基于ZigBee技術(shù)的快件尋找系統(tǒng)設(shè)計

陳崇輝　鄧筠

摘 要： 針對快件派送環(huán)節(jié)，快遞員從數(shù)量繁多的快件中難以尋找目標(biāo)快件的問題，設(shè)計基于ZigBee技術(shù)的快件尋找系統(tǒng)，通過采用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，構(gòu)建包含快件終端節(jié)點、快遞員節(jié)點、手機APP監(jiān)控中心3個層次的系統(tǒng)架構(gòu)，重點設(shè)計快件終端節(jié)點和快遞員節(jié)點的CC2530無線通信模塊和軟件流程，并提出時間同步協(xié)議算法，實現(xiàn)全網(wǎng)節(jié)點的同步休眠和喚醒，降低整個系統(tǒng)的功耗，延長系統(tǒng)的工作時間。實驗測試結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地尋找目標(biāo)快件，減少派送時間，實現(xiàn)設(shè)計效果。

關(guān)鍵詞： 快遞； ZigBee技術(shù)； 快件尋找； 快遞員節(jié)點

中圖分類號： TN911?34 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）04?0116?04

Abstract： It is hard for the courier in the express delivery link to search for the target express delivery package from the myriad of express delivery packages， so a express delivery package search system based on ZigBee technology was designed. By a mesh network topological structure， a system architecture consisting of express terminal node， courier node and mobile phone APP monitoring center was established. The CC2530 wireless communication module and software process of the express terminal node and courier node were designed emphatically. A time synchronization protocol algorithm is proposed to achieve synchronous sleep and wake?up of all nodes in the whole network， reduce the power consumption of the entire system， and extend the working hours of the system. Experimental test results show that the system can search for the target express delivery packages accurately， reduce the delivery time and achieve the design effect.

Keywords： express delivery； ZigBee technology； search for express delivery package； courier node

0 引 言

隨著電子商務(wù)的快速發(fā)展，通過網(wǎng)上購物的人越來越多，引發(fā)大量的快遞業(yè)務(wù)，對于人口密集的高校校園和小區(qū)，快件經(jīng)常堆積如山，等待派發(fā)。目前各家快遞公司在校園和小區(qū)主要是設(shè)立“地攤式”派發(fā)點，即使是固定場所的收發(fā)室，數(shù)量繁多的快件依然讓取件效率偏低，最突出的問題是難以找到快件。針對此問題各家快遞公司各出奇招，比較典型有效的做法是在快件單上，用油性筆大字體標(biāo)注收件人的姓名、手機號碼后4位數(shù)字等關(guān)鍵信息，還有通過分若干個有編號的塑料筐等手段，嘗試減少快遞尋找和簽收的時間，但龐大的快遞數(shù)量，加上學(xué)生下課后收取快遞導(dǎo)致時間相對集中，尋找快件仍然是快遞派送簽收中比較突出的問題之一。為此，本文設(shè)計了一種基于ZigBee技術(shù)的快件尋找系統(tǒng)，能夠幫助快遞員快速尋找快件，減少客戶等待時間，從而提高快遞派送的效率，改善快遞服務(wù)質(zhì)量。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

快件尋找系統(tǒng)由快件終端節(jié)點、快遞員節(jié)點、手機APP監(jiān)控中心3個層次組成[1]，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。最底層是快件終端節(jié)點，采用分布式結(jié)構(gòu)，運用掉電非易失性存儲器保存與收件人的手機號碼對應(yīng)的ID，通過蜂鳴器報警模塊實現(xiàn)快件尋找后的提示，快件終端節(jié)點體積小，能夠通過夾子或粘貼膠與待派送快件輕易地附著或分離，重復(fù)使用；中間層是快遞員節(jié)點，通過藍牙模塊與手機APP監(jiān)控中心保持數(shù)據(jù)的同步，同時負責(zé)建立收件人手機號碼與快件的對應(yīng)關(guān)系，向所有快件終端節(jié)點發(fā)出唯一ID進行快件的尋找，另外還要利用時間同步算法，實現(xiàn)全網(wǎng)節(jié)點的同步休眠和喚醒，降低系統(tǒng)的功耗；最上層是智能手機APP監(jiān)控中心，通過人機交互界面實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的處理、存儲和分析等，可方便快遞員對快件派發(fā)過程中數(shù)據(jù)的實時查看和備份[2]，在APP監(jiān)控中心無連接的情況下，快遞員節(jié)點和快件終端節(jié)點之間也能正常組網(wǎng)獨立工作。

2 快件終端節(jié)點設(shè)計

2.1 快件終端節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

本設(shè)計中，快件終端節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，它由CC2530無線通信模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、電源及管理模塊、實時時鐘模塊、聲光報警模塊告等部分組成[3]。CC2530無線通信模塊完成快件終端節(jié)點和快遞員節(jié)點網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，使用TI公司的Z?Stack協(xié)議棧，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計了應(yīng)用層軟件實現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的傳輸；數(shù)據(jù)存儲模塊用于存儲客戶快件聯(lián)系手機號碼所對應(yīng)的代碼ID；電池管理模塊包括電量檢測和充電管理兩部分，前者負責(zé)檢測鋰電池電量，后者用于充電狀態(tài)指示和控制；實時時鐘模塊用于提供實時時鐘和同步時間；聲音報警電路通過三極管驅(qū)動蜂鳴器實現(xiàn)；發(fā)光報警電路通過貼片0805封裝的紅色LED實現(xiàn)。

2.2 CC2530無線通信模塊設(shè)計

CC2530無線通信模塊的性能直接影響整個通信系統(tǒng)的可靠性。系統(tǒng)在快件終端節(jié)點和快遞員節(jié)點處均設(shè)有CC2530無線通信模塊，主要負責(zé)快件網(wǎng)絡(luò)的組建。CC2530芯片符合2.4 GHz射頻標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)部集成微控制器、射頻前端以及存儲器，使用簡單，有豐富的外設(shè)資源，只需很少的外圍電路便可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。各節(jié)點的CC2530電路原理如圖3所示。節(jié)點中的CC2530芯片采用+3.3 V電壓供電，采用片內(nèi)1.8 V穩(wěn)壓器為所需電路提供1.8 V電源，設(shè)計一個1 μF的去耦電容，提高電源工作的穩(wěn)定性。CC2530的外圍電路包括微控制器接口電路、射頻I/O匹配電路和時鐘振蕩電路[4?5]，電路設(shè)計有32 MHz和32.768 kHz的石英晶體與芯片內(nèi)部的振蕩單元配合工作，為系統(tǒng)提供時鐘頻率；天線電路采用印制彎折倒F型天線，通過巴倫匹配電路進行射頻收發(fā)信號的匹配，保證系統(tǒng)射頻收發(fā)模塊的穩(wěn)定工作，提高系統(tǒng)通信性能[5?6]。CC2530的P0.2端口用于鋰電池的輸出電壓采樣，實現(xiàn)對鋰電池電量的監(jiān)管，在不進行數(shù)據(jù)傳輸時，芯片進入休眠狀態(tài)，程序中可通過調(diào)用函數(shù)控制所有節(jié)點的休眠與喚醒，保證系統(tǒng)的低功耗，延長鋰電池的使用時間。

2.3 快件終端節(jié)點流程設(shè)計

快件終端節(jié)點主程序流程如圖4所示?？旒K端節(jié)點初始化成功后，首先判斷電池電量在充足的條件下，系統(tǒng)會處于休眠狀態(tài)，直到接收到快遞員節(jié)點喚醒命令，喚醒快件終端節(jié)點并接收快遞員節(jié)點數(shù)據(jù)ID，并判斷ID是否與之前存儲一致。如果不相同則不作反應(yīng)，延時后進入休眠狀態(tài)。一旦相同表示該快件就是當(dāng)前系統(tǒng)要尋找的目標(biāo)，調(diào)用節(jié)點時間同步，并發(fā)出報警聲音作為反應(yīng)，完成此次尋找任務(wù)，延時后進入休眠狀態(tài)。

3 快遞員節(jié)點設(shè)計

3.1 快遞員節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

快遞員節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)如圖5所示?？爝f員節(jié)點一方面要與手機APP監(jiān)控中心完成數(shù)據(jù)同步傳輸，但沒有手機APP參與的情況下系統(tǒng)也能正常工作；另一方面還要響應(yīng)快遞員按鍵的操作指令，完成與所有快件終端節(jié)點數(shù)據(jù)通信的信息交換?？爝f員節(jié)點除了由CC2530組成的微控制器等基本模塊外，還有按鍵模塊，LCD12864液晶顯示模塊和藍牙通信模塊。通過按鍵輸入，快遞員可以通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)向整個網(wǎng)絡(luò)的所有快件終端節(jié)點發(fā)送廣播數(shù)據(jù)包，則對應(yīng)快件上的快件終端節(jié)點接收數(shù)據(jù)包并提取相應(yīng)的快件ID，與之前寫入的代碼ID做比較，匹配的快件終端節(jié)點將發(fā)出聲光報警，提示快遞員快件所在位置，從而快速找到相應(yīng)的快件，給予客戶簽收，提高快遞派送服務(wù)的質(zhì)量。

3.2 快遞員節(jié)點流程設(shè)計

快遞員節(jié)點是手機APP監(jiān)控中心和底層各快件終端節(jié)點進行數(shù)據(jù)交換的媒介。快遞員節(jié)點需要對各快件終端節(jié)點進行全體控制，根據(jù)需要完成與手機APP監(jiān)控中心的通信?？爝f員節(jié)點具有休眠和喚醒功能?？爝f員節(jié)點上電后首先初始化，檢測電池電量是否充足，電池電量充足時，循環(huán)檢測是否有按鍵按下。一旦按鍵輸入要尋找的快件ID，即時喚醒全部快件終端節(jié)點，廣播要尋找快件的ID，并調(diào)用時間同步程序，等待快件終端節(jié)點的反應(yīng)。完成此次尋找任務(wù)后無按鍵操作一定時間后控制系統(tǒng)進入休眠狀態(tài)?？爝f員節(jié)點主程序流程如圖6所示。

3.3 快遞員節(jié)點組網(wǎng)流程

快遞員節(jié)點網(wǎng)絡(luò)初始完成以后開始建立新的網(wǎng)絡(luò)，對各信道進行能量掃描[7]?？爝f員節(jié)點在接收到快件終端節(jié)點發(fā)出的入網(wǎng)請求后，會給予應(yīng)答，如果快件終端節(jié)點在5 s內(nèi)收到應(yīng)答信號，則表示入網(wǎng)成功，快遞員節(jié)點將為其分配地址，之后便可以進行數(shù)據(jù)的傳輸。如果在規(guī)定時間內(nèi)未收到應(yīng)答信號，超過一定次數(shù)后，快遞員節(jié)點組網(wǎng)流程結(jié)束?？爝f員節(jié)點組網(wǎng)流程如圖7所示。

3.4 快遞員節(jié)點離網(wǎng)流程

快遞員節(jié)點首先掃描信道?？爝f員節(jié)點在檢測到快件終端節(jié)點發(fā)出的離網(wǎng)請求后，會給予應(yīng)答，如果快遞員節(jié)點允許快件終端節(jié)點離開網(wǎng)絡(luò)，快遞員節(jié)點會為其清除已經(jīng)分配的地址，快件終端節(jié)點離網(wǎng)成功，如果快遞員節(jié)點不允許快件終端節(jié)點離開網(wǎng)絡(luò)，快遞員節(jié)點離網(wǎng)程序結(jié)束。快遞員節(jié)點離網(wǎng)流程如圖8所示。

4 時間同步算法協(xié)議設(shè)計

由此可見，逼近函數(shù)M決定了數(shù)據(jù)真實性，當(dāng)M的值越小，數(shù)據(jù)的可靠性越高。在數(shù)學(xué)迭代優(yōu)化M后，將過濾數(shù)據(jù)與Φmax進行對比，找出誤差較大的同步時間戳的信息d1，d2，…，dh，并將它們?yōu)V除。系統(tǒng)開始工作后，首先構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，快遞員節(jié)點作為根結(jié)點，開始廣播鄰節(jié)點請求報文，其他節(jié)點收到報文后隨機發(fā)送自己的鄰居表信息。在全網(wǎng)時間同步后，快遞員節(jié)點發(fā)送給其子節(jié)點，即快件終端節(jié)點，實現(xiàn)全網(wǎng)的同步休眠和喚醒，降低整個系統(tǒng)的功耗，延長系統(tǒng)的工作時間。

5 實驗測試

本系統(tǒng)實驗調(diào)試采用武漢創(chuàng)維特信息技術(shù)有限公司CVT?IOT?V教學(xué)實驗系統(tǒng)實驗箱平臺進行。該實驗箱包含1個快遞員節(jié)點，6個快件終端節(jié)點。通過組網(wǎng)實驗測試，各個快件終端節(jié)點和快遞員節(jié)點組成的網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸，滿足快件尋找的功能。實驗測試結(jié)果如表1所示。

實驗結(jié)果表明：本文設(shè)計的快件尋找系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對快件的尋找功能，減少快件派送環(huán)節(jié)的時間，在快遞行業(yè)具有非常實用的推廣價值。

6 結(jié) 語

本文提出了基于ZigBee技術(shù)的快件尋找系統(tǒng)設(shè)計，采用組網(wǎng)方便的CC2530無線通信技術(shù)構(gòu)建系統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)，通過網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，可任意地增加或減少快件終端節(jié)點的數(shù)量；利用時間同步算法協(xié)議，實現(xiàn)所有節(jié)點的同時休眠和喚醒，大大降低了系統(tǒng)功耗，延長系統(tǒng)使用時間。實驗證明快件尋找系統(tǒng)能夠有效幫助快遞員從數(shù)量繁多的快件中快速尋找目標(biāo)快件，減少尋找快件的時間，提高快遞員派送快件的效率，完善快遞行業(yè)派送環(huán)節(jié)的客戶體驗，推動物流快遞行業(yè)的健康發(fā)展。

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