多功能快遞存取柜的設計與實現

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

（1.蘭州城市學院 電子與信息工程學院，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

當今時代，網上購物已成為人們生活的一種習慣。本項目即針對當今生活中快遞業的快速發展情況，避免直接人力配送、自取快遞等不便，設計一套可實現自助存放、取件、稱重收費、超時收費等主要功能，輔以WEB可視化應用界面、智能化照明、無線視頻監控功能的智能型快遞存取柜系統，將快遞終端實現全自助化[1]。

2 系統設計方案

本系統由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。采用太陽能模塊進行供電，利用電腦可視化界面查看實時狀態?？蓪崿F快遞員存放并發送驗證碼功能、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、無線視頻監控、智能化照明等功能[2]。系統總框圖如圖1所示。

圖1 系統框圖

3 系統硬件設計

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換成電能，然后進行蓄電，市電正常時，采用市電進行供電；當市電不能供電時，啟用太陽能進行供電。充電控制，在蓄電池未達到飽和狀態時對電池進行充電；防過充電路，在蓄電池達到飽和時停止充電；防過放電路，在蓄電池電能嚴重不足時停止電壓的輸出；穩壓電路，將電壓轉化為穩定的期望值。

3.2 感知層技術

3.2.1 稱重模塊

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

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偽及幣值，不同幣值的硬幣在尺寸重量上有明顯差別。硬幣進入到由電感與電容組成的特定傳感區域時，質量和體積的區別會對電感與電容產生輕微的影響，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中存在的頻率進行比對。本系統使用GD007投幣器，用測量放大器把電壓信號進行放大，然后在電壓比較器中與設定的值進行對比，把這個模擬信號由A/D轉換器轉化成數字信號，再把數字信號直接傳輸到單片機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、驅燈組件、A/D轉換器、外部存儲、電機、模式選擇、電源板等組成一個單片機控制的系統，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行統計取樣、識別，并寄存起來，作為檢測的依據。當識別紙幣的真偽時，把在各通道接口接收到的信號參數與原寄存起來的信號參數進行比較、判斷，若有明顯差異時，立即送出報警信號并截停電機，同時送出對應的信號提示。本系統采用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，具有自動感應調整系統、維護容易、最佳化辨別系統、優異的防盜設計整體結構、輕巧耐用等優點。

本系統的紙幣和硬幣識別器均通過P3口進行通信和控制，在收到紙幣接收器或者硬幣接收器的脈沖數據的時候，通過P3口把數據傳給單片機，單片機根據收到的數據，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，又稱無線射頻識別，射頻識別技術是伴隨著無線電技術和大規模集成電路的普及出現的一項主要進行數據的采集和自動識別的技術，可通過無線電訊號識別特定目標并讀寫相關數據，而無需識別系統與特定目標之間建立機械或光學接觸。

本設計采用MFRC522芯片來實現IC卡讀取功能。MFRC522是應用于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P1口上。當相應的LED燈亮時，代表相應柜門打開，當相應的LED燈滅時，代表相應柜門關閉，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前光線強弱，當光線強時關閉照明裝置，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。當外界環境光照強時，光敏電阻阻值較小，通過A/D轉換將模擬信號轉換為數字信號并將數據發送到單片機中，控制照明燈熄滅；當外界環境光照較弱時，光敏電阻阻值增大，同樣通過A/D轉換把模擬信號轉換為數字信號，并將數據發送至單片機，控制照明燈點亮。

3.3 傳輸層技術

3.3.1 無線發射與接收模塊

ZigBee技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低成本的雙向無線通訊技術，主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設備之間進行數據傳輸以及典型的有周期性數據、間歇性數據和低反應時間數據傳輸的應用。

本系統采用基于CC2530的無線收發模塊，其可以進行點對點地傳送和廣播模式的傳送，在本設計中采用了廣播模式來傳送數據。此模式有傳送數據較遠、透傳數據等的優點，其發射部分與單片機的串口相連接，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（Global System for Mobile Communication）。本設計的GSM通信模塊采用SIM900A芯片，主要實現將取件驗證碼通過此模塊以短信的方式發送至取件人手機上。此模塊采用串口通信，開發板一般都包含有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，通過串口來發送AT指令。

3.3.3 無線視頻監控模塊

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無線模塊將視頻數據信息通過WIFI接口傳輸至手機或電腦界面上。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—無線網）模塊。本產品是基于通用串行接口的符合網絡標準的嵌入式模塊，內置TCP/IP協議棧，能夠實現用戶串口、以太網、無線網（WIFI） 3個接口之間的轉換。通過HLK-RM04模塊，傳統的串口設備在不需要更改任何配置的情況下，即可通過Internet網絡傳輸自己的數據，為用戶的串口設備通過網絡傳輸數據提供快速的解決方案。

4 系統軟件設計

4.1 主程序C語言開發

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

本系統中，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，則進入快遞員放件功能，若為2鍵，則進入用戶取件功能，若為3鍵，則進入用戶寄件功能。

4.2 串口收發數據程序設計

STC89C52中內嵌的一個功能是串口，通過P3.0口與P3.1口就可以實現數據的接收與發射。編寫抽口發射的數據時應注意串口的波特率，這是保證數據傳輸的必要條件，只有保證接收和發射的波特率是一樣的才能進行數據間的交流。本設計采用的是串口的辦法。可設置相應串口的波特率，本系統使用波特率為9 600bps，根據波特率公式計算出TH0和TH1的值。通過初始化程序可以設定串口的波特率及工作方式，可以為后面的數據的發射做好準備，發射的程序是把特定的數據發送給發射模塊。

4.3 電腦WEB可視化界面技術

智能快遞柜控制系統的電腦WEB可視化界面采用Jsp技術，其中利用了Java語言實現方法，同時利用Servlet及它提供的COM口的jar包實現與硬件的通信[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 設計結論

本項目綜合運用無線通信、電子信息、自動控制、WEB開發等技術，通過電路板制作、機械設計安裝、電腦可視化平臺建設，實現一套可直接應用于各生活小區或各高校的全智能化快遞柜，能夠實現快遞自助存取、取件超時收費及寄件稱重收費、電腦可視化桌面等功能，系統功能齊備，操作便捷，在現有普通智能快遞柜的基礎上進行了一定的改進和功能的完善，系統性能穩定可靠，使用效果良好，為現代化物流提供一定的技術支持，可大大提高國民的生活水平和生活質量，節省人力資源和公共應用資源，帶來一定的社會影響力。

[1] 楊萌柯.“互聯網+”背景下快遞末端協同配送模式的構建[J].北京郵電大學學報（社會科學版），2015,17(6):45-49.

[2] 鄔航濤.基于物聯網的智能快遞終端[J].輕工機械，2015,33(3):109-112.

[3] 岳永賢.快遞終端客戶服務系統的研究與設計[D].武漢：武漢理工大學（碩士學位論文），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界面設計[M].李松峰,譯.北京：電子工業出版社，2015.