多功能快遞存取柜的設(shè)計與實現(xiàn)

石 蕊，朱小軍，郭敦敦 SHI Rui,ZHU Xiaojun,GUO Dundun

（1.蘭州城市學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.天水華天科技股份有限公司，甘肅 天水 741000）

1 研究背景及意義

當(dāng)今時代，網(wǎng)上購物已成為人們生活的一種習(xí)慣。本項目即針對當(dāng)今生活中快遞業(yè)的快速發(fā)展情況，避免直接人力配送、自取快遞等不便，設(shè)計一套可實現(xiàn)自助存放、取件、稱重收費、超時收費等主要功能，輔以WEB可視化應(yīng)用界面、智能化照明、無線視頻監(jiān)控功能的智能型快遞存取柜系統(tǒng)，將快遞終端實現(xiàn)全自助化[1]。

2 系統(tǒng)設(shè)計方案

本系統(tǒng)由GSM通信模塊、稱重模塊、錢幣識別模塊、密鑰輸入模塊、單片機(jī)主控制模塊、電磁鎖開柜模塊、無線ZigBee CC2530接收模塊、電腦WEB可視化界面模塊等組成，以單片機(jī)為核心，共同完成對快遞的存—取—寄，無需人工等待。采用太陽能模塊進(jìn)行供電，利用電腦可視化界面查看實時狀態(tài)?？蓪崿F(xiàn)快遞員存放并發(fā)送驗證碼功能、用戶自助取件功能、用戶自助存件功能、電腦WEB可視化界面四部分，輔以太陽能供電系統(tǒng)、無線視頻監(jiān)控、智能化照明等功能[2]。系統(tǒng)總框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 供電模塊

本功能模塊為太陽能電池板和太陽能蓄電池。通過太陽能電池板將太陽能轉(zhuǎn)換成電能，然后進(jìn)行蓄電，市電正常時，采用市電進(jìn)行供電；當(dāng)市電不能供電時，啟用太陽能進(jìn)行供電。充電控制，在蓄電池未達(dá)到飽和狀態(tài)時對電池進(jìn)行充電；防過充電路，在蓄電池達(dá)到飽和時停止充電；防過放電路，在蓄電池電能嚴(yán)重不足時停止電壓的輸出；穩(wěn)壓電路，將電壓轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的期望值。

3.2 感知層技術(shù)

3.2.1 稱重模塊

采用與主體電路分開的設(shè)計方式，可以單獨作為一部分使用，采用單片機(jī)為主控芯片，利用HX711壓力傳感器進(jìn)行稱重，LCD12864為顯示界面。HX711是一款專為高精度稱重傳感器而設(shè)計的24位A/D轉(zhuǎn)換器芯片[3]。物體稱重所采用的是橋式壓力傳感器，系統(tǒng)通過傳感器將壓力這種物理量轉(zhuǎn)化為電信號，即傳感器內(nèi)部的電阻應(yīng)變片感應(yīng)到壓力后，電阻發(fā)生微小變化，通過全橋測量電路將電阻的微小變化轉(zhuǎn)化成電壓的微小變化，HX711將信號調(diào)整到A/D能采集的范圍，然后由A/D進(jìn)行采集，接著把采集到的24位高低電平通過DOUT送到單片機(jī)進(jìn)行處理，單片機(jī)處理后，把數(shù)字信號輸送到顯示電路，顯示電路輸出測量結(jié)果。

3.2.2 錢幣識別模塊

硬幣識別主要通過識別硬幣的材料和尺寸來判別硬幣的真?zhèn)渭皫胖?，不同幣值的硬幣在尺寸重量上有明顯差別。硬幣進(jìn)入到由電感與電容組成的特定傳感區(qū)域時，質(zhì)量和體積的區(qū)別會對電感與電容產(chǎn)生輕微的影響，電容量與電感量的變化也會引起頻率的變化，檢測到的振蕩頻率與系統(tǒng)中存在的頻率進(jìn)行比對。本系統(tǒng)使用GD007投幣器，用測量放大器把電壓信號進(jìn)行放大，然后在電壓比較器中與設(shè)定的值進(jìn)行對比，把這個模擬信號由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，再把數(shù)字信號直接傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)控制的電路以完成對金屬硬幣的識別。

紙幣識別器由主控部分、傳感器部件、驅(qū)燈組件、A/D轉(zhuǎn)換器、外部存儲、電機(jī)、模式選擇、電源板等組成一個單片機(jī)控制的系統(tǒng)，通過多個接口把紫光、磁性、紅外穿透引入主控器。把正常鈔票在各傳感器接收到的信號進(jìn)行統(tǒng)計取樣、識別，并寄存起來，作為檢測的依據(jù)。當(dāng)識別紙幣的真?zhèn)螘r，把在各通道接口接收到的信號參數(shù)與原寄存起來的信號參數(shù)進(jìn)行比較、判斷，若有明顯差異時，立即送出報警信號并截停電機(jī)，同時送出對應(yīng)的信號提示。本系統(tǒng)采用HC200型紙幣識別器，是新一代的高安全性的紙幣識別器，可接收多種不同類型的貨幣，具有自動感應(yīng)調(diào)整系統(tǒng)、維護(hù)容易、最佳化辨別系統(tǒng)、優(yōu)異的防盜設(shè)計整體結(jié)構(gòu)、輕巧耐用等優(yōu)點。

本系統(tǒng)的紙幣和硬幣識別器均通過P3口進(jìn)行通信和控制，在收到紙幣接收器或者硬幣接收器的脈沖數(shù)據(jù)的時候，通過P3口把數(shù)據(jù)傳給單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)收到的數(shù)據(jù)，分析收到硬幣或者紙幣的金額[4]。

3.2.3 管理員射頻管理模塊

射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）技術(shù)，又稱無線射頻識別，射頻識別技術(shù)是伴隨著無線電技術(shù)和大規(guī)模集成電路的普及出現(xiàn)的一項主要進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和自動識別的技術(shù)，可通過無線電訊號識別特定目標(biāo)并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)，而無需識別系統(tǒng)與特定目標(biāo)之間建立機(jī)械或光學(xué)接觸。

本設(shè)計采用MFRC522芯片來實現(xiàn)IC卡讀取功能。MFRC522是應(yīng)用于13.56MHz非接觸式通信中高集成度讀寫卡，每一張IC卡都具有全球唯一的ID碼，可以來確定每位快遞員的身份信息。在本設(shè)計中使用MFRC522作為管理員射頻開鎖模塊，管理員可以使用此射頻卡一次性打開所有的箱柜，進(jìn)行管理員模式下的存件功能時打開柜門。

箱柜部分及開鎖部分，使用8個繼電器及LED燈代替8個箱柜，每一個繼電器連接至單片機(jī)P1口上。當(dāng)相應(yīng)的LED燈亮?xí)r，代表相應(yīng)柜門打開，當(dāng)相應(yīng)的LED燈滅時，代表相應(yīng)柜門關(guān)閉，若管理員要同時打開所有的柜子時，只需刷管理員所持射頻卡，所有的柜子就會打開。

3.2.4 智能化照明模塊

本功能使用模塊為光敏傳感器和照明燈。通過光敏傳感器識別當(dāng)前光線強(qiáng)弱，當(dāng)光線強(qiáng)時關(guān)閉照明裝置，光線弱時自動開啟照明裝置，用以快遞柜前輔助照明的功能。當(dāng)外界環(huán)境光照強(qiáng)時，光敏電阻阻值較小，通過A/D轉(zhuǎn)換將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并將數(shù)據(jù)發(fā)送到單片機(jī)中，控制照明燈熄滅；當(dāng)外界環(huán)境光照較弱時，光敏電阻阻值增大，同樣通過A/D轉(zhuǎn)換把模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并將數(shù)據(jù)發(fā)送至單片機(jī)，控制照明燈點亮。

3.3 傳輸層技術(shù)

3.3.1 無線發(fā)射與接收模塊

ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低成本的雙向無線通訊技術(shù)，主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸以及典型的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用。

本系統(tǒng)采用基于CC2530的無線收發(fā)模塊，其可以進(jìn)行點對點地傳送和廣播模式的傳送，在本設(shè)計中采用了廣播模式來傳送數(shù)據(jù)。此模式有傳送數(shù)據(jù)較遠(yuǎn)、透傳數(shù)據(jù)等的優(yōu)點，其發(fā)射部分與單片機(jī)的串口相連接，接收模塊則是通過串口跟電腦連接。

3.3.2 GSM通信模塊

GSM通信，即全球移動通信系統(tǒng)（Global System for Mobile Communication）。本設(shè)計的GSM通信模塊采用SIM900A芯片，主要實現(xiàn)將取件驗證碼通過此模塊以短信的方式發(fā)送至取件人手機(jī)上。此模塊采用串口通信，開發(fā)板一般都包含有TTL接口，把電壓控制器接連到SIM900A模塊的RS232接口或者TTL接口。在硬件連接完成之后，通過串口來發(fā)送AT指令。

3.3.3 無線視頻監(jiān)控模塊

本功能模塊為無線視頻采集模塊和HLK-RM04無線模塊。通過無線視頻采集模塊采集到快遞柜實時畫面，HLK-RM04無線模塊將視頻數(shù)據(jù)信息通過WIFI接口傳輸至手機(jī)或電腦界面上。HLK-RM04是海凌科電子推出的低成本嵌入式UART-ETH-WIFI（串口—以太網(wǎng)—無線網(wǎng)）模塊。本產(chǎn)品是基于通用串行接口的符合網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式模塊，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，能夠?qū)崿F(xiàn)用戶串口、以太網(wǎng)、無線網(wǎng)（WIFI） 3個接口之間的轉(zhuǎn)換。通過HLK-RM04模塊，傳統(tǒng)的串口設(shè)備在不需要更改任何配置的情況下，即可通過Internet網(wǎng)絡(luò)傳輸自己的數(shù)據(jù)，為用戶的串口設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)提供快速的解決方案。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 主程序C語言開發(fā)

主程序中，首先要對系統(tǒng)進(jìn)行初始化的編程。軟件方面主要有51單片機(jī)系統(tǒng)的初始化編輯，軟件方面會有一些標(biāo)志位的賦值、變量的定義、定義按鈕、位定義與液位開關(guān)的I/O口。整個主程序包括一個main（）函數(shù)，而在函數(shù)體中包括了程序中所有的要運轉(zhuǎn)的程序，它是程序的主體部分，更是一個程序運行的開始部分和結(jié)束部分，其在主程序中是可以隨意的進(jìn)行調(diào)用別的方法來實現(xiàn)其功能的，但是不能跳出主程序。

本系統(tǒng)中，首先判斷是否有按鍵按下，然后判斷所按下按鍵為1鍵、2鍵或3鍵，若為1鍵，則進(jìn)入快遞員放件功能，若為2鍵，則進(jìn)入用戶取件功能，若為3鍵，則進(jìn)入用戶寄件功能。

4.2 串口收發(fā)數(shù)據(jù)程序設(shè)計

STC89C52中內(nèi)嵌的一個功能是串口，通過P3.0口與P3.1口就可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收與發(fā)射。編寫抽口發(fā)射的數(shù)據(jù)時應(yīng)注意串口的波特率，這是保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋匾獥l件，只有保證接收和發(fā)射的波特率是一樣的才能進(jìn)行數(shù)據(jù)間的交流。本設(shè)計采用的是串口的辦法?？稍O(shè)置相應(yīng)串口的波特率，本系統(tǒng)使用波特率為9 600bps，根據(jù)波特率公式計算出TH0和TH1的值。通過初始化程序可以設(shè)定串口的波特率及工作方式，可以為后面的數(shù)據(jù)的發(fā)射做好準(zhǔn)備，發(fā)射的程序是把特定的數(shù)據(jù)發(fā)送給發(fā)射模塊。

4.3 電腦WEB可視化界面技術(shù)

智能快遞柜控制系統(tǒng)的電腦WEB可視化界面采用Jsp技術(shù)，其中利用了Java語言實現(xiàn)方法，同時利用Servlet及它提供的COM口的jar包實現(xiàn)與硬件的通信[5]。通過菜單欄打開各個功能的窗口，包括系統(tǒng)啟動界面、快遞員選柜界面、快遞員存件操作界面、用戶取件操作界面、用戶寄件稱重操作界面等。

5 設(shè)計結(jié)論

本項目綜合運用無線通信、電子信息、自動控制、WEB開發(fā)等技術(shù)，通過電路板制作、機(jī)械設(shè)計安裝、電腦可視化平臺建設(shè)，實現(xiàn)一套可直接應(yīng)用于各生活小區(qū)或各高校的全智能化快遞柜，能夠?qū)崿F(xiàn)快遞自助存取、取件超時收費及寄件稱重收費、電腦可視化桌面等功能，系統(tǒng)功能齊備，操作便捷，在現(xiàn)有普通智能快遞柜的基礎(chǔ)上進(jìn)行了一定的改進(jìn)和功能的完善，系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠，使用效果良好，為現(xiàn)代化物流提供一定的技術(shù)支持，可大大提高國民的生活水平和生活質(zhì)量，節(jié)省人力資源和公共應(yīng)用資源，帶來一定的社會影響力。

[1] 楊萌柯.“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下快遞末端協(xié)同配送模式的構(gòu)建[J].北京郵電大學(xué)學(xué)報（社會科學(xué)版），2015,17(6):45-49.

[2] 鄔航濤.基于物聯(lián)網(wǎng)的智能快遞終端[J].輕工機(jī)械，2015,33(3):109-112.

[3] 岳永賢.快遞終端客戶服務(wù)系統(tǒng)的研究與設(shè)計[D].武漢：武漢理工大學(xué)（碩士學(xué)位論文），2011.

[4] 石蕊，郭敦敦.一種帶收費功能的智能快遞存取柜[P].中國專利：專利號，ZL2016 2 0859181.8，2017-04-05.

[5]Bill Scott.WEB界面設(shè)計[M].李松峰,譯.北京：電子工業(yè)出版社，2015.