基于S3C6410的智能快遞投遞箱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

謝潔杰，賴松林，賴云鋒

（福州大學(xué) 物理與信息工程學(xué)院 微納器件與太陽(yáng)能電池研究所，福建 福州350108）

0 引言

近年來(lái)，電商強(qiáng)有力的發(fā)展勢(shì)頭讓快遞物流飛速發(fā)展，然而作為快遞服務(wù)“最后一公里”的派送環(huán)節(jié)，常常在快遞業(yè)務(wù)旺季期間存在配送脫節(jié)、貨件積壓等問(wèn)題[1-2]，因此，快遞投遞箱就被引用進(jìn)來(lái)。目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的智能快遞投遞箱尚處于發(fā)展階段，投遞快件時(shí)需手動(dòng)輸入快遞信息以發(fā)送短信，存件效率不高，且容易導(dǎo)致信息誤填，增加包裹丟失的風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)此，本文提出了一種基于S3C6410的智能快遞投遞箱系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由投遞箱終端和系統(tǒng)服務(wù)器兩大部分構(gòu)成，可實(shí)現(xiàn)對(duì)快件單號(hào)的掃描錄入、短信自動(dòng)發(fā)送、取件密碼驗(yàn)證和對(duì)取件過(guò)程的視頻記錄。

1 總體設(shè)計(jì)方案

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)可適用于城市小區(qū)的智能快遞投遞箱系統(tǒng)。如圖1所示，該系統(tǒng)中以一臺(tái)PC機(jī)作為該小區(qū)中投遞箱終端的系統(tǒng)服務(wù)器，PC服務(wù)器可通過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò)從快遞公司云端服務(wù)器下載和保存該小區(qū)的所有快遞包裹數(shù)據(jù)，采用以太網(wǎng)與投遞箱終端通信，處理來(lái)自終端的功能請(qǐng)求，并通過(guò)UART串口方式驅(qū)動(dòng)GSM模塊發(fā)送中文短信，實(shí)現(xiàn)包裹的自取通知功能。

圖1 智能快遞投遞箱系統(tǒng)框架圖

投遞箱終端采用S3C6410嵌入式系統(tǒng)，運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)，使用Qt4編程，并提供UI交互界面。在快遞員投遞快件過(guò)程中，首先通過(guò)條碼掃描器錄入快遞單號(hào)并將快件存放在指定編號(hào)寄存柜中，之后通過(guò)以太網(wǎng)將快遞信息上傳服務(wù)器以進(jìn)行GSM短信通知和數(shù)據(jù)同步；在客戶取件過(guò)程中，通過(guò)終端輸入設(shè)備對(duì)取件密碼進(jìn)行驗(yàn)證，利用USB攝像頭對(duì)取件過(guò)程進(jìn)行視頻采集編碼，并上傳服務(wù)器存儲(chǔ)。

2 投遞箱終端設(shè)計(jì)

投遞箱終端設(shè)計(jì)框架如圖2所示，嵌入式主控制器通過(guò)UART串口連接寄存柜模塊和快遞條碼掃描模塊，并采用USB總線方式連接視頻采集設(shè)備。

圖2 投遞箱終端硬件框架圖

主控制器以S3C6410嵌入式處理器為核心，結(jié)合外部 ROM/RAM、網(wǎng)卡控制芯片DM9000、鍵盤和電阻觸摸屏N43LCD等，構(gòu)成嵌入式Linux操作系統(tǒng)所需要的硬件基礎(chǔ)。在嵌入式Linux平臺(tái)下的主控制器軟件設(shè)計(jì)中，主控制器與寄存柜模塊和條碼掃描模塊的通信主要是通過(guò)串口API函數(shù)向外圍模塊發(fā)送指令和接收數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)快遞單號(hào)的條碼掃描和指定寄存柜的開關(guān)操作等。視頻采集的實(shí)現(xiàn)主要利用Linux中的V4L2編程架構(gòu)，視頻編碼采用H.264編碼方案，主要是應(yīng)用S3C6410內(nèi)核中的MFC硬件編碼器[3]。主控制與服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)通信采用Socket套接字編程。

2.1 寄存柜模塊設(shè)計(jì)

寄存柜模塊對(duì)外提供UART接口，接收來(lái)自終端主控制的命令數(shù)據(jù)以打開指定編號(hào)的單元柜，并對(duì)箱體門柜進(jìn)行開關(guān)狀態(tài)檢測(cè)。模塊設(shè)計(jì)框架圖如圖3所示。

圖3 寄存柜模塊框架圖

箱體控制電路基于STC89C52單片機(jī)設(shè)計(jì)，其中驅(qū)動(dòng)電路由74LS138譯碼器和三極管反向放大電路構(gòu)成，能根據(jù)單片機(jī)I/O口輸出電平變化而控制箱體單元柜中電磁鎖的開關(guān)，檢測(cè)電路通過(guò)對(duì)箱體單元柜中的干簧管檢測(cè)器的輸出電平判斷出箱體門柜的開關(guān)狀態(tài)，并將檢測(cè)結(jié)果輸入單片機(jī)I/O口。

2.2 視頻采集與實(shí)時(shí)傳輸

投遞箱終端在用戶取件過(guò)程中，需要對(duì)開箱過(guò)程進(jìn)行視頻采集傳輸，并在服務(wù)器上以所取快件的快遞單號(hào)作為文件名保存視頻數(shù)據(jù)。視頻數(shù)據(jù)采集主要利用V4L2視頻捕獲編程驅(qū)動(dòng)中的API函數(shù)，USB攝像頭在主控制器的嵌入式Linux操作系統(tǒng)中映射為一個(gè)設(shè)備文件，在視頻采集過(guò)程中，先打開攝像頭設(shè)備文件并完成設(shè)備初始化，之后通過(guò)ioctl（）函數(shù)發(fā)送視頻采集命令，開始視頻幀的采集。在獲取視頻幀數(shù)據(jù)之后，采用S3C6410內(nèi)部的MFC硬件編解碼器對(duì)其進(jìn)行H.264編碼并傳輸。編碼主要過(guò)程由SsbSipH264EncodeExe（）函數(shù)來(lái)執(zhí)行，對(duì)編碼后的NAL包采用RTP協(xié)議傳輸。

RTP是一種構(gòu)建在UDP之上的實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議。向服務(wù)器發(fā)送RTP視頻包時(shí)，由于UDP傳輸是面向無(wú)連接的且服務(wù)器視頻數(shù)據(jù)的接收方式為一對(duì)多接收，所以為了使服務(wù)器能對(duì)來(lái)自不同終端的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)分，在軟件設(shè)計(jì)中，終端傳輸視頻數(shù)據(jù)前先使用TCP可靠連接與服務(wù)器約定RTP傳輸同步信源標(biāo)識(shí)符，并填入每個(gè)待發(fā)送的RTP包頭中，以區(qū)別于其他終端的RTP視頻包數(shù)據(jù)。其傳輸流程圖如圖4所示。

圖4 視頻傳輸流程圖

3 系統(tǒng)服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)服務(wù)器作為一個(gè)小區(qū)多臺(tái)投遞箱終端的數(shù)據(jù)處理中心，在同一時(shí)刻可與多個(gè)終端建立連接并處理來(lái)自終端的業(yè)務(wù)請(qǐng)求，如包裹信息查詢、短信發(fā)送、視頻傳輸?shù)取Ｆ滠浖O(shè)計(jì)在Windows平臺(tái)下進(jìn)行，數(shù)據(jù)庫(kù)采用SQLite3以存放快件信息，可定期通過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò)與快遞公司云端服務(wù)器同步該小區(qū)的所有快遞數(shù)據(jù)。

3.1 線程池設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中服務(wù)器軟件采用線程池方式設(shè)計(jì)，如圖5所示。服務(wù)器中“客戶端數(shù)據(jù)接入/發(fā)送線程”是服務(wù)器與客戶端之間交互數(shù)據(jù)的主要通道，采用TCP傳輸協(xié)議?！翱蛻舳藬?shù)據(jù)接入線程”主要采用 select（）函數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)客戶端的連接和數(shù)據(jù)接入。

圖5 系統(tǒng)服務(wù)器線程池設(shè)計(jì)架構(gòu)圖

“工作線程”為任務(wù)處理中心，首先，從“待接收任務(wù)隊(duì)列”中獲取任務(wù)數(shù)據(jù)包，通過(guò)解析后執(zhí)行相應(yīng)的操作，包括數(shù)據(jù)庫(kù)的查詢和更改、RTP視頻傳輸控制、GSM短信發(fā)送控制等。最后，“工作線程”將處理后的數(shù)據(jù)包寫入“待發(fā)送任務(wù)隊(duì)列”，以應(yīng)答客戶端的請(qǐng)求。

服務(wù)器采用GTM900C作為GSM短信發(fā)送模塊，在“GSM短信發(fā)送線程”的設(shè)計(jì)中，首先從 “待發(fā)送隊(duì)列中”獲取待取件的電話號(hào)碼、寄存柜號(hào)、動(dòng)態(tài)密碼等信息，以產(chǎn)生相應(yīng)的PDU碼，再通過(guò)向GSM模塊發(fā)送AT指令就可以完成中文短信的發(fā)送[4]。

3.2 視頻數(shù)據(jù)接收與存儲(chǔ)

當(dāng)多個(gè)投遞箱終端同時(shí)向服務(wù)器發(fā)送視頻數(shù)據(jù)時(shí)，服務(wù)器需要識(shí)別來(lái)自不同終端的RTP包，并存儲(chǔ)在以用戶所取快件的快遞單號(hào)為文件名的FLV格式視頻文件中。對(duì)RTP包的接收過(guò)程如圖6所示。

圖6 視頻接收流程圖

在服務(wù)器接收到RTP包后，首先通過(guò)解析RTP包中的同步信源標(biāo)識(shí)符可以獲取其所對(duì)應(yīng)取件過(guò)程的快遞單號(hào)，之后將RTP解包后所得的NAL包存儲(chǔ)在相應(yīng)的文件中，視頻文件采用FLV封裝格式。

4 系統(tǒng)測(cè)試及結(jié)論

本文針對(duì)一個(gè)小區(qū)不同數(shù)量投遞箱終端連接系統(tǒng)服務(wù)器的情況，測(cè)試系統(tǒng)的業(yè)務(wù)處理準(zhǔn)確性和視頻傳輸效率。采用了兩套智能投遞箱實(shí)物模擬設(shè)備和電腦軟件虛擬設(shè)備作為一個(gè)小區(qū)的N個(gè)投遞箱終端，以兩臺(tái)PC機(jī)分別作為該小區(qū)的系統(tǒng)服務(wù)器和快遞公司云端服務(wù)器，系統(tǒng)服務(wù)器定期向云端服務(wù)器下載和更新數(shù)據(jù)。其測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 不同終端連接下測(cè)試結(jié)果

測(cè)試結(jié)果表明，在終端數(shù)量小于400左右的情況下，采用TCP可靠方式連接的業(yè)務(wù)處理結(jié)果正確無(wú)誤，服務(wù)器視頻接收正常，能滿足一個(gè)城市小區(qū)對(duì)智能快遞投遞系統(tǒng)的要求。

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