文/王月坤 高中華 張夢雪 潘婷 劉爽

智能快遞存取系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法

文/王月坤 高中華 張夢雪 潘婷 劉爽

當(dāng)今網(wǎng)絡(luò)購物的時代趨勢下，物流行業(yè)發(fā)揮著越來越重要的作用，運(yùn)送效率成為重要因素。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種基于互聯(lián)網(wǎng)的智能快遞系統(tǒng)，旨在降低快遞企業(yè)的運(yùn)營成本，為用戶接收快件提供便利的時間和地點(diǎn)。通過MSP430F149單片機(jī)等模塊控制，實(shí)現(xiàn)智能快遞收件派件和寄件的功能，四信3G/4G無線路由器F3424實(shí)現(xiàn)終端無線聯(lián)網(wǎng)和遠(yuǎn)程管理。

智能快遞柜 互聯(lián)網(wǎng) 控制系統(tǒng) 網(wǎng)絡(luò)傳輸

1 引言

現(xiàn)今互聯(lián)網(wǎng)高速發(fā)展的時代，網(wǎng)購成為一種趨勢?？旒姸?，客戶狀態(tài)不確定、時間地點(diǎn)不對稱等客觀因素致使投遞效率低下，客觀因素增加快遞企業(yè)的負(fù)擔(dān)和成本。然而當(dāng)前全國大部分地區(qū)采取傳統(tǒng)的派送方式，高效的快遞管理方式必將成為今后快遞行業(yè)發(fā)展的主流趨勢。因此本文提出的智能快遞柜發(fā)揮著巨大的作用，使快遞行業(yè)得到極大的便利，快遞員等待的時間最小化，快遞的配送效率得到提升。

現(xiàn)階段，國內(nèi)快遞自提模式[1]類似ATM機(jī)的快遞寄取終端可便于快遞人員隨送隨收，客戶可隨時隨地去取。付先凱[2]提出系統(tǒng)終端自動向收件人發(fā)送快遞存放的箱柜號及隨機(jī)密碼，實(shí)現(xiàn)用智能系統(tǒng)提高工作效率。岳軍[3]研究出管理系統(tǒng)的各個子系統(tǒng)相互配合，自動稱重短信發(fā)送功能為目標(biāo)，兼具費(fèi)用支付的功能的快遞柜。張秋燕[4]提出亞馬遜儲物柜（可以說是自動取款機(jī)和保險(xiǎn)箱的結(jié)合）可以掃描條形碼，獲得一個P1N碼，輸入后，可以拿到包裹。Collect+也出現(xiàn)過智能柜的驗(yàn)證方式[5]，就是利用掃快遞單上的二維碼，手機(jī)輸入驗(yàn)證碼顯示網(wǎng)頁簽收，后臺數(shù)據(jù)處理。智能自提柜的出現(xiàn)優(yōu)化了傳統(tǒng)運(yùn)作模式，而快遞信息化趨勢也將注定自提柜發(fā)展的必然[6]。崔勇強(qiáng)等[7]從控制器主要實(shí)現(xiàn)柜門鎖開關(guān)、溫濕度監(jiān)測、壓縮機(jī)控制，以及紅外物體探測功能?；谖锫?lián)網(wǎng)的終端可以通過全自動機(jī)械裝置實(shí)現(xiàn)快遞包裹的自動存取，通過幾何立體倉庫結(jié)構(gòu)與上下位機(jī)的結(jié)合實(shí)現(xiàn)快遞的最優(yōu)化存儲[8]。劉立華[9]提出可以采用企業(yè)與便利店、小區(qū)物業(yè)部門合作的形式，開發(fā)“物流節(jié)點(diǎn)”。

本智能快遞柜在傳統(tǒng)快遞柜的基礎(chǔ)上完善了寄取流程中的各項(xiàng)功能，以具有運(yùn)算速度快，超低功耗的MSP430F149單片機(jī)為核心，各個模塊互相配合，提高了寄取效率，實(shí)現(xiàn)了寄取一體化，增加了重力檢測、X射線安檢儀等模塊。主要包括智能快遞柜、四信F3424系列工業(yè)路由器、后臺服務(wù)器3部分。其中核心部分是由單片機(jī)模塊、電磁門系統(tǒng)、射頻卡模塊、短信模塊共同組成的智能快遞柜實(shí)體，公司服務(wù)端和快遞柜控制端通過互聯(lián)網(wǎng)傳遞信息。

2 智能快遞柜總體

整個快遞柜由三大部分組成：主屏幕、重力感應(yīng)箱、X射線安檢儀和箱柜部分。

其中，主屏幕為觸屏，可以自行選擇取件或寄件模式。重力感應(yīng)箱有重力傳感器，放入需要寄的快件，主屏幕會顯示該物體的重量，并由系統(tǒng)計(jì)算出所需費(fèi)用，顯示于主屏幕上，支付成功完成寄件。同時該箱體還安裝了X射線安檢儀器，系統(tǒng)會自動檢測該物體是否為違禁物品，如果不合格，將不能成功寄件。箱柜分成三大規(guī)格，方便各種快件的存放。小尺寸為40×55mm，中尺寸為60×80mm，大尺寸為80×100mm。

具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1：智能快遞柜箱體結(jié)構(gòu)圖

2.1 用戶存件流程

用戶的存件流程如圖2所示。快遞員將快件送達(dá)指定鎖存地點(diǎn)后，系統(tǒng)自動刷卡驗(yàn)證，再輸入密碼，對快遞員的身份進(jìn)行核實(shí)檢驗(yàn)。隨后，存入智能快遞箱并用控制鎖鎖上即可。本文使用非接觸式且加密程度高的射頻RFID作為快遞的標(biāo)簽，智能快遞柜自動將物品進(jìn)行識別，然后利用MSP430單片機(jī)控制TC35模塊給用戶發(fā)送包括取件地址和驗(yàn)證碼的短信，用戶在方便的時間到達(dá)該終端前輸入驗(yàn)證碼或者刷卡，即可打開智能控制箱的控制鎖，取出快件。

圖2：用戶存件流程圖

圖3：用戶寄件流程圖

2.2 用戶寄件流程

用戶的寄件流程如圖3所示。用戶先將要寄物件放到與顯示屏相連的稱重器上，稱重器直接將重量信息反饋到顯示屏上，選擇寄件模式后，選擇快遞公司，用戶填寫完快遞單后，根據(jù)重量會顯示郵費(fèi)價(jià)格，用戶刷機(jī)付款之后同時選擇合適的箱子規(guī)格，系統(tǒng)會控制電子鎖打開對應(yīng)的寄件箱門存件。RFID對快遞進(jìn)行掃描，系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、處理，對要寄往的地區(qū)進(jìn)行分類。待存儲物件達(dá)到一定數(shù)量或一定時間，快遞員在系統(tǒng)中核實(shí)身份后，選擇取件，系統(tǒng)一次性打開所有寄件箱門，方便快遞員進(jìn)行分地區(qū)派送。

圖4：單片機(jī)控制流程圖

3 單片機(jī)模塊

本文選擇的MSP430系列單片機(jī)，與89C51、52等系列單片機(jī)相比較，具有運(yùn)算速度快，超低功耗，片內(nèi)資源豐富，開發(fā)環(huán)境簡單等優(yōu)點(diǎn)，因此我們選擇其作為系統(tǒng)控制核心。它的主要作用是接收紅外對管的消息，以便于檢測電磁門鎖的狀態(tài)。

箱體部分的核心是MSP430F149單片機(jī)，它與電磁鎖、重力傳感器、報(bào)警器、射頻卡等硬件設(shè)備結(jié)合共同實(shí)現(xiàn)智能快遞柜的存取功能。電磁鎖模塊用于檢測快遞柜電磁門鎖的狀態(tài)，射頻卡用于掃描驗(yàn)證快遞員的身份，短信模塊用于向收件人發(fā)送快遞信息提醒，以便及時取件。具體單片機(jī)控制流程如圖4左側(cè)模塊所示。

3.1 箱體部分功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1.1 電磁鎖設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本文選擇紅外對管控制快遞柜的開合。它由電磁繼電器，直流5V電子鎖和紅外對管組成。當(dāng)快遞柜處于關(guān)閉狀態(tài)時，紅外對管信號線輸出低電平；當(dāng)快遞柜處于打開狀態(tài)使，紅外對管信號線輸出高電平。信號線接入單片機(jī)IO端口，以便于檢測快遞柜電磁門鎖的狀態(tài)。

3.1.2 測重設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本文通過重力傳感器、液晶顯示、報(bào)警器和主控單片機(jī)等部件實(shí)現(xiàn)用戶寄件時的稱重功能。通過重力傳感器測量信號，輸入信號通過放大信號系統(tǒng)，再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器將放大后的信號輸送給CPU控制系統(tǒng)，用液晶顯示屏系統(tǒng)顯示數(shù)據(jù)，報(bào)警器系統(tǒng)用來防止超重?fù)p壞稱重器。以MSP430F149單片機(jī)為主控芯片，與稱重電路、顯示電路、報(bào)警電路等構(gòu)成稱重系統(tǒng)電路板，從而實(shí)現(xiàn)用戶寄件時自動稱重的各種控制功能。

3.1.3 射頻身份識別設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

該部分由單片機(jī)、感應(yīng)讀卡機(jī)模塊、顯示模塊組成，它們共同完成讀卡校驗(yàn)快遞員身份的任務(wù)。其中讀卡機(jī)模塊對非接觸式RFID晶片進(jìn)行讀入，進(jìn)而由單片機(jī)進(jìn)行卡號比較驗(yàn)證身份。

3.2 無線通信

本文通過四信3G/4G無線工業(yè)路由器F3424提供網(wǎng)絡(luò)接入，同時與后臺服務(wù)器建立IPSEC連接，各地區(qū)快遞柜站點(diǎn)均可通過IPSEC加密后將相關(guān)數(shù)據(jù)上報(bào)到后臺服務(wù)器，以便運(yùn)營商通過后臺服務(wù)器對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)管理，以及遠(yuǎn)程監(jiān)控等。

此外，3G/4G無線工業(yè)路由器F3424同時完成了獨(dú)立無線WIFI網(wǎng)絡(luò)覆蓋，顧客可以通過各類手持終端連接WIFI上網(wǎng)。快遞終端也可通過網(wǎng)絡(luò)頁面向顧客投放廣告，以擴(kuò)展快遞行業(yè)的效益。

3.3 后臺部分功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

后臺部分主要由上位機(jī)、打印機(jī)、攝像頭等組成，面向用戶，以方便用戶完成取件與寄件流程[10]?？刂屏鞒倘鐖D4右側(cè)模塊所示。

上位機(jī)部分由Java等高級語言進(jìn)行程序編寫，以完成取件及寄件流程中的各個步驟，用戶通過觸摸屏實(shí)現(xiàn)具體操作。打印機(jī)與上位機(jī)連接，在用戶寄件時打印快遞單。攝像頭用來監(jiān)視用戶取寄件及快遞員派送過程，實(shí)現(xiàn)過程透明化，提供安全保障。

根據(jù)本系統(tǒng)的功能和單片機(jī)的工作條件，設(shè)計(jì)出智能快遞存取系統(tǒng)的硬件電路，圖5為MSP430F149單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖，包括單片機(jī)芯片、AD電壓電路、晶振電路、復(fù)位電路、JTAG下載電路。本系統(tǒng)主要是對智能快遞柜的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測并控制其有效運(yùn)行，同時與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

圖5中電源模塊的穩(wěn)定可靠性是系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行的前提和基礎(chǔ)。圖5中左下角部分是在單片機(jī)的復(fù)位引腳RST上外接一個電阻和一個電容，實(shí)現(xiàn)復(fù)位，其作用是把電路初始化到一個確定的狀態(tài)。圖5中上面部分是振蕩電路，單片機(jī)晶振與兩個電容相連，其作用是為系統(tǒng)提供基本的時鐘信號。

4 結(jié)束語

圖5：MSP430單片機(jī)最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)圖

該智能快遞存取柜以MSP430F149單片機(jī)為核心，與電磁門系統(tǒng)、測重模塊、射頻卡模塊、無線通信模塊等相結(jié)合，主要實(shí)現(xiàn)了用戶寄取流程中柜門自動開合，寄件時智能測重并計(jì)算郵費(fèi)，智能識別快遞員身份，智能派件等功能，使人機(jī)趨于一體化，大大降低了快遞行業(yè)的運(yùn)營成本，提高了工作效率。此外，本智能快遞柜在箱體設(shè)計(jì)部分，通過大量的信息統(tǒng)籌，設(shè)計(jì)了較為合理的尺寸。因此本文提出的智能快遞系統(tǒng)為物流配送行業(yè)帶來新的發(fā)展方向，系統(tǒng)將應(yīng)用于更加廣泛的市場。

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王月坤（1996-），女，河南省南陽市人。大學(xué)本科學(xué)歷。主要研究方向?yàn)橥ㄐ殴こ碳坝?jì)算機(jī)應(yīng)用。

作者單位 河南師范大學(xué) 河南省新鄉(xiāng)市 453007

河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目(16A520015)；河南師范大學(xué)博士啟動課題(qd15131)。