学院，黑龙江 哈尔滨 150036）

1 引言

近年来，随着时代的创新与发展，外卖行业异军突起，成为在移动互联技术带动下的又一经济增长点。外卖常见于居民区与大学校园里，得益于如今科技的发展，几乎是人人都拥有着一台智能手机，而人们只需将手机联网后进入相关网站便可以自选商品，在线支付，完成订餐，之后等待送货即可[1]。据有关大学生网络外卖的消费调查结果显示，88.6%的同学有网络外卖的消费经历。在具有网络外卖经历的同学中，有10.9%的同学选择网页订购外卖，有70.2%的同学选择手机客户端，有18.9%的同学两者都用[2-3]。由于高校宿舍楼、高档居民楼以及写字楼禁止无卡人员进入，诸多配送问题也渐渐浮出水面，这些问题往往牵扯到消费者的自身利益，降低配送服务质量，影响配送效率，增加商家的配送成本，不利于配送服务行业的长远发展。

本文通过设计一款无人外卖终端设备解决配送过程中的外卖员配送等待过程中效率低下、等待时间过长、外卖易被盗取、与非法外卖员接触存在安全隐患等问题。

2 总体设计方案

该设备的设计要求具体如下：

2.1 结构设计

无人外卖终端设备总高为172.5cm，最宽处直径80cm，占地面积小，任何身高的人都可以方便地存取外卖，外卖挂在设备上可以防止倾洒，避免污染环境，减小配送员或买家不必要的损失。无人外卖终端设备包括底盘和杆体两大部分，底盘内部设有电线盘、继电器、控制器、滑盖、电池以及电池仓，杆体外部设有用于悬挂外卖的承重下锁环、用于上锁的上锁环以及二维码，内部设有电控锁、连接座以及摄像头，透视结构图如图1所示。

图1 无人外卖终端设备透视图

由图1可知，底盘直径80cm，高7.5cm，起承重稳定作用；电线盘用于收纳电线，内置的涡卷弹簧使电线在不需要时可自动卷曲收回，节约空间；滑盖可滑动露出或覆盖电池仓，方便电池安装及维修，滑盖合上后用螺丝固定；电池采用UPS电源，是一种能量转换装置，使用UPS 电源能够在停电的状况下为终端提供可靠的供电电能[4]。

杆体通过底部螺纹旋转嵌入底盘，并以螺钉固定于底盘正中央，杆体总长165cm，直径15cm；杆体上3列5行均匀分布着15个锁具结构，锁具结构间距离为30cm；顶部以半圆形顶盖封顶，半圆顶盖直径15cm，高7.5cm；杆体顶端内嵌着3个摄像头。

2.2 无线存取设计

为了满足配送员即送即走、买家即到即取，无人外卖终端设备配备了一款手持设备APP，配送员使用时，用手持设备APP 扫描设备上未存放外卖的下锁环下方的二维码，电控锁弹开，配送员将上锁环拨出，将外卖悬挂于下锁环上，将上锁环扣入电控锁后，控制器生成随机验证码，并发送至手持设备APP，配送员以短信或电话告知买家二维码的编号以及验证码后即可离开。

买家下楼取餐时，用手持设备APP 扫描相应编号上的二维码，在手持设备APP 上访问云服务器输入验证码，若验证码正确，弹开电控锁，买家拨动上锁环后即可取走悬挂在下锁环上的外卖，输入验证码取餐可以防盗取，以及避免拿错外卖情况的发生。

2.3 安全存放设计

设备顶端内嵌着3个摄像头，摄像头之间夹角呈120°，可以进行360°无死角拍摄，用于监督盗窃行为的发生。若是出现外卖被盗取或者误拿的情况，用户可以在手持设备APP 调取相应设备的监控录像。

2.4 信息安全设计

配送员送达外卖后，前往设备存储外卖后即可离开。买家可选择空闲时间，前往设备拿取外卖。配送员和买家的接触过程用无人外卖终端设备代替。随着无人外卖终端设备的普及，买家甚至不需要在订单上写明门牌号等详细地址，只需要写明无人外卖终端设备的编号及位置即可，避免了与配送员接触可能存在的安全隐患以及私人信息泄露等问题的发生。

3 主要部件设计

3.1 锁具结构部分

锁具结构部由上锁环、下锁环、连接座以及电控锁构成，具体如图2所示。锁具结构是本设备最重要的部分，它实现了外卖的存放与拿取。下锁环为用于悬挂外卖的承重环，与上锁环以铰链连接，上锁环可绕铰链销旋转嵌入杆体内部电控锁上锁。

3.2 控制系统部分

设备控制系统主要由三部分组成：手持设备APP 客户端、云服务器、设备嵌入式控制器，三者通过现行标准网络形式进行通信，软硬件结合，实现从手机终端进行对锁的打开闭合控制。底盘内嵌继电器15个，由设备嵌入式控制器控制，每个继电器连接一个电控锁，由于继电器以及电控锁不能直接由控制器的工作电压5V驱动，因此采用了5V/15V继电器的方式，把控制器输出的5V 高低电压转化为15V 左右的高低电平以驱动电控锁。控制系统流程图如图3所示。

图3 控制系统控制流程图

4 硬件系统设计与组配

4.1 电源方案设计

由于控制系统及电控锁部分均为弱电系统，而设备采用的电控锁的驱动电压为15V 左右，故电源供电需采用220V/15V 的稳压源给系统供电，而控制器部分的工作电压为5V，故采用LM2576芯片将系统供电转压至工作电压5V，变压流程如图4所示。

4.2 主控制器硬件设计

考虑到本设备的使用要求，需要支持网络接口和基础编程，因此控制器采用ESP8266EX，ESP6288EX 芯片内置 Tensilica L106 超低功耗 32 位微型MCU, 集成Wi-Fi MAC，适应各种无线Wi-Fi环境，使其可以作为一个单独的应用，也可以作为主控的从机[5]。其内置超低功耗Tensilica L106 32位精简指令集（RISC）处理器，CPU 时钟速度最高可达160MHz，支持Wi-Fi及TCP/IP协议栈，可将高达80%的处理能力留给应用编程和开发，其性能足够本设备的开发要求，控制器硬件结构如图5所示。

图4 电源方案设计图

基于目前流行的物联网开发方式，即ESP8266接入WIFI，用一个中心服务器作为用户端和设备端的代理，由于直接自己设计搭建一个中心服务器效率较低，因此直接采用阿里云提供的物联网平台方案（IoT hub）。两者均通过基于TCP 的MQTT 方式通信协议进行通讯。由于阿里云通过JSON 格式传输数据，因此控制器还需将接收到的数据通过cJSON解析器解析得到数据。ESP8266 控制器硬件主电路如图6所示。

5 结语

这种新型无人外卖终端设备通过电控锁存储、保管外卖，防止外卖被盗或误取；同时监控摄像可以监督盗窃行为的发生；配送员即送即走，缩短配送时间，提高配送效率；买家可选择空闲时间到无人外卖终端设备处取餐，无需与配送员直接接触，减少以往配送过程中可能出现的安全隐患。

图6 控制器硬件电路图