多功能快递存取柜的设计与实现

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

（1.兰州城市学院 电子与信息工程学院，甘肃 兰州 730070；2.天水华天科技股份有限公司，甘肃 天水 741000）

1 研究背景及意义

当今时代，网上购物已成为人们生活的一种习惯。本项目即针对当今生活中快递业的快速发展情况，避免直接人力配送、自取快递等不便，设计一套可实现自助存放、取件、称重收费、超时收费等主要功能，辅以WEB可视化应用界面、智能化照明、无线视频监控功能的智能型快递存取柜系统，将快递终端实现全自助化[1]。

2 系统设计方案

本系统由GSM通信模块、称重模块、钱币识别模块、密钥输入模块、单片机主控制模块、电磁锁开柜模块、无线ZigBee CC2530接收模块、电脑WEB可视化界面模块等组成，以单片机为核心，共同完成对快递的存—取—寄，无需人工等待。采用太阳能模块进行供电，利用电脑可视化界面查看实时状态。可实现快递员存放并发送验证码功能、用户自助取件功能、用户自助存件功能、电脑WEB可视化界面四部分，辅以太阳能供电系统、无线视频监控、智能化照明等功能[2]。系统总框图如图1所示。

图1 系统框图

3 系统硬件设计

3.1 供电模块

本功能模块为太阳能电池板和太阳能蓄电池。通过太阳能电池板将太阳能转换成电能，然后进行蓄电，市电正常时，采用市电进行供电；当市电不能供电时，启用太阳能进行供电。充电控制，在蓄电池未达到饱和状态时对电池进行充电；防过充电路，在蓄电池达到饱和时停止充电；防过放电路，在蓄电池电能严重不足时停止电压的输出；稳压电路，将电压转化为稳定的期望值。

3.2 感知层技术

3.2.1 称重模块

采用与主体电路分开的设计方式，可以单独作为一部分使用，采用单片机为主控芯片，利用HX711压力传感器进行称重，LCD12864为显示界面。HX711是一款专为高精度称重传感器而设计的24位A/D转换器芯片[3]。物体称重所采用的是桥式压力传感器，系统通过传感器将压力这种物理量转化为电信号，即传感器内部的电阻应变片感应到压力后，电阻发生微小变化，通过全桥测量电路将电阻的微小变化转化成电压的微小变化，HX711将信号调整到A/D能采集的范围，然后由A/D进行采集，接着把采集到的24位高低电平通过DOUT送到单片机进行处理，单片机处理后，把数字信号输送到显示电路，显示电路输出测量结果。

3.2.2 钱币识别模块

硬币识别主要通过识别硬币的材料和尺寸来判别硬币的真伪及币值，不同币值的硬币在尺寸重量上有明显差别。硬币进入到由电感与电容组成的特定传感区域时，质量和体积的区别会对电感与电容产生轻微的影响，电容量与电感量的变化也会引起频率的变化，检测到的振荡频率与系统中存在的频率进行比对。本系统使用GD007投币器，用测量放大器把电压信号进行放大，然后在电压比较器中与设定的值进行对比，把这个模拟信号由A/D转换器转化成数字信号，再把数字信号直接传输到单片机控制的电路以完成对金属硬币的识别。

纸币识别器由主控部分、传感器部件、驱灯组件、A/D转换器、外部存储、电机、模式选择、电源板等组成一个单片机控制的系统，通过多个接口把紫光、磁性、红外穿透引入主控器。把正常钞票在各传感器接收到的信号进行统计取样、识别，并寄存起来，作为检测的依据。当识别纸币的真伪时，把在各通道接口接收到的信号参数与原寄存起来的信号参数进行比较、判断，若有明显差异时，立即送出报警信号并截停电机，同时送出对应的信号提示。本系统采用HC200型纸币识别器，是新一代的高安全性的纸币识别器，可接收多种不同类型的货币，具有自动感应调整系统、维护容易、最佳化辨别系统、优异的防盗设计整体结构、轻巧耐用等优点。

本系统的纸币和硬币识别器均通过P3口进行通信和控制，在收到纸币接收器或者硬币接收器的脉冲数据的时候，通过P3口把数据传给单片机，单片机根据收到的数据，分析收到硬币或者纸币的金额[4]。

3.2.3 管理员射频管理模块

射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）技术，又称无线射频识别，射频识别技术是伴随着无线电技术和大规模集成电路的普及出现的一项主要进行数据的采集和自动识别的技术，可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。

本设计采用MFRC522芯片来实现IC卡读取功能。MFRC522是应用于13.56MHz非接触式通信中高集成度读写卡，每一张IC卡都具有全球唯一的ID码，可以来确定每位快递员的身份信息。在本设计中使用MFRC522作为管理员射频开锁模块，管理员可以使用此射频卡一次性打开所有的箱柜，进行管理员模式下的存件功能时打开柜门。

箱柜部分及开锁部分，使用8个继电器及LED灯代替8个箱柜，每一个继电器连接至单片机P1口上。当相应的LED灯亮时，代表相应柜门打开，当相应的LED灯灭时，代表相应柜门关闭，若管理员要同时打开所有的柜子时，只需刷管理员所持射频卡，所有的柜子就会打开。

3.2.4 智能化照明模块

本功能使用模块为光敏传感器和照明灯。通过光敏传感器识别当前光线强弱，当光线强时关闭照明装置，光线弱时自动开启照明装置，用以快递柜前辅助照明的功能。当外界环境光照强时，光敏电阻阻值较小，通过A/D转换将模拟信号转换为数字信号并将数据发送到单片机中，控制照明灯熄灭；当外界环境光照较弱时，光敏电阻阻值增大，同样通过A/D转换把模拟信号转换为数字信号，并将数据发送至单片机，控制照明灯点亮。

3.3 传输层技术

3.3.1 无线发射与接收模块

ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低成本的双向无线通讯技术，主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。

本系统采用基于CC2530的无线收发模块，其可以进行点对点地传送和广播模式的传送，在本设计中采用了广播模式来传送数据。此模式有传送数据较远、透传数据等的优点，其发射部分与单片机的串口相连接，接收模块则是通过串口跟电脑连接。

3.3.2 GSM通信模块

GSM通信，即全球移动通信系统（Global System for Mobile Communication）。本设计的GSM通信模块采用SIM900A芯片，主要实现将取件验证码通过此模块以短信的方式发送至取件人手机上。此模块采用串口通信，开发板一般都包含有TTL接口，把电压控制器接连到SIM900A模块的RS232接口或者TTL接口。在硬件连接完成之后，通过串口来发送AT指令。

3.3.3 无线视频监控模块

本功能模块为无线视频采集模块和HLK-RM04无线模块。通过无线视频采集模块采集到快递柜实时画面，HLK-RM04无线模块将视频数据信息通过WIFI接口传输至手机或电脑界面上。HLK-RM04是海凌科电子推出的低成本嵌入式UART-ETH-WIFI（串口—以太网—无线网）模块。本产品是基于通用串行接口的符合网络标准的嵌入式模块，内置TCP/IP协议栈，能够实现用户串口、以太网、无线网（WIFI） 3个接口之间的转换。通过HLK-RM04模块，传统的串口设备在不需要更改任何配置的情况下，即可通过Internet网络传输自己的数据，为用户的串口设备通过网络传输数据提供快速的解决方案。

4 系统软件设计

4.1 主程序C语言开发

主程序中，首先要对系统进行初始化的编程。软件方面主要有51单片机系统的初始化编辑，软件方面会有一些标志位的赋值、变量的定义、定义按钮、位定义与液位开关的I/O口。整个主程序包括一个main（）函数，而在函数体中包括了程序中所有的要运转的程序，它是程序的主体部分，更是一个程序运行的开始部分和结束部分，其在主程序中是可以随意的进行调用别的方法来实现其功能的，但是不能跳出主程序。

本系统中，首先判断是否有按键按下，然后判断所按下按键为1键、2键或3键，若为1键，则进入快递员放件功能，若为2键，则进入用户取件功能，若为3键，则进入用户寄件功能。

4.2 串口收发数据程序设计

STC89C52中内嵌的一个功能是串口，通过P3.0口与P3.1口就可以实现数据的接收与发射。编写抽口发射的数据时应注意串口的波特率，这是保证数据传输的必要条件，只有保证接收和发射的波特率是一样的才能进行数据间的交流。本设计采用的是串口的办法。可设置相应串口的波特率，本系统使用波特率为9 600bps，根据波特率公式计算出TH0和TH1的值。通过初始化程序可以设定串口的波特率及工作方式，可以为后面的数据的发射做好准备，发射的程序是把特定的数据发送给发射模块。

4.3 电脑WEB可视化界面技术

智能快递柜控制系统的电脑WEB可视化界面采用Jsp技术，其中利用了Java语言实现方法，同时利用Servlet及它提供的COM口的jar包实现与硬件的通信[5]。通过菜单栏打开各个功能的窗口，包括系统启动界面、快递员选柜界面、快递员存件操作界面、用户取件操作界面、用户寄件称重操作界面等。

5 设计结论

本项目综合运用无线通信、电子信息、自动控制、WEB开发等技术，通过电路板制作、机械设计安装、电脑可视化平台建设，实现一套可直接应用于各生活小区或各高校的全智能化快递柜，能够实现快递自助存取、取件超时收费及寄件称重收费、电脑可视化桌面等功能，系统功能齐备，操作便捷，在现有普通智能快递柜的基础上进行了一定的改进和功能的完善，系统性能稳定可靠，使用效果良好，为现代化物流提供一定的技术支持，可大大提高国民的生活水平和生活质量，节省人力资源和公共应用资源，带来一定的社会影响力。

[1] 杨萌柯.“互联网+”背景下快递末端协同配送模式的构建[J].北京邮电大学学报（社会科学版），2015,17(6):45-49.

[2] 邬航涛.基于物联网的智能快递终端[J].轻工机械，2015,33(3):109-112.

[3] 岳永贤.快递终端客户服务系统的研究与设计[D].武汉：武汉理工大学（硕士学位论文），2011.

[4] 石蕊，郭敦敦.一种带收费功能的智能快递存取柜[P].中国专利：专利号，ZL2016 2 0859181.8，2017-04-05.

[5]Bill Scott.WEB界面设计[M].李松峰,译.北京：电子工业出版社，2015.