基于藍牙散射網(wǎng)的遠程驗視智能寄件箱設(shè)計

吳蓬勃，李 莉，張金燕，李學(xué)海

(1.石家莊郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 電信工程系， 石家莊 050021；2.河北電信設(shè)計咨詢有限公司， 信息應(yīng)用咨詢院， 石家莊 050021)

基于藍牙散射網(wǎng)的遠程驗視智能寄件箱設(shè)計

吳蓬勃1，李 莉1，張金燕2，李學(xué)海1

(1.石家莊郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 電信工程系， 石家莊 050021；2.河北電信設(shè)計咨詢有限公司， 信息應(yīng)用咨詢院， 石家莊 050021)

根據(jù)快遞收件時必須“先驗視，后封箱”的規(guī)定，設(shè)計了具備遠程驗視功能的智能寄件箱?；谶h程音視頻傳輸、遠程機器手臂控制、違規(guī)氣體探測等功能實現(xiàn)了快件遠程驗視，杜絕了不同快遞員驗視標準不一致或者不驗視等問題的出現(xiàn)；基于nRF52832構(gòu)建了藍牙散射網(wǎng)，實現(xiàn)了機械手臂、中控計算機、手機或PDA的無線連接，使得該系統(tǒng)可無縫融入現(xiàn)有快遞柜系統(tǒng)中，降低了系統(tǒng)成本；基于自動體積測量技術(shù)，實現(xiàn)了格口的自動適配選擇，避免了空間資源的浪費。經(jīng)運行測試，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定、操作方便，各項性能達到了設(shè)計要求。

藍牙散射網(wǎng); 遠程驗視; 寄件箱; nRF52832; 機械手臂

0 引 言

近年來，隨著中國電子商務(wù)和網(wǎng)上購物的快速發(fā)展，全國已有上千萬家網(wǎng)店和上億個網(wǎng)購用戶，隨之而來的是快遞包裹數(shù)量的快速上漲。智能快遞柜的出現(xiàn)，大大降低了快遞公司的人力成本；解決了派送時間與消費者接貨時間不一致等問題，提高了投遞效率，成為解決快件投遞“最后1 km”問題的一個有效途徑。

但是，智能快遞柜目前只能解決快遞投遞環(huán)節(jié)的客戶取件問題；并不能解決客戶的寄件問題，客戶寄件必須要到郵政窗口辦理或者等待快遞員上門取貨，到郵政窗口辦理會受到郵局營業(yè)時間的限制，等待快遞員上門取貨也較浪費時間，用戶感覺諸多不便。

為了解決客戶24 h寄件的問題，國內(nèi)很多快遞企業(yè)已研發(fā)了快遞自助寄件機，但目前只能實現(xiàn)包裹的“代收”功能，不能實現(xiàn)“驗視”功能，對于包裹的安全問題，并未做任何檢查。隨著“奪命快遞”[1]等問題的出現(xiàn)，快遞包裹的安全問題，受到了廣泛重視，國家郵政局于2015年7月印發(fā)了《郵件快件收寄驗視規(guī)定(試行)》的通知，通知第九條(三)要求“當(dāng)面驗視用戶交寄的物品”[2]。國家郵政局于2015年11 月2 日公布《集中開展寄遞渠道清理整頓專項行動實施方案》，全面推進“收寄驗視、實名收寄、過機安檢”3 項措施。方案要求， 在收寄驗視環(huán)節(jié)，要求一律先驗視、后封箱。按照“誰收寄、誰負責(zé)”的原則，明確收寄驗視責(zé)任，制定收寄驗視規(guī)程，加強對危險化學(xué)品、易燃易爆物品的收寄把關(guān)[3]。

基于國家郵政局對寄件時“當(dāng)面驗視”和“一律先驗視、后封箱”的要求，以及客戶對寄件的實際需求，研發(fā)設(shè)計了一種可實現(xiàn)遠程驗視的智能寄件箱：24 h值班的客服人員，可通過攝像頭(視覺、聽覺)、氣體傳感器(嗅覺)、機械手臂(姿態(tài))等設(shè)備，實現(xiàn)對客戶寄遞包裹的遠程驗視；通過自動稱重結(jié)合寄遞信息，實現(xiàn)自動計費；通過自動體積測量設(shè)備實現(xiàn)格口大小自動選擇，提高資源利用率；基于藍牙散射網(wǎng)，系統(tǒng)可非常方便的融入現(xiàn)有自助收件箱系統(tǒng)，充分利用其格口資源、顯示設(shè)備、視頻設(shè)備等，在豐富功能的同時，最大限度降低成本。相信該智能寄件箱的研制成功必將為快遞行業(yè)帶來新的增長點。

1 總體規(guī)劃

圖1所示為寄件驗視動作分解圖，由圖可見，快遞員在進行包裹驗視時，分為視覺、嗅覺、聽覺、語音和姿態(tài)幾個組成部分。即快遞員首先要用手臂打開包裹，用眼睛檢查包裹內(nèi)的貨物是否合規(guī)、用鼻子聞是否有違禁物品、通過嘴和耳朵與客戶進行交流；此外，還需要通過電子秤測量包裹重量，請客戶填寫快遞單，將寫好的快遞單粘貼到包裹上，從而完成一次寄件過程。

圖1 寄件驗視動作分解

通過對寄件動作的分解，結(jié)合現(xiàn)有快遞收件柜的結(jié)構(gòu)，本文提出了一種遠程驗視寄件系統(tǒng)，系統(tǒng)框架圖如圖2所示，主要包括視覺(IP攝像頭)、語音對講、嗅覺(氣體傳感器)、姿態(tài)(機械手臂)、稱重(電子臺秤)、體積測量等部分；此外還包括現(xiàn)有快遞收件柜的中控計算機、觸摸屏、標簽打印機和格口控制單元等設(shè)備。

圖2 遠程驗視寄件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

其中，IP攝像頭有2個，一個是用于寄件箱外環(huán)境視頻采集的高清攝像頭，另外一個是用于包裹驗視的針孔攝像頭。IP攝像頭和語音對講系統(tǒng)均連接到網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機，24 h遠程客服可通過網(wǎng)絡(luò)實時查看包裹、并與客戶進行語音交流。嗅覺傳感器可進行汽油、煤油、酒精等違規(guī)物品的檢測。驗視攝像頭和嗅覺傳感器安裝均按照在六自由度機械手臂夾手附近，可實現(xiàn)打開包裹、調(diào)整視頻姿態(tài)、近距離嗅覺探測等動作。體積測量單元可實現(xiàn)包裹的體積測量，用于合適大小空閑格口選擇，實現(xiàn)包裹的智能存放。電子臺秤實現(xiàn)包裹稱重，費用計算。

嗅覺傳感器、體積測量和電子臺秤通過有線連接控制單元，六自由度機械手臂、中控計算機以及用戶手機或快遞員PDA均通過藍牙BLE4.0連接控制單元，用戶和快遞員可通過中控計算機所連接的觸摸屏、手機或PDA任何一種方式來實現(xiàn)包裹的寄遞和收取。中控計算機可實現(xiàn)信息的采集和設(shè)備控制，同時遠程客服人員也可通過中控計算機遠程控制機械臂和獲取嗅覺信息。將寄件箱通過藍牙BLE連接中控計算機，省去了布線帶來的麻煩，最大限度降低了對現(xiàn)有收件箱的改造。

寄件箱設(shè)備布局圖如圖3所示，整體為一個立方體鋁合金框架，前面為包裹入口，機械臂、嗅覺傳感器和攝像頭吊裝在頂部，方便對包裹進行驗視操作；底部是電子臺秤，可實現(xiàn)包裹稱重操作；電子秤四周是2組光柵測量模塊，結(jié)合后側(cè)安裝在絲杠上的龍門架式可垂直升降機構(gòu)，可實現(xiàn)包裹長、寬和高的測量。麥克風(fēng)、音箱和環(huán)境攝像頭安裝在框架頂部。

圖3 寄件箱設(shè)備布局圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件部分主要包括nRF52832(后面簡稱nRF52)處理器單元、體積測量單元、氣體傳感器單元、電子臺秤；機械臂控制單元、中控機藍牙轉(zhuǎn)串口模塊等部分，如圖4所示。其中，體積測量單元包括2路光柵測量模塊及其驅(qū)動電路、Z軸步進電機和絲杠；機械手臂由具有藍牙接口的舵機驅(qū)動板進行控制；藍牙驅(qū)動板、中控計算機和用戶手機或快遞員PDA均通過藍牙4.0連接nRF52。

圖4 系統(tǒng)硬件設(shè)計框圖

2.1藍牙散射網(wǎng)構(gòu)建

一個藍牙主設(shè)備和最多7個從設(shè)備可以構(gòu)成藍牙微微網(wǎng)(Piconet)，其中的主設(shè)備也可作為另外一個微微網(wǎng)的從設(shè)備，其中的從設(shè)備也可基于時分復(fù)用機制加入到其他的藍牙微微網(wǎng)中，從而構(gòu)成藍牙散射網(wǎng)(ScatterNet)[4-6]。

在本系統(tǒng)中，基于具備MultiRoles功能的nRF52構(gòu)建藍牙散射網(wǎng)，如圖5所示。在該散射網(wǎng)中，nRF52作為Central設(shè)備連接Peripheral設(shè)備：藍牙舵機驅(qū)動板、中控計算機藍牙串口模塊，構(gòu)建藍牙微微網(wǎng)A；nRF52作為Peripheral設(shè)備連接Central設(shè)備：手機或者PDA，構(gòu)建藍牙微微網(wǎng)B；藍牙微微網(wǎng)A和B構(gòu)建藍牙散射網(wǎng)，實現(xiàn)4種設(shè)備間的互聯(lián)互通。中控計算機可通過藍牙微微網(wǎng)A向nRF52發(fā)送體積測量、稱重、執(zhí)行驗視操作等指令，nRF52也可向藍牙舵機發(fā)送機械手臂控制指令；用戶手機或者快遞員PDA可通過藍牙微微網(wǎng)B向nRF52發(fā)送連接請求，進行數(shù)據(jù)通信。

圖5 藍牙散射網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

2.2nRF52處理器單元

本系統(tǒng)采用Nordic 公司的nRF52作為智能寄件箱控制單元的處理器。nRF52為支持Bluetooth Smart(即：低功耗藍牙BLE)、ANT/ANT+和2.4 GHz RF的無線多協(xié)議處理器，集成了32位ARM Cortex-M4F CPU、512KB Flash(除去協(xié)議棧占用空間，用戶可用空間為400KB)和64KB RAM，處理器速度可達64 MHz[7-8]。 與傳統(tǒng)MCU的IRQ中斷需要CPU干預(yù)不同，nRF52所特有的PPI(Programmable Peripheral Interconnect)機制使得外設(shè)之間事件可獨立于CPU進行連接，無需占用CPU資源[9]。 nRF52具備SPI、UART、ADC、PWM等多種外設(shè)接口，基于其EasyDMA技術(shù)，外設(shè)可直接訪問內(nèi)部RAM，而不需CPU的干預(yù)；而且其大部分外設(shè)接口可通過編程設(shè)置對應(yīng)的物理引腳，使其具備了類似CPLD的功能，大大方便了PCB布線。同時該芯片還具備了NFC接口，可實現(xiàn)觸摸配對(Touch-to-Pair)功能。

圖6是nRF52最小系統(tǒng)原理圖，該芯片共有32個IO口，除去2個32.768 kHz的RTC實時時鐘口和2個NFC天線接口，用戶可以使用的IO口共28個，其中包括了12 bit分辨率的8通道ADC接口。在本系統(tǒng)中，1路串口連接電子臺秤；3路ADC用于連接3種氣體傳感器，實現(xiàn)違規(guī)物品嗅覺探測；4路IO口用于步進電機控制，14路IO用于體積測量。

2.3六自由度機械手臂控制

六自由度機械手臂由藍牙舵機控制板控制，藍牙舵機控制板由：STC單片機、6路舵機控制接口、過流保護電路、藍牙串口模塊等部分組成。

六自由度機械手臂結(jié)構(gòu)如圖7所示，其中包括6路舵機，可抓舉500 g物品。在此，將6路舵機進行功能定義：舵機6(回轉(zhuǎn)舵機)、舵機5(大臂舵機)、舵機4(中臂舵機)、舵機3(小臂舵機)、舵機2(爪回轉(zhuǎn)舵機)、舵機1(爪開合舵機)。

圖6 nRF52832最小系統(tǒng)原理圖

圖7 六自由度機械手臂構(gòu)圖

為實現(xiàn)機械手臂的遠程控制，在遠程客服端引入兩路搖桿[10-12]，其中：左搖桿為二維搖桿，右搖桿為三維搖桿(除了二維搖桿的功能外，增加了Z向旋鈕和旋鈕中間的按鍵)；兩路搖桿通過RS232串口連接到遠程客服計算機，經(jīng)信號處理后，通過網(wǎng)絡(luò)連接到寄件箱的中控計算機，中控計算機再通過藍牙微微網(wǎng)控制機械臂動作。

兩路搖桿對機械臂的控制采用矢量方式，即：搖桿數(shù)值正負代表控制方向，搖桿數(shù)值大小代表控制速度。具體控制策略如圖8和表1所示。左側(cè)二維搖桿控制回轉(zhuǎn)臂和中臂的動作；右側(cè)三維搖桿控制大臂、小臂、爪開合和爪回轉(zhuǎn)的動作。

2.4體積測量單元

本寄件箱體積測量的目的，主要是為用戶選擇合適大小的格口，即：判斷用戶包裹應(yīng)該存放在大、中、小型哪種格口。

參照中華人民共和國郵政行業(yè)標準：YZ/T 0133-2013《智能快件箱》[13]，在標準7.1.4節(jié)中列出了智能快件箱格口內(nèi)空間尺寸，如表2所示。

圖8 機器手臂雙搖桿控制策略

表1 機械臂雙搖桿控制策略

表2 格口內(nèi)空間尺寸[13] mm

在YZ/T 0133-2013標準中設(shè)置了寬度、深度和高度的范圍，但高度未設(shè)置上限；參照中國郵政集團公司暫行規(guī)范：Q/ZX 002-2014《室內(nèi)型智能包裹柜技術(shù)要求》[14]，在規(guī)范8.2.3節(jié)表2中，所列高度的最大值為440 mm，本系統(tǒng)參照這兩個標準，設(shè)置本智能寄件箱所能放置包裹的最大尺寸為： 450 mm×600 mm×450 mm(寬×深×高)。

系統(tǒng)基于650 nm紅色激光頭作為發(fā)射端，使用光電接收管作為接收端，基于光線的遮擋原理，構(gòu)建對射激光光柵，實現(xiàn)對格口內(nèi)包裹體積的測量。通過表2可看出，格口的最關(guān)鍵尺寸是高度，寬度和深度對精度要求不高，為了應(yīng)對不同的測量精度要求，本系統(tǒng)的寬度光柵固定安裝在箱體底端，激光間距為20 mm，即測量誤差為±10 mm；深度和高度測量光柵為可垂直移動光柵，處于底端時可測量包裹長度(即對應(yīng)的深度)，通過步距角為1.8°的42步進電動機帶動固定于垂直絲杠上的對射光柵向箱體上方移動，當(dāng)光柵間的激光信號均不被遮擋時，根據(jù)步進電動機旋轉(zhuǎn)角度計算絲杠的行程，即可得到包裹的高度。從而實現(xiàn)了包裹寬度和長度的靜態(tài)測量，對高度的精確動態(tài)測量。

本系統(tǒng)中，寬度測量最大為450 mm，深度測量最大為600 mm，激光間距為20 mm，由此可計算出寬度和深度測量各需要23路和30路激光對射單元，nRF52最多只有32個IO口，遠遠不能滿足要求，所以需要做IO擴展，本系統(tǒng)使用74LS165實現(xiàn)串并轉(zhuǎn)換，寬度和深度測量各使用了23/8≈3片和30/8≈4片74LS165，圖9列出了深度測量的IO口擴展電路。由此，可得出寬度和深度測量光柵接收單元共需8個IO口；對應(yīng)的兩路激光發(fā)射單元，通過2個IO口控制繼電器實現(xiàn)開關(guān)控制；步進電動機占用4路IO口；因此，體積測量部分，共占用nRF52 14個IO口。

圖9 多路光電接收管信號采集電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1軟件工作流程

系統(tǒng)軟件工作流程圖如圖10所示，客戶首先通過觸摸屏輸入寄遞信息；然后通過按鈕呼叫遠程客服，在客服的語音指導(dǎo)下，客戶將打開的包裹放入寄件箱；遠程客服遠程控制機械臂動作，進行遠程驗視操作，如果驗視過程中看到疑似違禁物品或者嗅覺傳感器報警，則停止驗視操作，遠程客服與客戶進行語音交流；如果確認為違禁物品，則請客戶取回包裹，本次服務(wù)結(jié)束；如果經(jīng)過確認不是違禁物品，則語音告知客戶取出包裹進行封裝。然后客戶重新將包裹放入寄件箱，進行稱重和體積測量；中控計算機根據(jù)重量和寄遞距離計算費用，并控制標簽打印機打印標簽；客戶取出包裹粘貼標簽；中控計算機控制合適體積的空閑格口打開，客戶將包裹放入對應(yīng)的格口，本次服務(wù)完成。

圖10 遠程寄件系統(tǒng)軟件工作流程

3.2基于nRF52的藍牙散射網(wǎng)構(gòu)建

在本系統(tǒng)中，基于nRF52的MultiRoles功能，實現(xiàn)了藍牙散射網(wǎng)的構(gòu)建，在2.1節(jié)中已經(jīng)有詳細的描述。本部分主要介紹nRF52分別作為Central和Peripheral與藍牙舵機驅(qū)動板(Peripheral)和手機(Central)的連接流程。具體流程如圖11所示。

首先，nRF52對端口和外設(shè)進行初始化(如IO口，ADC單元等)。然后，進行BLE堆棧初始化ble_stack_init，其中包括初始化協(xié)議棧SoftDevice和設(shè)置BLE事件處理中斷，中斷包括兩種，一種為BLE事件處理中斷ble_evt_dispatch，此部分為藍牙通信的核心部分，由于BLE的特點是連接快速、功耗極低，故對于BLE事件都采用中斷處理方式，平時處于睡眠狀態(tài)以降低功耗，此部分中斷函數(shù)包括：nRF52作為Peripheral時的事件處理函數(shù)(如：外設(shè)的GAP和GATT事件處理函數(shù)on_ble_peripheral_evt，廣播事件處理函數(shù)ble_advertising_on_ble_evt，連接事件處理函數(shù)ble_conn_params_on_ble_evt，以及用戶事件處理函數(shù)ble_appP_on_ble_evt)，nRF52作為Central時的事件處理函數(shù)(如：外設(shè)發(fā)現(xiàn)函數(shù)ble_db_discovery_on_ble_evt，用戶事件處理函數(shù)ble_appC_on_ble_evt，如GAP連接或斷開事件、GAP連接參數(shù)更新請求事件等)；另外一種中斷是系統(tǒng)事件中斷處理函數(shù)sys_evt_dispatch，主要是對內(nèi)部Flash的操作。然后，開始進行配對管理初始化peer_manager_init和設(shè)備發(fā)現(xiàn)初始化db_discovery_init；接著配置GAP參數(shù)gap_params_init和配置連接參數(shù)conn_params_init；進行服務(wù)初始化services_init，主要涉及外設(shè)、設(shè)備信息等服務(wù)的初始化；廣播初始化advertising_init；啟動廣播和廣播掃描adv_scan_start。最后，進入睡眠模式power_manage，當(dāng)發(fā)生GAP連接事件或GATT數(shù)據(jù)通信事件時，nRF52會從睡眠模式喚醒，進行事件處理，處理完成后重新進入睡眠模式。

圖11 nRF52的MultiRoles工作流程

當(dāng)兩個設(shè)備通過BLE建立連接后，就開始通過BLE協(xié)議棧的GATT層進行數(shù)據(jù)通信了。兩個設(shè)備，其中有一方為GATT服務(wù)器的角色，另外一方為GATT客戶端角色，GATT服務(wù)端是負責(zé)提供數(shù)據(jù)服務(wù)的設(shè)備，GATT客戶端是從GATT服務(wù)器讀寫數(shù)據(jù)的設(shè)備。BLE數(shù)據(jù)通信方式有：讀屬性ReadAttr、寫屬性WriteAttr、通知Notify和指示Indication，其中前兩者需由GATT客戶端發(fā)起；后兩者是由GATT服務(wù)器發(fā)起，其中指示Indication必須確認特性值被接收后才可進行下一個數(shù)據(jù)的傳輸，而通知Notify不需要[15-16]。

本系統(tǒng)設(shè)置nRF52為GATT服務(wù)器，藍牙舵機板、中控機藍牙模塊、手機或PDA為GATT客戶端，為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠傳輸，nRF52作為GATT服務(wù)器向GATT客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)使用指示Indication實現(xiàn)，GATT客服端向nRF52發(fā)送數(shù)據(jù)使用寫屬性WriteAttr實現(xiàn)。

4 測試驗證

根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計方案，進行了樣機試制，并對樣機進行了功能測試。樣機實現(xiàn)了對于寄件包裹的遠程驗視功能(包括：視頻傳輸、嗅覺探測、機械臂控制等功能)、自動稱重功能、自動體積測量功能。圖12所示為樣機實物圖。

圖12 樣機實物圖

5 結(jié) 語

基于藍牙散射網(wǎng)的遠程驗視智能寄件箱實現(xiàn)了遠程驗視、自動計費、智能存儲等多項功能。基于遠程客服的驗視方法，杜絕了不同快遞員驗視標準不一致或者不驗視等問題；同時也實現(xiàn)了客戶與驗視員對包裹的同場驗視，杜絕客戶包裹內(nèi)貨物丟失導(dǎo)致的責(zé)任劃分問題的出現(xiàn)。通過對包裹體積自動測量，實現(xiàn)了格口的自動適配選擇，避免了資源浪費。另外，基于nRF52構(gòu)建的藍牙散射網(wǎng)，本系統(tǒng)可無縫融入現(xiàn)有的快遞取件箱設(shè)備軟硬件系統(tǒng)，利用現(xiàn)有的空閑格口、顯示器、打印機等設(shè)備，只需更新軟件功能，添加一個驗視箱即可，最大程度上優(yōu)化了功能、解決資源的浪費。

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[3] 國家郵政局官網(wǎng).國家郵政局開展寄遞渠道專項清理整頓[EB/OL].http://www.spb.gov.cn/dtxx_15079/201511/t20151102_672746.html,2015-11-02

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Design of Intelligent Mail Box with Remote Visual Inspection Based on Bluetooth Scatter Net

WUPengbo1,LIli1,ZHANGJinyan2,LIXuehai1

(1.Department of Telecommunication Engineering,Shijiazhuang Post & Communication Technology Institute,Shijiazhuang 050021,China; 2.Application of Information Consulting Institute,Hebei Communication Design & Consultation Co.,Ltd.,Shijiazhuang 050021,China)

The paper designed a kind of intelligent mail box with remote visual inspection function based on the rule of “a visual examination must be made before the closing of mail box” when the courier receiving the packages.The remote visual inspection on express packages was designed based on the remote audio and video transmission,remote robot control and illegal gas detection and other functions.Hence it prevented the operators from different visual inspection standards or no visual inspection.A Bluetooth scatter net based on nRF52832 realized wireless connection of the manipulator arm,the main control computer,mobile phone or PDA,so that the system could be seamlessly integrated into the existing express cabinet system,the cost of the system was reduced.The automatic volume measurement technology could automatically open,the appropriate size of grid for the package could avoid the waste of space resources.After operation tests,the system has stable performance and convenient operation,and the performance of the system has reached the design requirements.

bluetooth scatter net; visual inspection; mail box; nRF52832; robot arm

2016-10-13

河北省科技計劃項目(16214706)；河北省高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)研究青年基金項目(QN2015326);石家莊郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研項目(YB201405,ZD201408)

吳蓬勃(1980-)，男，河北辛集人，碩士，講師，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)開發(fā)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

Tel.：18931368610; E-mail：wpb3dm@126.com

TP 29

：A

1006-7167(2017)07-0080-06