集紅外傳感與GSM模塊于一體的智能快遞包裝回收箱設(shè)計

徐濤，朱金辰，孫月，王婷，李金豪，史道玲

（安徽新華學院電子工程學院，安徽合肥，230088）

0 引言

在物流行業(yè)飛速發(fā)展的背景下，“垃圾分類”已成為新時代的熱點。根據(jù)相關(guān)法律法規(guī)要求，2025年底前全國地級及以上城市將基本建成垃圾分類處理系統(tǒng)。而快遞包裝帶來的污染與浪費問題日益嚴峻[1]。因此，在分類回收背景下如何讓快遞包裝“綠”起來，已成為亟待解決的問題。

基于此，為有效提高快遞包裝回收率，降低回收成本，實現(xiàn)快遞包裝綠色回收和循環(huán)利用，一款具備多功能區(qū)域的智能化回收的智能快遞包裝回收箱便應運而生。該智能快遞包裝回收箱由顯示屏區(qū)、快遞包裝投放口、拆解膠帶工作區(qū)、壓縮區(qū)、存儲區(qū)等五部分組成，其設(shè)計更符合當前結(jié)合“互聯(lián)網(wǎng)+”模式的智能分類回收市場需求，遵循在可持續(xù)發(fā)展理念下發(fā)展綠色物流的原則。該智能快遞包裝回收箱功能區(qū)域分工明確，不僅能夠有效實現(xiàn)快遞包裝分類回收，且工作效率高，無需用戶花費很長時間去等待，實用性較強。該回收箱無論是用于快遞回收站還是物流相關(guān)企業(yè)，都能夠帶來經(jīng)濟效益，促進快遞業(yè)朝著“綠色、環(huán)?！钡姆较蜣D(zhuǎn)型升級，其中蘊含的市場價值與前景不可估量[2-3]。

1 系統(tǒng)功能設(shè)計

智能快遞包裝回收箱通過融合紅外傳感器與GSM模塊等多設(shè)備將工作區(qū)域分為顯示屏區(qū)、快遞包裝投放口、拆解膠帶工作區(qū)、壓縮區(qū)、存儲區(qū)五大功能區(qū)域。為達到智能化、自動化的管理運行效果，軟、硬件設(shè)計相互協(xié)調(diào)、相輔相成。回收箱的硬件裝置在電源供給條件下正常運作，再利用WIFI+GSM模塊來實現(xiàn)用戶和工作人員的實時登錄及信息傳遞。用戶在使用過程中通過RS485通信接口與WIFI模塊的作用可以進行個人積分信息查詢以及實現(xiàn)現(xiàn)金兌現(xiàn)等相關(guān)操作。同時LED系統(tǒng)的控制核心也利用微處理器來進行控制，實現(xiàn)智能化照明調(diào)節(jié)。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 智能快遞包裝回收箱系統(tǒng)設(shè)計框圖

由于快遞包裝回收站的空間有限，將快遞包裝回收區(qū)與存儲區(qū)設(shè)置成緊密分布的布局；為提高回收量，將投放口設(shè)置到拆解膠帶區(qū)的正上方；根據(jù)右手就近原則將投放口及拆解膠帶區(qū)設(shè)置在顯示器區(qū)的右側(cè)?；厥障淇赏ㄟ^紅外傳感器、紅外對管、PVC檢測器與其他設(shè)備對用戶投放的不同規(guī)格的快遞包裝進行拆解、壓縮、分類?；厥障淞硗饫眉t外對管、STM32單片機、低電平信號接收器、GSM模塊等器件組合成存儲區(qū)域存儲量監(jiān)控系統(tǒng)，對智能快遞包裝回收箱存儲情況進行實時監(jiān)督，一旦存儲區(qū)容量達到80%，則自動提醒工作人員對回收箱內(nèi)的快遞包裝進行清理。

2 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計

智能快遞包裝回收箱為盡可能的容納五個功能區(qū)域并提升存儲利用率，其設(shè)計外形為長4米、寬1米、高2米的長方形。整體裝置供電系統(tǒng)主要由單晶硅太陽能板、數(shù)顯控制器及硅能蓄電池組成，其中數(shù)顯控制器用來保護電瓶防止過充過放。陽光充足時，太陽能板通過控制器給蓄電池充電，同時蓄電池為系統(tǒng)各部件供電。夜間或陽光較弱時，則由蓄電池直接使用白天存儲的電能進行供電，體現(xiàn)出了遵循節(jié)能、綠色創(chuàng)新設(shè)計理念。

智能快遞包裝回收箱采用模塊化設(shè)計，日常工作中即使某模塊出現(xiàn)問題，也只需針對性的進行修理或調(diào)換模塊，不會影響其他子系統(tǒng)的工作狀態(tài)。系統(tǒng)模塊主要包括液晶顯示屏、紅外傳感器、PVC檢測器、STM32單片機、低電平信號接收器、紅外對管、GSM模塊、LED燈、步進電機、T型絲桿線性直線導軌滑臺、光敏模塊、4×4矩陣模塊、分解傳感器、壓縮傳感器等。為了區(qū)分用戶與工作人員，智能快遞包裝回收箱工作區(qū)域的顯示屏區(qū)界面有不同的登陸角色選項，用戶登陸則可以進行相關(guān)操作積分累計或兌現(xiàn)現(xiàn)金等相關(guān)服務(wù)，而工作人員登陸則能夠?qū)崿F(xiàn)對回收箱的操作控制，方便其對存儲區(qū)域快遞包裝的高效處理。系統(tǒng)裝置內(nèi)外觀分別如圖2、圖3所示。

圖2 智能快遞包裝回收箱外觀

圖3 智能快遞包裝回收箱內(nèi)觀

回收箱的電能主要由太陽能板供應，各項傳感器對所投紙盒進行檢測，將信號送給芯片以實現(xiàn)步進電機帶動旋轉(zhuǎn)裝置、推拉裝置實現(xiàn)快遞的定向運動，使快遞運轉(zhuǎn)并準確分類到對應的存儲箱中。其控制核心為STM32單片機，機電傳動裝置是回收箱運作的核心組成部分，絲杠選擇帶有42型步進電機，有效行程為400mm的T型絲桿線性直線導軌滑臺。當投投放的快遞包裝經(jīng)過紅外傳感器識別后，檢測的低電平信號傳輸給STM32，再由STM32控制電機帶動轉(zhuǎn)盤運作到對應的桶位置，最后STM32控制電機轉(zhuǎn)動帶動絲杠將快遞包裝傳送到下一功能區(qū)域處，之后絲杠將自動返回原來位置。通過對智能快遞包裝回收箱整體機械機構(gòu)的合理設(shè)計，靈活的將對管紅外傳感器、PVC檢測器與GSM模塊的體積縮小，實現(xiàn)快遞包裝存儲區(qū)域的容量最大化，同時結(jié)合存儲區(qū)域監(jiān)控系統(tǒng)，實時能與工作人員取得聯(lián)系，達到高效率處理速度的智能化管理。

此外，回收箱還結(jié)合多個子系統(tǒng)來實現(xiàn)多區(qū)域的自動化。其中分類檢測子系統(tǒng)使用PVC檢測傳感器來確定包裝是否為聚氯乙烯材質(zhì)的膠帶及快遞外包裝袋，為后續(xù)拆解流程做準備；通過紅外傳感網(wǎng)來識別快遞包裝是否完整，以實現(xiàn)可利用與不可利用的分類存儲；短信反饋子系統(tǒng)主要利用紅外對管檢測可利用與不可利用存儲區(qū)域內(nèi)的容量是否滿80%，STM32端口負責接收低電平信號，GSM模塊負責發(fā)送消息聯(lián)系工作人員實現(xiàn)智能化管理；照明調(diào)節(jié)子系統(tǒng)主要由ARM系列微處理器STM32控制，解決光線不足情況下的補光效果；機械控制子系統(tǒng)的檢測系統(tǒng)單片機通過串口通訊將檢測的類別信息傳輸給驅(qū)動單片機 STM32，驅(qū)動單片機發(fā)送指令控制步進電機，配合電機驅(qū)動器提供良好的電流和細分來驅(qū)動電機工作。

回收箱工作流程如圖4所示。用戶投放快遞包裝先由分類檢測子系統(tǒng)通過PVC檢測傳感器來確定快遞是否為聚氯乙烯材質(zhì)的膠帶及快遞外包裝袋，當PVC檢測器工作時，識別到該物體為塑料類物品，在拆解區(qū)時，會在自動化分解機的作用下將快遞包裝拆解為包裝盒與膠帶兩部分，在步進電機的作用下，左傳送帶將其運往檢測區(qū)域。隨后進行紅外傳感網(wǎng)識別，若包裝紙箱不可利用則經(jīng)過左傳送帶送至不可利用區(qū)域，若識別可利用，則將在STM32端口的作用下使剩余的快遞包裝箱繼續(xù)往前工作，當紙材包裝接近紅外傳感器前方探頭時，其內(nèi)部的常開開關(guān)閉合，使繼電器通電，其繼電器常開開關(guān)閉合形成回路，經(jīng)過 STM32 單片機處理，STM32 端口發(fā)出一個低電平信號。該端口連接一個低電平信號接收器，當?shù)碗娖叫盘柊l(fā)出后，接收器接收到低電平信號，啟動紅外傳感網(wǎng)，識別包裝紙箱是否完好，若完好則在右傳送帶的作用下傳至壓縮區(qū)，近而進行壓縮程序。反之，若包裝紙箱識別破損或者不屬于可利用快遞包裝材料則左傳送帶啟動運作。這樣則根據(jù)快遞包裝盒是否完好對其進行了分類，經(jīng)過傳送帶右端則進入可利用區(qū)域，左端則進入不可利用區(qū)域。整個系統(tǒng)末端將會對應的通過足夠大的傳送帶運往可利用存儲區(qū)域與不可利用存儲區(qū)域。

圖4 智能快遞包裝回收箱主流程設(shè)計

當存儲區(qū)域容量達到80%時，則壓縮的快遞包裝會將紅外對管遮擋，此時STM32 單片機將接收到一個低電平信號，經(jīng)處理，向GSM模塊發(fā)送一個信號，在GSM模塊發(fā)送消息后由工作人員對回收站內(nèi)快遞包裝進行清理。為了防止投放快遞時，紅外傳感器的對射被擋住，發(fā)送一個錯誤訊息，所以設(shè)計時，紅外傳感器被擋住時間超多5秒，STM32單片機才會給GSM模塊發(fā)出指令。

3 結(jié)束語

智能快遞包裝回收箱的設(shè)計是“綠色物流”新時代背景下的產(chǎn)物，相信本設(shè)計無論是在完善快遞包裝分類回收渠道上，還是在實現(xiàn)設(shè)備的自動化和智能化回收方面或多或少具備一定的參考價值。在國家政策支持與互聯(lián)網(wǎng)、供應鏈理論發(fā)展的基礎(chǔ)下，智能化分類回收必將是未來深入研究的對象之一[4-5]。所以，在快遞包裝帶來的污染與浪費問題日益嚴峻的情形下，如何有效地引導人們參與到這場全民“垃圾分類”戰(zhàn)役當中是決勝的關(guān)鍵！智能快遞包裝回收箱的設(shè)計或許只是個開端，但國家倡導的走可持續(xù)發(fā)展道路，主張促進綠色物流發(fā)展的新理念永遠不會過時，我們每個人都應當努力開發(fā)自己的創(chuàng)新思維，為綠色物流的發(fā)展貢獻自己的一份力量。