基于ARM9矩陣算法控制的快遞終端機(jī)設(shè)計(jì)

鄭耀青，劉志芳，韓亞鵬，毋乃卿，張賢坤

（天津科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津300222）

基于ARM9矩陣算法控制的快遞終端機(jī)設(shè)計(jì)

鄭耀青，劉志芳，韓亞鵬，毋乃卿，張賢坤

（天津科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津300222）

隨著電子商務(wù)的快速發(fā)展，當(dāng)今快遞行業(yè)迅速崛起。然在“最后一公里”的終端配送問題上，耗時(shí)、耗力約束了快遞業(yè)務(wù)的快捷便利。本文針對(duì)快遞行業(yè)終端配送問題，基于矩陣法ARM9控制理念，研制了一款全自動(dòng)存取一體終端機(jī)柜。本機(jī)柜主要利用ARM處理器、控制電機(jī)、紅外、嵌入式操作系統(tǒng)等，采用機(jī)電一體化的設(shè)計(jì)方式來實(shí)現(xiàn)。

快遞；ARM9；機(jī)電一體化；嵌入式系統(tǒng)；控制

隨著電子商務(wù)的發(fā)展,我國快遞業(yè)成為發(fā)展迅速和競(jìng)爭(zhēng)激烈的行業(yè)之一［1］。但在“最后一公里”的配送問題上，絕大多數(shù)快遞公司依然采取人工配送的傳統(tǒng)方式，快遞員需攜帶大量包裹去派送，工作效率低［2］。也存在很多問題，尤其在一些特定節(jié)日和一些特定場(chǎng)合，快遞終端問題更加明顯。高教園區(qū)（大學(xué)城）快遞業(yè)務(wù)正逐漸成為各快遞公司的"雞肋":快遞企業(yè)派件終端服務(wù)質(zhì)量越顯下降［3］。例如淘寶“雙十一”期間，大部分高校大學(xué)生會(huì)網(wǎng)上采購一些物品，快遞公司最后會(huì)把大量的物品堆積到學(xué)校的一個(gè)角落里，這時(shí)候，往往就會(huì)因?yàn)槿耸植粔?，快遞員不能很好的看管快件，導(dǎo)致錯(cuò)誤領(lǐng)取，丟失快件，而且學(xué)生在堆積如山的物件中尋找自己的快件也是非常不方便的［4］。

快遞終端問題，給用戶以及快遞公司帶來了經(jīng)濟(jì)與形象損失，不利于快遞公司的持續(xù)發(fā)展。隨著人工成本的增加，這一問題亟待解決。中國專利公開號(hào)CN103236116A公開電子儲(chǔ)物柜存取箱格及投遞方法，允許一箱多物，但需要專人監(jiān)管，避免出錯(cuò)，實(shí)用性差。因此，我們推出全自動(dòng)快遞存取一體終端機(jī)，幫助各大快遞公司最大限度的提高配送效率。

1　總體方案設(shè)計(jì)

該全自動(dòng)快遞寄存取一體終端機(jī)主要由基于ARM9的上位機(jī)系統(tǒng)、基于Arduino的下位機(jī)系統(tǒng)以及機(jī)械系統(tǒng)三部分組成，系統(tǒng)總體方框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)總體方框圖

基于ARM9的人機(jī)交互系統(tǒng)主要完成快遞員、收件人以及終端的人機(jī)交互。其主要功能包括：邏輯運(yùn)算、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、人機(jī)交互、通過串口與下位機(jī)通信，控制機(jī)械系統(tǒng)存取件以及信息數(shù)據(jù)庫管理。

基于Arduino的下位機(jī)系統(tǒng)控制機(jī)械系統(tǒng)存取快遞以及將終端信息實(shí)時(shí)反饋給上位機(jī)。

機(jī)械系統(tǒng)負(fù)責(zé)將快遞從入口自動(dòng)的存入存裝屜內(nèi)部，并根據(jù)快遞的大小通過下位機(jī)的控制將隔斷條伸出，隔斷快件，完成存件?；蛘呷〖r(shí)相應(yīng)的隔斷條收回完成取件?？爝f終端機(jī)存裝柜整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

終端機(jī)整體結(jié)構(gòu)為存裝柜，整個(gè)存裝柜整體是單元化的。此種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是可以根據(jù)不同場(chǎng)合快遞量的不同而增減單元，達(dá)到最優(yōu)化使用。整個(gè)箱體的立體結(jié)構(gòu)為大箱在下，小箱在上。存裝硬盒類包裹時(shí)，大件位于箱體的近地部分，可以減少其存裝時(shí)的能量損耗。每一層存裝屜的尺寸相同，所有的存裝屜結(jié)構(gòu)相同［5］。

存裝屜是整個(gè)裝置的重要單元結(jié)構(gòu)。存裝屜結(jié)構(gòu)如圖3所示。存裝屜側(cè)壁的4塊平行板，把單個(gè)存裝屜空間分為三部分，最左側(cè)空間是安放隔斷條存儲(chǔ)機(jī)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)單元、動(dòng)力單元、以及固定結(jié)構(gòu)；右側(cè)空間的作用是，當(dāng)隔斷條伸出到右側(cè)箱壁時(shí)，其內(nèi)部的倒鉤結(jié)構(gòu)可保證隔斷狀態(tài)的安全可靠。中間部分用來存裝快件。底面為桿式傳送帶，其作用是，在存儲(chǔ)快件時(shí)，將快件輸送到存裝屜最前端，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)存儲(chǔ)功能。通過滑滾輥道，可以使存裝屜在存裝柜中前后滑動(dòng)，便于存取快件。

圖2　存裝柜

圖3　存裝屜

2　工作流程圖設(shè)計(jì)

供電系統(tǒng)由12 V 3 A開關(guān)電源提供。工作流程圖如圖4所示。

圖4　工作流程圖

3　矩陣算法

利用矩陣算法控制空間，創(chuàng)立了一套算法。針對(duì)在已知快件大小情況下如何快速有效的合理分配快件在存裝屜中存儲(chǔ)空間的問題，創(chuàng)立了矩陣化的控制單元、控制體系以及與之配套的矩陣算法。本文主要以樣機(jī)為例給出具體算法。樣機(jī)如圖5所示。

圖5　樣機(jī)

各部分名稱如圖所示。根據(jù)控制隔斷條狀態(tài)的信號(hào)構(gòu)造矩陣，該裝置可以看做4×12的矩陣，由于第一行的電機(jī)與隔斷條一一對(duì)應(yīng)，每一列有一個(gè)電機(jī)控制，考慮到運(yùn)算特性，構(gòu)造2×2矩陣a。隔斷條初始狀態(tài)根據(jù)快件的大小由若干個(gè)a矩陣組成。

其中，α與β代表動(dòng)力源位置。α1代表行動(dòng)力源，α2代表列動(dòng)力源；β1代表該行第一個(gè)動(dòng)力源，β2代表該行第二個(gè)動(dòng)力源；γ為隔斷條狀態(tài)字。γ1代表休止?fàn)顟B(tài)，γ2代表工作狀態(tài)。

下位機(jī)檢測(cè)到快件的大小，將數(shù)據(jù)反饋給上位機(jī)。上位機(jī)查詢數(shù)據(jù)庫，分配相應(yīng)的空間，即對(duì)應(yīng)矩陣A，A由若干個(gè)a組成。根據(jù)下位機(jī)反饋的數(shù)據(jù)形成矩陣B，B由b1、b2、b3組成。上位機(jī)按照內(nèi)部算法，得到矩陣C，C由c1、c2、c3組成。將數(shù)據(jù)傳輸給下位機(jī)，相應(yīng)位置被隔斷，快件存儲(chǔ)完成。

整套算法簡單可靠，精準(zhǔn)的計(jì)算空間，達(dá)到空間最優(yōu)利用。而且本算法適合所有型號(hào)的快遞柜，適用性強(qiáng)。

4　控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1派件自動(dòng)分類系統(tǒng)

該裝置利用控制技術(shù)增加了對(duì)快件進(jìn)行自動(dòng)分類的功能?？爝f員根據(jù)快件的大小將快件裝入合適的存裝屜中，快遞員錄入快遞單號(hào)及收件人信息，信息被系統(tǒng)記錄下來。系統(tǒng)會(huì)通過控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)存裝屜底部的桿式傳送帶轉(zhuǎn)動(dòng)，快件慢慢進(jìn)入存裝屜內(nèi)部。存裝屜一側(cè)的底部每個(gè)隔斷條的左右兩側(cè)裝有紅外線掃描裝置，快件放入時(shí)，抽屜前段的起指示作用的紅外線裝置是開啟的，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)快件在被運(yùn)送過程中碰到前段的紅外線時(shí)，接通著的紅外線被阻斷，系統(tǒng)接到信號(hào)，發(fā)出指令使傳送帶停止傳送，此時(shí)，其余紅外線會(huì)按照從前段到后端的順序依次開啟，當(dāng)紅外線接通時(shí)，在此紅外線下方的一列隔斷條伸出，隔出空間，同時(shí)抽屜最頂部的一排隔斷條也會(huì)伸出，封閉整個(gè)空間。

4.2取件控制系統(tǒng)

收件人在取件時(shí)，需要在終端機(jī)上輸入之前系統(tǒng)發(fā)給收件人的密碼，通過觸摸屏簽下電子姓名，系統(tǒng)確認(rèn)無誤后根據(jù)收件人輸入的信息匹配對(duì)應(yīng)的快件，對(duì)應(yīng)的存裝屜在電機(jī)的帶動(dòng)下伸出，對(duì)應(yīng)位置的隔斷條收回，快件占據(jù)的封閉空間被打開，用戶取走快件。存裝屜在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下回到原來的位置，快遞門自動(dòng)閉合，取件完成。

4.3通信系統(tǒng)

上位機(jī)與下位機(jī)之間通過串口通信［6］。上位機(jī)完成邏輯運(yùn)算、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、信息檢索、與下位機(jī)用戶實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互等功能。下位機(jī)采集到的快遞與終端狀態(tài)信息實(shí)時(shí)反饋給上位機(jī)，上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫更新，并存儲(chǔ)。

快遞員在存件時(shí)，首先進(jìn)行身份驗(yàn)證。登陸成功后，錄入快遞單號(hào)以及收件人的手機(jī)號(hào)碼，當(dāng)完成所有快件的存放時(shí)，系統(tǒng)將信息通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給服務(wù)器，服務(wù)器中存放著所有快件的單號(hào)以及對(duì)應(yīng)收件人的手機(jī)號(hào)碼，當(dāng)系統(tǒng)接收到單號(hào)時(shí)，確認(rèn)單號(hào)以及收件人信息是否對(duì)應(yīng)，確認(rèn)無誤后，系統(tǒng)將單號(hào)以及對(duì)應(yīng)手機(jī)號(hào)碼提取出來，生成隨機(jī)密碼，服務(wù)器向收件人發(fā)送短信及密碼?？爝f員存件界面如圖6所示。

收件人接收到信息后在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成取件。收件人點(diǎn)擊取件，進(jìn)入取件界面，取件界面如圖7所示。進(jìn)入界面后，輸入系統(tǒng)發(fā)送的密碼，完成電子簽名后存裝屜伸出，相應(yīng)位置隔斷條伸回，取件人取件，存裝屜伸回，快遞門關(guān)閉，完成取件。

圖6　存件界面

圖7　取件界面

當(dāng)有快件取走時(shí)，下位機(jī)控制該裝置調(diào)整快件位置，并實(shí)時(shí)將信息傳輸給上位機(jī)，上位機(jī)更新數(shù)據(jù)庫，重新確定快件位置，并反饋給下位機(jī)。

5　結(jié)論

經(jīng)過實(shí)際測(cè)試，該自動(dòng)快遞終端機(jī)存取件操作簡單、結(jié)構(gòu)可靠，快遞存儲(chǔ)安全性高，工作穩(wěn)定，方便快捷，同時(shí)一屜可裝多件，充分利用了空間，比傳統(tǒng)的快遞存儲(chǔ)柜空間利用率提高了2倍以上，大大節(jié)省了快遞員等候的時(shí)間，提高工作效率，為快遞公司降低了運(yùn)行成本。

該裝置目前僅僅針對(duì)硬盒類物件進(jìn)行快遞，局限性較大。軟包類的物件處理將在后期工作中進(jìn)一步開發(fā)研究。

［1］柯晶琳,姜維軍.電商環(huán)境下我國快遞業(yè)發(fā)展對(duì)策分析［J］.黃岡師范學(xué)院商學(xué)院，2014（3）:38.

［2］紀(jì)宇,付志勇.基于智能移動(dòng)終端的快遞服務(wù)流程創(chuàng)新設(shè)計(jì)［A］.清華-DMI國際設(shè)計(jì)管理大會(huì)論文集（中文部分）［C］//北京：清華大學(xué)，2013：164-169．

［3］朱明超，李夢(mèng)琦.高教園區(qū)快遞終端運(yùn)營模式創(chuàng)新初探［D］.浙江經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，2012.

［4］郭智忠.中國大學(xué)校園快遞發(fā)展趨勢(shì)探討［J］.江蘇：商業(yè)流通，2012（10）：17-18.

［5］陳金艦.開關(guān)柜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造的分析與實(shí)踐探討［J］.現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2014（4）:33-34.

［6］許先斌,熊慧君.基于ARM9的嵌入式Linux開發(fā)流程的研究［D］.武漢：武漢大學(xué)，2006.

Design of express terminal based on ARM9 controlled by matrix algorithm

ZHENG Yao-qing，LIU Zhi-fang，HAN Ya-peng，WU Nai-qing，ZHANG Xian-kun
（College of mechanical engineering，Tianjin University of Science&Technology，Tianjin 300222，China）

Nowadays,with the rapid developing of electronic commerce,express delivery industry rises rapidly.But on the problem of"The last kilometer"distribution,the time consuming and the power-consuming are still not conducive to the sustainable development of the express industry.In view of the express industry terminal distribution problem,this paper expounds the design scheme of automatic integration access terminal which controlled by matrix technique ARM9.This cabinet adopts the designs of electromechanical integration being put into practice mainly by using of ARM processor,embedded operating system,control motor and infrared,et al.

ARM9；mechanical and electrical integration；embedded system；control；express delivery

TN913.3

A

1674－6236（2016）13-0077-03

2015-07-01稿件編號(hào)：201507015

國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃項(xiàng)目（201410057014）

鄭耀青（1993—），女，河北邢臺(tái)人。研究方向：嵌入式系統(tǒng)，機(jī)械電子工程。