基于蓝牙散射网的远程验视智能寄件箱设计

吴蓬勃，李 莉，张金燕，李学海

(1.石家庄邮电职业技术学院， 电信工程系， 石家庄 050021；2.河北电信设计咨询有限公司， 信息应用咨询院， 石家庄 050021)

基于蓝牙散射网的远程验视智能寄件箱设计

吴蓬勃1，李 莉1，张金燕2，李学海1

(1.石家庄邮电职业技术学院， 电信工程系， 石家庄 050021；2.河北电信设计咨询有限公司， 信息应用咨询院， 石家庄 050021)

根据快递收件时必须“先验视，后封箱”的规定，设计了具备远程验视功能的智能寄件箱。基于远程音视频传输、远程机器手臂控制、违规气体探测等功能实现了快件远程验视，杜绝了不同快递员验视标准不一致或者不验视等问题的出现；基于nRF52832构建了蓝牙散射网，实现了机械手臂、中控计算机、手机或PDA的无线连接，使得该系统可无缝融入现有快递柜系统中，降低了系统成本；基于自动体积测量技术，实现了格口的自动适配选择，避免了空间资源的浪费。经运行测试，该系统性能稳定、操作方便，各项性能达到了设计要求。

蓝牙散射网; 远程验视; 寄件箱; nRF52832; 机械手臂

0 引 言

近年来，随着中国电子商务和网上购物的快速发展，全国已有上千万家网店和上亿个网购用户，随之而来的是快递包裹数量的快速上涨。智能快递柜的出现，大大降低了快递公司的人力成本；解决了派送时间与消费者接货时间不一致等问题，提高了投递效率，成为解决快件投递“最后1 km”问题的一个有效途径。

但是，智能快递柜目前只能解决快递投递环节的客户取件问题；并不能解决客户的寄件问题，客户寄件必须要到邮政窗口办理或者等待快递员上门取货，到邮政窗口办理会受到邮局营业时间的限制，等待快递员上门取货也较浪费时间，用户感觉诸多不便。

为了解决客户24 h寄件的问题，国内很多快递企业已研发了快递自助寄件机，但目前只能实现包裹的“代收”功能，不能实现“验视”功能，对于包裹的安全问题，并未做任何检查。随着“夺命快递”[1]等问题的出现，快递包裹的安全问题，受到了广泛重视，国家邮政局于2015年7月印发了《邮件快件收寄验视规定(试行)》的通知，通知第九条(三)要求“当面验视用户交寄的物品”[2]。国家邮政局于2015年11 月2 日公布《集中开展寄递渠道清理整顿专项行动实施方案》，全面推进“收寄验视、实名收寄、过机安检”3 项措施。方案要求， 在收寄验视环节，要求一律先验视、后封箱。按照“谁收寄、谁负责”的原则，明确收寄验视责任，制定收寄验视规程，加强对危险化学品、易燃易爆物品的收寄把关[3]。

基于国家邮政局对寄件时“当面验视”和“一律先验视、后封箱”的要求，以及客户对寄件的实际需求，研发设计了一种可实现远程验视的智能寄件箱：24 h值班的客服人员，可通过摄像头(视觉、听觉)、气体传感器(嗅觉)、机械手臂(姿态)等设备，实现对客户寄递包裹的远程验视；通过自动称重结合寄递信息，实现自动计费；通过自动体积测量设备实现格口大小自动选择，提高资源利用率；基于蓝牙散射网，系统可非常方便的融入现有自助收件箱系统，充分利用其格口资源、显示设备、视频设备等，在丰富功能的同时，最大限度降低成本。相信该智能寄件箱的研制成功必将为快递行业带来新的增长点。

1 总体规划

图1所示为寄件验视动作分解图，由图可见，快递员在进行包裹验视时，分为视觉、嗅觉、听觉、语音和姿态几个组成部分。即快递员首先要用手臂打开包裹，用眼睛检查包裹内的货物是否合规、用鼻子闻是否有违禁物品、通过嘴和耳朵与客户进行交流；此外，还需要通过电子秤测量包裹重量，请客户填写快递单，将写好的快递单粘贴到包裹上，从而完成一次寄件过程。

图1 寄件验视动作分解

通过对寄件动作的分解，结合现有快递收件柜的结构，本文提出了一种远程验视寄件系统，系统框架图如图2所示，主要包括视觉(IP摄像头)、语音对讲、嗅觉(气体传感器)、姿态(机械手臂)、称重(电子台秤)、体积测量等部分；此外还包括现有快递收件柜的中控计算机、触摸屏、标签打印机和格口控制单元等设备。

图2 远程验视寄件系统结构图

其中，IP摄像头有2个，一个是用于寄件箱外环境视频采集的高清摄像头，另外一个是用于包裹验视的针孔摄像头。IP摄像头和语音对讲系统均连接到网络硬盘录像机，24 h远程客服可通过网络实时查看包裹、并与客户进行语音交流。嗅觉传感器可进行汽油、煤油、酒精等违规物品的检测。验视摄像头和嗅觉传感器安装均按照在六自由度机械手臂夹手附近，可实现打开包裹、调整视频姿态、近距离嗅觉探测等动作。体积测量单元可实现包裹的体积测量，用于合适大小空闲格口选择，实现包裹的智能存放。电子台秤实现包裹称重，费用计算。

嗅觉传感器、体积测量和电子台秤通过有线连接控制单元，六自由度机械手臂、中控计算机以及用户手机或快递员PDA均通过蓝牙BLE4.0连接控制单元，用户和快递员可通过中控计算机所连接的触摸屏、手机或PDA任何一种方式来实现包裹的寄递和收取。中控计算机可实现信息的采集和设备控制，同时远程客服人员也可通过中控计算机远程控制机械臂和获取嗅觉信息。将寄件箱通过蓝牙BLE连接中控计算机，省去了布线带来的麻烦，最大限度降低了对现有收件箱的改造。

寄件箱设备布局图如图3所示，整体为一个立方体铝合金框架，前面为包裹入口，机械臂、嗅觉传感器和摄像头吊装在顶部，方便对包裹进行验视操作；底部是电子台秤，可实现包裹称重操作；电子秤四周是2组光栅测量模块，结合后侧安装在丝杠上的龙门架式可垂直升降机构，可实现包裹长、宽和高的测量。麦克风、音箱和环境摄像头安装在框架顶部。

图3 寄件箱设备布局图

2 系统硬件设计

系统硬件部分主要包括nRF52832(后面简称nRF52)处理器单元、体积测量单元、气体传感器单元、电子台秤；机械臂控制单元、中控机蓝牙转串口模块等部分，如图4所示。其中，体积测量单元包括2路光栅测量模块及其驱动电路、Z轴步进电机和丝杠；机械手臂由具有蓝牙接口的舵机驱动板进行控制；蓝牙驱动板、中控计算机和用户手机或快递员PDA均通过蓝牙4.0连接nRF52。

图4 系统硬件设计框图

2.1蓝牙散射网构建

一个蓝牙主设备和最多7个从设备可以构成蓝牙微微网(Piconet)，其中的主设备也可作为另外一个微微网的从设备，其中的从设备也可基于时分复用机制加入到其他的蓝牙微微网中，从而构成蓝牙散射网(ScatterNet)[4-6]。

在本系统中，基于具备MultiRoles功能的nRF52构建蓝牙散射网，如图5所示。在该散射网中，nRF52作为Central设备连接Peripheral设备：蓝牙舵机驱动板、中控计算机蓝牙串口模块，构建蓝牙微微网A；nRF52作为Peripheral设备连接Central设备：手机或者PDA，构建蓝牙微微网B；蓝牙微微网A和B构建蓝牙散射网，实现4种设备间的互联互通。中控计算机可通过蓝牙微微网A向nRF52发送体积测量、称重、执行验视操作等指令，nRF52也可向蓝牙舵机发送机械手臂控制指令；用户手机或者快递员PDA可通过蓝牙微微网B向nRF52发送连接请求，进行数据通信。

图5 蓝牙散射网结构图

2.2nRF52处理器单元

本系统采用Nordic 公司的nRF52作为智能寄件箱控制单元的处理器。nRF52为支持Bluetooth Smart(即：低功耗蓝牙BLE)、ANT/ANT+和2.4 GHz RF的无线多协议处理器，集成了32位ARM Cortex-M4F CPU、512KB Flash(除去协议栈占用空间，用户可用空间为400KB)和64KB RAM，处理器速度可达64 MHz[7-8]。 与传统MCU的IRQ中断需要CPU干预不同，nRF52所特有的PPI(Programmable Peripheral Interconnect)机制使得外设之间事件可独立于CPU进行连接，无需占用CPU资源[9]。 nRF52具备SPI、UART、ADC、PWM等多种外设接口，基于其EasyDMA技术，外设可直接访问内部RAM，而不需CPU的干预；而且其大部分外设接口可通过编程设置对应的物理引脚，使其具备了类似CPLD的功能，大大方便了PCB布线。同时该芯片还具备了NFC接口，可实现触摸配对(Touch-to-Pair)功能。

图6是nRF52最小系统原理图，该芯片共有32个IO口，除去2个32.768 kHz的RTC实时时钟口和2个NFC天线接口，用户可以使用的IO口共28个，其中包括了12 bit分辨率的8通道ADC接口。在本系统中，1路串口连接电子台秤；3路ADC用于连接3种气体传感器，实现违规物品嗅觉探测；4路IO口用于步进电机控制，14路IO用于体积测量。

2.3六自由度机械手臂控制

六自由度机械手臂由蓝牙舵机控制板控制，蓝牙舵机控制板由：STC单片机、6路舵机控制接口、过流保护电路、蓝牙串口模块等部分组成。

六自由度机械手臂结构如图7所示，其中包括6路舵机，可抓举500 g物品。在此，将6路舵机进行功能定义：舵机6(回转舵机)、舵机5(大臂舵机)、舵机4(中臂舵机)、舵机3(小臂舵机)、舵机2(爪回转舵机)、舵机1(爪开合舵机)。

图6 nRF52832最小系统原理图

图7 六自由度机械手臂构图

为实现机械手臂的远程控制，在远程客服端引入两路摇杆[10-12]，其中：左摇杆为二维摇杆，右摇杆为三维摇杆(除了二维摇杆的功能外，增加了Z向旋钮和旋钮中间的按键)；两路摇杆通过RS232串口连接到远程客服计算机，经信号处理后，通过网络连接到寄件箱的中控计算机，中控计算机再通过蓝牙微微网控制机械臂动作。

两路摇杆对机械臂的控制采用矢量方式，即：摇杆数值正负代表控制方向，摇杆数值大小代表控制速度。具体控制策略如图8和表1所示。左侧二维摇杆控制回转臂和中臂的动作；右侧三维摇杆控制大臂、小臂、爪开合和爪回转的动作。

2.4体积测量单元

本寄件箱体积测量的目的，主要是为用户选择合适大小的格口，即：判断用户包裹应该存放在大、中、小型哪种格口。

参照中华人民共和国邮政行业标准：YZ/T 0133-2013《智能快件箱》[13]，在标准7.1.4节中列出了智能快件箱格口内空间尺寸，如表2所示。

图8 机器手臂双摇杆控制策略

表1 机械臂双摇杆控制策略

表2 格口内空间尺寸[13] mm

在YZ/T 0133-2013标准中设置了宽度、深度和高度的范围，但高度未设置上限；参照中国邮政集团公司暂行规范：Q/ZX 002-2014《室内型智能包裹柜技术要求》[14]，在规范8.2.3节表2中，所列高度的最大值为440 mm，本系统参照这两个标准，设置本智能寄件箱所能放置包裹的最大尺寸为： 450 mm×600 mm×450 mm(宽×深×高)。

系统基于650 nm红色激光头作为发射端，使用光电接收管作为接收端，基于光线的遮挡原理，构建对射激光光栅，实现对格口内包裹体积的测量。通过表2可看出，格口的最关键尺寸是高度，宽度和深度对精度要求不高，为了应对不同的测量精度要求，本系统的宽度光栅固定安装在箱体底端，激光间距为20 mm，即测量误差为±10 mm；深度和高度测量光栅为可垂直移动光栅，处于底端时可测量包裹长度(即对应的深度)，通过步距角为1.8°的42步进电动机带动固定于垂直丝杠上的对射光栅向箱体上方移动，当光栅间的激光信号均不被遮挡时，根据步进电动机旋转角度计算丝杠的行程，即可得到包裹的高度。从而实现了包裹宽度和长度的静态测量，对高度的精确动态测量。

本系统中，宽度测量最大为450 mm，深度测量最大为600 mm，激光间距为20 mm，由此可计算出宽度和深度测量各需要23路和30路激光对射单元，nRF52最多只有32个IO口，远远不能满足要求，所以需要做IO扩展，本系统使用74LS165实现串并转换，宽度和深度测量各使用了23/8≈3片和30/8≈4片74LS165，图9列出了深度测量的IO口扩展电路。由此，可得出宽度和深度测量光栅接收单元共需8个IO口；对应的两路激光发射单元，通过2个IO口控制继电器实现开关控制；步进电动机占用4路IO口；因此，体积测量部分，共占用nRF52 14个IO口。

图9 多路光电接收管信号采集电路图

3 系统软件设计

3.1软件工作流程

系统软件工作流程图如图10所示，客户首先通过触摸屏输入寄递信息；然后通过按钮呼叫远程客服，在客服的语音指导下，客户将打开的包裹放入寄件箱；远程客服远程控制机械臂动作，进行远程验视操作，如果验视过程中看到疑似违禁物品或者嗅觉传感器报警，则停止验视操作，远程客服与客户进行语音交流；如果确认为违禁物品，则请客户取回包裹，本次服务结束；如果经过确认不是违禁物品，则语音告知客户取出包裹进行封装。然后客户重新将包裹放入寄件箱，进行称重和体积测量；中控计算机根据重量和寄递距离计算费用，并控制标签打印机打印标签；客户取出包裹粘贴标签；中控计算机控制合适体积的空闲格口打开，客户将包裹放入对应的格口，本次服务完成。

图10 远程寄件系统软件工作流程

3.2基于nRF52的蓝牙散射网构建

在本系统中，基于nRF52的MultiRoles功能，实现了蓝牙散射网的构建，在2.1节中已经有详细的描述。本部分主要介绍nRF52分别作为Central和Peripheral与蓝牙舵机驱动板(Peripheral)和手机(Central)的连接流程。具体流程如图11所示。

首先，nRF52对端口和外设进行初始化(如IO口，ADC单元等)。然后，进行BLE堆栈初始化ble_stack_init，其中包括初始化协议栈SoftDevice和设置BLE事件处理中断，中断包括两种，一种为BLE事件处理中断ble_evt_dispatch，此部分为蓝牙通信的核心部分，由于BLE的特点是连接快速、功耗极低，故对于BLE事件都采用中断处理方式，平时处于睡眠状态以降低功耗，此部分中断函数包括：nRF52作为Peripheral时的事件处理函数(如：外设的GAP和GATT事件处理函数on_ble_peripheral_evt，广播事件处理函数ble_advertising_on_ble_evt，连接事件处理函数ble_conn_params_on_ble_evt，以及用户事件处理函数ble_appP_on_ble_evt)，nRF52作为Central时的事件处理函数(如：外设发现函数ble_db_discovery_on_ble_evt，用户事件处理函数ble_appC_on_ble_evt，如GAP连接或断开事件、GAP连接参数更新请求事件等)；另外一种中断是系统事件中断处理函数sys_evt_dispatch，主要是对内部Flash的操作。然后，开始进行配对管理初始化peer_manager_init和设备发现初始化db_discovery_init；接着配置GAP参数gap_params_init和配置连接参数conn_params_init；进行服务初始化services_init，主要涉及外设、设备信息等服务的初始化；广播初始化advertising_init；启动广播和广播扫描adv_scan_start。最后，进入睡眠模式power_manage，当发生GAP连接事件或GATT数据通信事件时，nRF52会从睡眠模式唤醒，进行事件处理，处理完成后重新进入睡眠模式。

图11 nRF52的MultiRoles工作流程

当两个设备通过BLE建立连接后，就开始通过BLE协议栈的GATT层进行数据通信了。两个设备，其中有一方为GATT服务器的角色，另外一方为GATT客户端角色，GATT服务端是负责提供数据服务的设备，GATT客户端是从GATT服务器读写数据的设备。BLE数据通信方式有：读属性ReadAttr、写属性WriteAttr、通知Notify和指示Indication，其中前两者需由GATT客户端发起；后两者是由GATT服务器发起，其中指示Indication必须确认特性值被接收后才可进行下一个数据的传输，而通知Notify不需要[15-16]。

本系统设置nRF52为GATT服务器，蓝牙舵机板、中控机蓝牙模块、手机或PDA为GATT客户端，为了实现数据的可靠传输，nRF52作为GATT服务器向GATT客户端发送数据使用指示Indication实现，GATT客服端向nRF52发送数据使用写属性WriteAttr实现。

4 测试验证

根据系统的设计方案，进行了样机试制，并对样机进行了功能测试。样机实现了对于寄件包裹的远程验视功能(包括：视频传输、嗅觉探测、机械臂控制等功能)、自动称重功能、自动体积测量功能。图12所示为样机实物图。

图12 样机实物图

5 结 语

基于蓝牙散射网的远程验视智能寄件箱实现了远程验视、自动计费、智能存储等多项功能。基于远程客服的验视方法，杜绝了不同快递员验视标准不一致或者不验视等问题；同时也实现了客户与验视员对包裹的同场验视，杜绝客户包裹内货物丢失导致的责任划分问题的出现。通过对包裹体积自动测量，实现了格口的自动适配选择，避免了资源浪费。另外，基于nRF52构建的蓝牙散射网，本系统可无缝融入现有的快递取件箱设备软硬件系统，利用现有的空闲格口、显示器、打印机等设备，只需更新软件功能，添加一个验视箱即可，最大程度上优化了功能、解决资源的浪费。

[1] 张三石.夺命快递：缘于“收寄验视”“城门”失守[N].工人日报,2014-01-04(5).

[2] 国家邮政局办公室.关于印发《邮件快件收寄验视规定(试行)》的通知[EB/OL].http://zjhz.spb.gov.cn/scjg_3781/201508/t20150814_604595.html,2015-07-15.

[3] 国家邮政局官网.国家邮政局开展寄递渠道专项清理整顿[EB/OL].http://www.spb.gov.cn/dtxx_15079/201511/t20151102_672746.html,2015-11-02

[4] 陆瑶瑶.蓝牙无线实时视频系统设计[D].西安:西安电子科技大学,2012: 49-52.

[5] 孙惠章.基于蓝牙设备构建家庭微网系统[J].青海师范大学学报(自然科学版),2002(3): 56-58.

[6] 王春娜.蓝牙微微网吞吐量分析及仿真[D].长春:吉林大学,2007: 7-22.

[7] NORDIC SEMICONDUCTOR.nRF52832 - Product Specification v1.0[EB/OL].http://www.nordicsemi.com/,2016-02-01.

[8] 刘百芬,李图之,陈鹏展,等.基于nRF51822的汽车无线姿态测量系统设计[J].科学技术与工程,2014,14(17): 87-90.

[9] 谭 晖.低功耗蓝牙开发与实践[M].北京:北京航空航天大学出版社,2016: 92.

[10] 陈义平,时 颖,袁明明.多功能教学用机器人的设计与实现[J].实验室研究与探索,2013,32(2): 84-87.

[11] 张作青.大型反恐排爆机器人远程控制系统设计[D].上海:上海交通大学,2013: 45-59.

[12] 许家紫.多关节机械臂式排爆机器人的设计[D].合肥:安徽大学,2014: 26-31.

[13] YZT 0133-2013 智能快件箱[S].

[14] Q/ZX 0002—2014,室内型智能包裹柜技术要求[S] .

[15] 欧阳骏,陈子龙,黄宁淋.蓝牙4.0BLE开发完全手册[M].北京:化学工业出版社,2013: 180-202.

[16] [英] Robin Heydon 著；低功耗蓝牙开发权威指南[M].陈灿峰,刘 嘉,译.北京:机械工业出版社,2014: 128-205.

Design of Intelligent Mail Box with Remote Visual Inspection Based on Bluetooth Scatter Net

WUPengbo1,LIli1,ZHANGJinyan2,LIXuehai1

(1.Department of Telecommunication Engineering,Shijiazhuang Post & Communication Technology Institute,Shijiazhuang 050021,China; 2.Application of Information Consulting Institute,Hebei Communication Design & Consultation Co.,Ltd.,Shijiazhuang 050021,China)

The paper designed a kind of intelligent mail box with remote visual inspection function based on the rule of “a visual examination must be made before the closing of mail box” when the courier receiving the packages.The remote visual inspection on express packages was designed based on the remote audio and video transmission,remote robot control and illegal gas detection and other functions.Hence it prevented the operators from different visual inspection standards or no visual inspection.A Bluetooth scatter net based on nRF52832 realized wireless connection of the manipulator arm,the main control computer,mobile phone or PDA,so that the system could be seamlessly integrated into the existing express cabinet system,the cost of the system was reduced.The automatic volume measurement technology could automatically open,the appropriate size of grid for the package could avoid the waste of space resources.After operation tests,the system has stable performance and convenient operation,and the performance of the system has reached the design requirements.

bluetooth scatter net; visual inspection; mail box; nRF52832; robot arm

2016-10-13

河北省科技计划项目(16214706)；河北省高等学校科学技术研究青年基金项目(QN2015326);石家庄邮电职业技术学院科研项目(YB201405,ZD201408)

吴蓬勃(1980-)，男，河北辛集人，硕士，讲师，主要研究方向：嵌入式系统开发、物联网技术。

Tel.：18931368610; E-mail：wpb3dm@126.com

TP 29

：A

1006-7167(2017)07-0080-06