基于物联网的智能快递柜系统设计

◎范江波

（三门峡职业技术学院智能制造学院，河南三门峡 472000）

目前随着电子商务的发展，线上购物数量逐年增加，快递公司的业务也越来越繁重，快递派送作为快递的最后一站因时效等问题而日益凸显。尤其是现在大量的快递数据信息掌握在少数快递公司，快递员投送时使用的快递柜基本都是由少数快递公司设计安装在小区，部分老旧偏远小区并没有安装价格昂贵的智能快递柜，快递经常被放置在门卫室或进行二次投放，极大影响了快递投放效率[1-4]，针对小区快递投放需求，设计了一款智能高性价比快递柜，实现快递员快件的投放以及用户便捷取件功能，提高了快递员投送快件的效率，解决了快递最后一百米问题。

1 系统组成

智能快递柜系统有智能快递柜终端设备和智能快递柜控制后台管理程序两大部分组成[5-8]。其中智能快递柜的终端系统包括快递柜柜体、智能快递柜控制板、条码扫描器、RFID 读卡器、4G通信模块、箱格锁控板及电源组成。智能快递柜后台管理系统由数据库、管理操作界面组成。基于物联网技术的智能快递柜的系统组成如图1所示。

图1 基于物联网的智能快递柜系统组成图

智能快递柜终端控制系统主要通过触摸显示屏或者RFID 读卡器获取快递员的登录信息，通过条形码扫描器读取快递件的包裹单号信息，快递员将快递件包裹信息输入后，选择大小合适箱格存放快件，系统通过锁控板打开一个相应的箱格提供快递员放置快递件，并将快件信息通过4G 网络透传至智能快递柜的后台管理系统（云平台上），由云平台将取件密码发送短信给用户。用户通过触摸屏输入取件密码后，控制系统经云平台验证通过后，开启对应快递件放置的相应箱格门，用户取走快递件完成操作。

2 智能快递柜系统硬件电路设计

智能快递柜终端系统硬件采用模块化设计，柜体包含主柜和副柜两种，主柜系统中由STM32核心控制板、工业级条码扫描器、RFID 读卡器、4G 通信模块和锁控板、电源组成。副柜主要包含锁控板、电源两个部分，主柜与副柜之间通过一根带屏蔽的RS485 双绞数据线连接进行数据交互。整个系统的硬件电路结构如图2 所示。

图2 智能快递柜终端硬件电路结构图

2.1 智能快递柜柜体设计

智能快递柜的柜体包含主柜体和副柜体两种，从快递员及快递公司调查信息来看，使用量极大的是中号箱格，大号箱格和小号箱格使用量较小，主柜体设计为16 个中号箱格，副柜可以根据实际需求设计大、中、小设计三种规格，在应用时可以根据实际需要增加副柜的数量，如图3 所示。基础智能快递柜配备了1 个主柜，1 个大号箱格的副柜和1 个中号箱格的副柜。

图3 智能快递柜柜体设计图

2.2 智能快递柜控制器设计

智能快递柜的设备组件多以串口方式交互信息，系统选择具有5 个UART 的STM32F103VET6作为控制器的微处理器，该处理器为32 位Cortex-M 内核，速度可达到72MHz，能够方便实现多串口通信的模块化设计[9-10]，在快递柜控制系统中，微处理器的USART1 设计为串口TTL 接口，满足触摸显示屏TTL 串口通信，USART2、UART4、UART5 设计为RS232 接口，满足条形码扫描器、RFID 读卡器、4G 通信，USART3 设计为RS485 接口，满足主柜和副柜的柜门控制锁孔板RS485 通信，整个系统的通信电路设计如图4 所示。

图4 RS232 通信电路图

2.3 智能快递柜人机接口设计

智能快递柜系统中采用性价比较高的广州大彩组态工业串口屏，该屏通过串口和微处理器通信实现按钮、文本、图片及触摸控制功能，大彩串口屏的串口连接方式选择TTL 电平，减少了RS232 的电平转换电路，该TTL 电平兼容3.3V和5VIO 系统，直接和微处理器STM32F103VET6的RXD、TXD、GND 相连。

2.4 智能快递柜的锁孔板电路设计

智能快递柜系统设计为主柜和副柜两种规格，主柜和副柜中的每个箱格由相应的锁孔板实现电子锁控制[11]，为便于快递柜根据实际需要对箱格数量进行扩展，锁孔板采用RS485 通信接口，每块锁孔板上由6 位的拨码开关设置锁孔板地址，系统最多可以连接64 块锁孔板，通过主控板的STM32F103VET6 的UART3 发出控制指令，当锁控板接收到指令后，根据协议进行解析，对应的锁孔板控制电子锁打开对应箱格，控制电子锁的锁控板使用了FDS4935BZ 场效应管来控制电子锁，由锁控板上微处理器STC15W4K60S4通过三极管控制FDS4935BZ 场效应管的导通与截止，电子锁控制电路如图5 所示。

图5 电子锁控制电路图

2.5 智能快递柜的无线通信电路设计

智能快递柜的安装位置一般在一个小区或企业的门口，不便于安装有线网络，控制系统设计采用4G 技术完成网络数据通信，实现智能快递柜终端与阿里云管理后台的信息交互[12-13]。4G模块选用有人科技公司的USR-G776 模块，该模块提供了RS232 和RS485 两个接口，系统采用RS232 串口与控制板相连，利用物联网卡与互联网通过4G 网络交互数据，通过配置软件设置阿里云管理后台的服务器地址、端口以及注册包信息和串口通信波特率等参数，当该模块通过4G与服务器连接上之后，控制系统通过串口直接将快递员放置快递信息及用户取件时的信息直接发送到4G 模块，数据最终透传到云平台服务器，服务器返回的数据由模块直接发送到STM32F103VET6 的串口，从而实现智能快递柜终端控制板与云平台控制后台数据库的双向数据透明传输。

3 智能快递柜系统软件设计

智能快递柜的终端主要是实现快递员注册、登录、放置快递包裹以及用户查询、提取快件以及管理员登录查询等功能，起到联络快递员、用户、管理员与后台数据交互的作用，一方面把这些人员输入的信息传送到控制后台，然后再根据后台返回的指令信息通过屏幕传递操作人员，同时根据指令打开相应的大中小号箱格门。

3.1 智能快递柜主程序设计

智能快递柜的主程序主要是实现各个模块之间的协调、调用和与控制后台的信息交互功能，主程序首先完成处理器及外设的初始化，启动系统工作，等待快递员或用户操作，当接收到操作指令后，对指令进行解析，根据指令解析结果多分支处理，分别针对快递注册、快递放件、用户查询、用户取件、管理员管理进行处理，在对应分支中按照操作流程完成相应的数据交互与记录。主程序流程图如图6 所示。

图6 系统软件结构框图

3.2 智能快递柜扫码程序设计

智能快递柜扫码程序主要用在快递员登录后，进行放件操作的过程中使用扫码器输入快递单号时启动扫码程序，其余时间扫码程序处于等待状态。当调用扫码程序时，首先将从UART4 接收到的数据存储到缓冲变量ucBarCode_Buffer[]中，然后再将单号转存快递单号信息组中，一方面提供触屏操作显示使用，另外在快递员确认信息后由4G 模块透传至阿里云控制后台。扫码程序部分代码如下：

//串口4 接收的数据依次放入BARCODE 缓冲，串口中断使用

void BARCODE_PushData(uint8_t ucDat){

ucBarCode_Buffer [ucBarCode_Addr] =ucDat;

ucBarCode_Addr++;

}

//串口4 接收的数据放入快递单号信息组中，void BARCODE_Input(void){

uint8_t i=0;

for(i=0;i＜20;i++){

tempPostNum[i] = 0x00;

}

i = 0;

while(ucBarCode_Buffer[i] ！ = 0x0D){

tempPostNum[i] = ucBarCode_Buffer[i];

i++;

}

}

3.3 刷卡程序设计

智能快递柜的刷卡程序主要在快递员放件时快速登录使用[14]，当快递员点击快递员放件图标后触发刷卡程序。刷卡程序首先通过读卡器发现有卡，然后通过串口输出读卡指令，读取指定的块数据，然后将读回的数据放入快递用户登录名和登录密码数据信息组中，在屏幕上显示用户名，密码用*号显示，当快递员点击登录按钮后，控制器将登录名和登录密码通过4G 模块透传至阿里云控制后台比对快递员信息，并返回的云平台比对结果信息。该部分程序流程图如图7 所示。

图7 快递员登录程序流程图

3.4 串口屏驱动程序设计

在控制系统的人机界面设计时，首先利用大彩串口触摸屏的上位机VisualTFT 软件，将预先设计好的背景图片和各种控件进行排版、配置，使用PC 机模拟“虚拟串口屏”，当模拟调试通过后，通过利用USB 连接线下载工程设计文件到串口屏中[15]。当用户触摸屏幕图片或者控件时，控制系统的STM32 微处理器便会通过串口收到下传的按钮等控件ID 值，通过控件ID 值解析，判断出是哪个控件被点击操作，最后经过STM32微处理器程序处理后，按照命令格式发送相应的指令去控制显示器的显示控件及画面显示内容。智能快递柜终端中快递员登录界面设计如图8所示。

图8 快递员登录界面图

智能快递柜的人机界面中串口驱动程序将接收来的控件数据依次放入环形缓冲队列，然后从缓冲队列中依次提取出完整的每一条指令，根据指令类型、消息类型和相应的画面ID 号信息，程序作出不同的处理。智能快递柜人机界面中串口屏程序流程图如图9 所示。

图9 智能快递柜串口屏程序流程图

3.5 智能快递柜管理平台程序设计

智能快递柜系统除了终端设备外，还需要控制后台和数据库的支持，整个智能快递柜的控制后台由C#设计完成[16]，控制后台主要完成与快递柜终端设备的数据信息交互、快递员投件时间、包裹信息存储、用户取件时间、取件单号等存储记录功能。控制后台管理员界面如图10 所示。

图10 智能快递柜控制后台管理员界面图

4 测试

设计完成的智能快递柜系统主要进行了快递员注册、快递员放件、用户取件、用户查询及管理员管理等性能测试。完成的智能快递柜系统在实验室进行了模拟操作测试后，进行样机试制，并投放到市场进行试运行，如图11 所示。两台快递柜在实地测试近1 年时间，在测试过程中解决了系统中快递员操作方法中因不按照流程执行带来的系统紊乱、室外高温、设备防雨、系统通信延迟等问题，同时也收集了大量的修改和完善建议，并对系统进行了升级与完善，目前设备运行良好。通过测试分析，基于物联网技术的智能快递柜系统实现了预定的设计目标。

图11 智能快递柜内部结构及现场测试图

5 结语

利用物联网、条形码、RFID、4G 通信等技术设计完成了智能快递柜系统终端和控制后台软件，实现了快递的智能投递与用户领取的功能，并能够利用云管理系统实现快递员信息登记、充值、快递投放、领取等数据信息的管理工作，系统在长期测试中稳定可靠，解决了快递业最后一百米投递问题。