基于雙通道傳輸的智能快件箱系統的研究與設計

游張華

（深圳市華海聯能科技有限公司，廣東 深圳 518101）

0 引言

基于物聯網的智能快件箱[1]，能夠識別、暫存、監控和管理快件[2]，與云服務器結合構成智能快件投遞系統。在城市里基站信號較好，快件箱可以通過4G/5G 信號與云服務器傳輸數據；而在農村地區基站信號較差，快件箱與云服務器通信經常不穩定，甚至斷網，導致快件無法投遞。為此，本文設計一種雙通道傳輸的系統，當信號不好時使用藍牙將投遞數據傳輸到手機，再通過手機將數據傳輸到服務器，以解決快件箱在農村地區的使用問題[3]。本文從硬件和軟件兩方面討論了雙通道傳輸系統的設計。

1 系統總體設計

系統總體設計如圖1所示，由智能一體機、多塊鎖控板、投遞手機、云服務器組成。鎖控板的主控芯片為STM32，控制電子鎖開關門，檢測門鎖打開和關閉狀態。一體機使用ARM9 內核的主控芯片，并運行Linux 和QT 程序，用于與投遞員交互、掃描快件條碼、控制鎖控板、記錄快件投取信息并通過4G/5G 網絡上傳服務器。一體機實時檢測4G/5G網絡信號，當信號不好時，會強制投遞員使用手機進行投遞。投遞手機為安卓或蘋果手機，并裝有投遞APP。手機投遞時先用手機藍牙連接一體機的藍牙模塊，身份驗證通過后，再用手機掃描快件條碼投遞。投遞APP 會自動檢測網絡信號，將信息傳輸到服務器。服務器運行管理后臺[4]，記錄投取件信息。當有新快件時，會將取件密碼發送短信或公眾號推送給取件人[5]。

圖1 系統總體設計

2 智能快件箱一體機的硬件設計

考慮到成本和運行人機交互界面需要消耗大量的CPU資源，故本方案中選擇主頻為454 MHz 的ARM9 核心微處理器IMX287 作為主控CPU。IMX287 一方面需要接液晶屏和觸摸屏，進行人機交互；另一方面需要通過RS 485 總線接多塊鎖控板，用于控制每個箱門的電子鎖。為了實現雙通道數據傳輸，還需要外接4G/5G 模塊、與手機通信的藍牙模塊。智能快件箱一體機的硬件組成如圖2所示。

圖2 一體機硬件基本結構

為了實現人機交互，對于界面的顯示，選擇群創AT070TN83（16：9，800×480）7 寸TFT 液晶屏。該液晶屏支持18 位數字RGB 接口，格式位RGB666，每個像素由6 bit 紅、6 bit 綠、6 bit 藍構成18 bit 數據。該液晶屏與IMX287 的LCD 控制器通過18 根數據線、幀同步（VSYNC）、行同步（HSYSNC）、時鐘（LSCLK）連接。對于觸摸輸入，選擇奕力科技的ILI2511 芯片的USB 電容觸摸屏。

采用256 MB 的三星K9F2G08R0A NANDFLASH 芯片存放軟件系統，包括uboot、Linux 內核、文件系統和SQLite數據庫。使用兩片HYB18M512160AF 芯片組成128 MB 的DDR 內存，用于加載Linux 操作系統和運行應用程序。

設計一個JTAG 接口，用來調試和燒寫uboot、Linux 內核和文件系統。因為處理器內核需要1.8 V、1.5 V 電壓，存儲器需要3.3 V 電壓，所以將系統的輸入電壓設置為5 V。經過DC-DC 轉換器可完成到3.3 V、1.8 V、1.5 V 電壓的轉換。采用26 MHz 的有源晶振驅動CPU。

設計一個RS 485 接口用于與多塊鎖控板通信，進而控制箱門電子鎖的開關。一個RS 232 接口用于接紅外掃碼槍來掃描快件單上的條碼。一個GPIO 接口用于控制快件箱上的照明燈，方便取件人晚上操作。

4G 通信模塊使用移遠的EC20 模塊。EC20 為4G 全網通模塊，將EC20 的USB 接口連接一體機的USB Host 接口。一體機的快件數據便可通過4G 網絡傳輸到云服務器。藍牙通信模塊使用基于TI 芯片CC2540 的串口藍牙模塊。該模塊支持藍牙4.0，將模塊的串口連接一體機的串口。通過認證后，一體機的快件數據便可以通過藍牙傳輸到投遞員的手機中，進而再通過手機將數據傳輸到云服務器。

3 智能快件箱一體機的軟件設計

3.1 交互界面顯示

LCDC 是IMX287 中的液晶顯示控制器[6]。可以通過LCDC 接口來控制交互界面的顯示輸出，需要加載LCDC 底層驅動mxcfb_modedb.ko和mxcfb.ko及Linux幀緩沖驅動。使用幀緩沖設備時，可將顯示緩沖區直接映射到Linux 用戶空間。這樣在Linux 用戶空間，應用程序可以按照預先設置好的R、G、B 位數和偏移量，將界面數據直接寫到經過mmap（）映射后的顯示緩沖區，進而實現交互界面的顯示。

3.2 交互界面觸摸

由于使用的是USB 電容觸摸屏，需要先加載IMX287 的USB Host驅動mxc_usbhost.ko。觸摸芯片使用的是ILI2511，需要加載對應的芯片驅動mxc_ili2511.ko，同時需要加載Linux[7]的觸摸層驅動touchscreen.ko。因為使用的是QT 交互界面，在Linux 下需要通過觸摸驅動適配層將電容觸摸屏的觸摸坐標傳遞到QT 交互界面。適配層使用開源的TSLib庫來實現，該庫對采樣得到的觸摸數據進行濾波、去抖、校準等。為上層的QT 應用程序提供了一個統一的坐標接口，從而實現觸摸操作。

3.3 鎖控板控制

一體機的RS 485 連接多塊鎖控板的RS 485，每塊鎖控板都有地址撥碼。通信采用主從收發協議[8]，一體機為主機，鎖控板為從機。主機先向從機發送數據幀，從機返回響應數據幀。控制需要執行以下步驟：（1）一體機向鎖控板發送開鎖命令；（2）因為開鎖時間需要500 ms，所以500 ms 后一體機向鎖控板發送查詢鎖狀態命令；（3）如果鎖狀態為打開，則開鎖成功；如果鎖狀態為關閉，則重復執行步驟（1）和（2）；當重復執行3 次，鎖狀態仍為關閉，則說明該電子鎖故障，設置對應的箱門為故障箱門。鎖控板控制的執行流程如圖3所示。

圖3 鎖控板控制的執行流程

3.4 4G 通道傳輸

4G 模塊使用的是EC20，首先要添加模塊驅動mxc_ec20.ko；然后使用Linux 的PPP 軟件自動撥號，將一體機接入4G 網絡。這樣QT 應用程序才能與服務器進行通信和數據交互。交互需要執行以下步驟：（1）將快件箱的唯一編號發送到服務器進行注冊驗證，只有注冊的快件箱才能使用，否則禁用；（2）查詢QT 的SQLite 數據庫是否有新投遞的快件，如果有則生成對應的取件密碼并保存到SQLite 數據庫[9]，并將快件信息和取件密碼都傳輸到云服務器，服務器通過短信或公眾號推送方式將密碼發送給取件人；（3）查詢QT 的SQLite 數據庫是否有被取走的快件，如果有則在SQLite 數據庫中刪除對應的快件信息，并將取件信息傳輸到云服務器，完成一個快件的投取業務。4G 通道傳輸的執行流程如圖4所示。

圖4 4G 通道傳輸的執行流程

3.5 藍牙通道傳輸

藍牙模塊使用CC2540 芯片的串口藍牙，需要加載串口驅動mxc_uart.ko。藍牙模塊作為從設備，等待手機藍牙的連接[10]。交互需要執行以下步驟：（1）手機投遞APP 軟件使用登錄的用戶名和密碼在云服務器驗證，驗證通過才能搜索指定藍牙名稱去連接藍牙模塊；（2）手機APP 使用藍牙模塊的MAC 地址在云服務器驗證，驗證通過才能進行藍牙數據的傳輸；（3）一體機查詢QT 的SQLite 數據庫是否有新投遞的快件，如果有則生成對應的取件密碼并保存到SQLite 數據庫，再將快件信息和取件密碼都傳輸到手機APP；（4）一體機查詢QT 的SQLite 數據庫是否有被取走的快件，如果有則在SQLite 數據庫中刪除對應的快件信息，并將取件信息傳輸到手機APP；（5）手機APP 將投件信息發送到云服務器，服務器通過短信或公眾號推送方式將密碼發送給取件人，將取件信息傳輸到云服務器，完成一個快件的投取業務。藍牙通道傳輸的執行流程如圖5所示。

圖5 藍牙通道傳輸的執行流程

4 系統測試

在基站4G 信號強度不同的情況下，對快件信息到達服務器的耗時進行了測試。測試結果見表1 所列。

表1 雙通道傳輸時間比較

由表1 可見：測試1，基站信號較好，信息通過4G 通道1.2 s 后到達服務器；測試2，基站信號較差，信息通過藍牙很快到達手機，手機移動了一定距離，信息25 s 后到達服務器；測試3，基站信號很差，手機移動了較長距離，才找到基站信號相對好的位置，信息400 s 后到達服務器。

5 結語

本文詳細介紹了基于雙通道傳輸的智能快件箱系統的設計，該方案不僅能應用于基站信號較好的城市，也能應用于基站信號較差的農村地區，很好地解決了偏遠地區對快件箱的使用需求。