智能快遞系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及其輻射干擾與傳導(dǎo)分析

惠州學(xué)院物理系，廣東惠州 516007

一、引言

近年來，隨著網(wǎng)絡(luò)購物的繁榮，帶動(dòng)了快遞業(yè)務(wù)的快速增長，行業(yè)發(fā)展勢頭迅猛，據(jù)中國國家郵政局預(yù)計(jì)，2018年全國快遞業(yè)務(wù)量將達(dá)490億件。然而，快遞業(yè)“最后100米”的配送問題依然沒有得到很好的解決，快件幾乎采用人工投放方式，這種方式效率低、成本高。

智能快遞柜的出現(xiàn)為該問題提供了一個(gè)非常好的解決方案，智能快遞系統(tǒng)讓人們的時(shí)間不必浪費(fèi)在等待上。針對以上問題，本文提出了一種基于STC89C58RD+的智能快遞系統(tǒng)。采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，以STC89C58RD+為主控制器，通過LCD1602顯示屏，用鍵盤控制存/取界面的選擇與快遞信息的輸入。單片機(jī)控制GSM模塊發(fā)送短信驗(yàn)證碼與柜門的動(dòng)作。由于民用無線發(fā)射信號的廣泛應(yīng)用，特別是轄區(qū)手機(jī)、遙控玩具、無人機(jī)等的出現(xiàn)，無線電對轄區(qū)快遞系統(tǒng)的干擾也慢慢展現(xiàn)出來，人們常常發(fā)現(xiàn)快遞系統(tǒng)容易發(fā)生錯(cuò)誤。本文重點(diǎn)研究了系統(tǒng)的電磁干擾問題。結(jié)果表明，本系統(tǒng)操作簡單、經(jīng)濟(jì)、安全。

二、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

1、系統(tǒng)功能

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)有存和取兩個(gè)模式。存件模式下，通過鍵盤輸入快件信息，并錄入收件人手機(jī)號碼，相關(guān)信息顯示在液晶屏上面，確認(rèn)無誤后由單片機(jī)控制繼電器打開柜門存入快件，再手動(dòng)關(guān)閉柜門，然后再由單片機(jī)控制GSM模塊發(fā)送信息到被錄入的手機(jī)號碼，之后返回初始界面；收到快件通知后，進(jìn)入取件模式。將手機(jī)收到的驗(yàn)證碼輸入鍵盤，由單片機(jī)控制繼電器開啟柜門，取出快件，關(guān)閉柜門后返回初始界面。

本系統(tǒng)由單片機(jī)和GSM短信模塊兩部分組成，其中，主控芯片STC89C58RD+為本控制系統(tǒng)的核心。系統(tǒng)功能有信息輸入與顯示、柜門的開啟、短信驗(yàn)證碼的發(fā)送以及短信驗(yàn)證碼的驗(yàn)證等。GSM短信模塊可以向指定手機(jī)號碼發(fā)送短信驗(yàn)證碼。為保障系統(tǒng)的安全，系統(tǒng)考慮了短信驗(yàn)證碼的隨機(jī)性與驗(yàn)證的唯一性。借由4×4的鍵盤輸入信息，使用LCD1602液晶屏顯示信息。柜門鎖串接了繼電器，由單片機(jī)控制繼電器的閉合/斷開，繼電器的動(dòng)作帶動(dòng)柜門開啟。系統(tǒng)的電路框圖見圖1所示。

2、系統(tǒng)電路

系統(tǒng)的電路原理圖如圖2所示。

圖2左側(cè)為單片機(jī)STC89C58的最小系統(tǒng)，P0、P1、P2與P3為四個(gè)I/O口，每一條I/O線都能獨(dú)立用作輸出或輸入。XTAL1和XTAL2接時(shí)鐘電路。XTAL1連接外部晶振和電容的一端，在單片機(jī)內(nèi)XTAL1為振蕩器倒相放大器的輸入端；XTAL2連接外部晶振和電容的另一端，單片機(jī)內(nèi)部XTAL2作為振蕩器倒相放大器的輸出端。本設(shè)計(jì)采用內(nèi)部振蕩方式，所用晶振為11.0592MHz。復(fù)位采用按鍵手動(dòng)，按復(fù)位鍵以后，復(fù)位端通過電阻與VCC電源接通。

通訊模塊采用M590E GSM雙頻GSM/GPRS工業(yè)無線模塊，可提供短信、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)等功能，內(nèi)嵌有高可靠性的GSM 引擎和51 單片機(jī)系統(tǒng)，使用方便。GSM 網(wǎng)絡(luò)基本覆蓋全國，數(shù)據(jù)傳輸范圍廣，傳輸穩(wěn)定、可靠。

M590E GSM接線說明：

①VBAT：電源，3.7V～4.5V之間，由5V電源經(jīng)過二極管降壓提供。VBAT管腳處輸入的瞬間最大電流達(dá)到2A，靠近VBAT管腳處放置低阻抗大容量的濾波電容1000μF；

②GND：地；

③ON/OFF：低電平有效，可通過電平變換后，用戶控制側(cè)為高電平開機(jī)。ON/OFF也可以直接接地，然后模塊上電自動(dòng)開機(jī)；

④TXD接單片機(jī)或者USB轉(zhuǎn)TTL的RXD；

⑤ RXD接單片機(jī)或者USB轉(zhuǎn)TTL的TXD。

注意：RXD和TXD為TTL電平，不能直接接USB轉(zhuǎn)9針串口。

顯示屏采用LCD1602，可以顯示兩行，每一行有字符液晶模16個(gè)塊（顯示字符和數(shù)字），由單片機(jī)的P0口信號驅(qū)動(dòng)。本文主要顯示快遞單ID（8位數(shù)字），由rand隨機(jī)函數(shù)產(chǎn)生的隨機(jī)碼和手機(jī)號碼等。

矩陣鍵盤的接口電路是人機(jī)交互界面的輸入設(shè)備，系統(tǒng)通過矩陣鍵盤進(jìn)行輸入數(shù)據(jù)。4×4 的矩陣式鍵盤是由4 根列線和4 根行線交叉組成，按鍵放在行列的交叉點(diǎn)上，這樣就構(gòu)成了16個(gè)按鍵。將程序所生成的.hex文件寫入單片機(jī)后，打開串口調(diào)試助手軟件，設(shè)置好波特率，復(fù)位單片機(jī)，然后按下任意一個(gè)按鍵，并注意觀察串口調(diào)試助手上的顯示，可以觀察到接收窗口上對應(yīng)按鍵的數(shù)據(jù)。通過按鍵，用戶可以選擇是存快件還是取快件，輸入接收到具有隨機(jī)性的隨機(jī)碼，輸入快件單ID、用戶號碼。

門鎖控制電路采用一個(gè)簡單的與鎖連接的繼電器開啟與閉合的控制電路，以單片機(jī)P3.7引腳進(jìn)行控制。

3、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

（1）系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)

系統(tǒng)功能包括液晶顯示、鍵盤輸入、發(fā)送短信、隨機(jī)碼驗(yàn)證以及柜門的控制。具體如下：硬件初始化，GSM模塊初始化，顯示待機(jī)界面；判斷是否有按鍵操作，存件/取件模式選擇；存件操作：輸入快遞單ID，輸入手機(jī)號碼，發(fā)送隨機(jī)碼，打開柜門存件；取件操作：判斷隨機(jī)碼是否正確并決定是否打開柜門；操作成功，系統(tǒng)自動(dòng)恢復(fù)到待機(jī)界面。具體流程如圖3所示。

（2）中文短信發(fā)送的設(shè)計(jì)

①短信中心號碼處理：用字符串a(chǎn)ddr 表示中心號碼設(shè)置；

②手機(jī)號碼用phone表示；

③短信部分用msg表示：首先將中文短信轉(zhuǎn)為unicode碼，再將msg的長度除以2 保留兩位16進(jìn)制數(shù)放在unicode 代碼前面；

④組合：phone前面加字符串11000B 91，在phone后面加字符串0008A7 和msg；phone的長度除以2化為2位10進(jìn)制數(shù)“36”。

三、系統(tǒng)測試

當(dāng)電路連接完畢后，將寫好的測試程序?qū)懙絾纹瑱C(jī)內(nèi)，通電即可檢測。LCD1602能按設(shè)定的規(guī)則顯示，表明LCD1602顯示正常。鍵盤模塊的設(shè)置采用串口調(diào)試助手軟件，波特率設(shè)為9600。按任意鍵，可以觀察到按鍵操作的數(shù)據(jù)顯示。GSM模塊主要測試不同運(yùn)營商SIM卡的匹配，測試信息是否發(fā)射、接收成功。結(jié)果顯示液晶、鍵盤、GSM模塊工作正常。最后還應(yīng)進(jìn)行整機(jī)的測試，包括短路、開路的檢測、電路連接正確性的檢查以及各個(gè)模塊的功能調(diào)試。

四、電磁干擾測試及結(jié)果分析

所有的電磁干擾（EMI）測試和性能評估都在具有屏蔽和吸波的3m法電波暗室中進(jìn)行。測試頻段分為高頻段（1GHz～6GHz）和低頻段（30MHz～1GHz）。

1、輻射干擾高頻段測試

圖4為輻射干擾高頻段測試結(jié)果。表1為輸入對應(yīng)輸出的測試數(shù)據(jù)。第一次峰值檢波測試結(jié)果表明，1153.333MHz處的曲線超過了國標(biāo)限[1]。產(chǎn)生這種情況的原因是快遞系統(tǒng)與測試設(shè)備接觸不良導(dǎo)致諧波影響峰值檢波；快遞系統(tǒng)內(nèi)部零件產(chǎn)生的干擾諧波。為了保證測試的正確性，對該頻率點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)峰值檢波，結(jié)果離國標(biāo)限值線還有34.9dB余量，符合國家標(biāo)準(zhǔn)，故本系統(tǒng)輻射干擾高頻段測試合格。

表1 高頻段測試值 *

2、輻射干擾低頻段測試

與輻射干擾高頻段測試布置一樣，選用9163天線，360°轉(zhuǎn)臺，天線高度范圍：水平1m～4m，垂直2m～4m。

圖5為RE 低頻段測試結(jié)果。圖中紅色曲線有兩個(gè)波峰，黑色曲線有一個(gè)波峰，它們表示的是系統(tǒng)內(nèi)部某部分電路聚集比較多能量，產(chǎn)生的輻射相對較大一些。在30MHz～50MHz一般是由供電電源引起的，不同的實(shí)驗(yàn)室在這個(gè)頻段的背景噪聲不盡相同；100MHz～500MHz產(chǎn)生的波峰通常是系統(tǒng)的電容或某些電路接地與否所引起的。本次試驗(yàn)測試所得的曲線滿足電磁兼容要求。

因此可以得出結(jié)論：系統(tǒng)通過峰值檢波方式得到的曲線沒有超過國家標(biāo)準(zhǔn)限值曲線，無需進(jìn)行準(zhǔn)峰值檢波，本系統(tǒng)輻射干擾低頻段測試合格。

3、傳導(dǎo)干擾

快遞柜電源或者通信端口與公共網(wǎng)絡(luò)（如電網(wǎng)）連接時(shí)，可能存在共模干擾。下面根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)LISN（Line Impedance Stabilization Network）對本系統(tǒng)的N線與L1線進(jìn)行傳導(dǎo)測試。測試的結(jié)果如圖6所示。

系統(tǒng)的N線與L1線進(jìn)行傳導(dǎo)測試，結(jié)果表明：測試頻率范圍為150kHz～30MHz， 在這個(gè)頻率范圍內(nèi)，系統(tǒng)所產(chǎn)生的傳導(dǎo)干擾跟國家標(biāo)準(zhǔn)《CISPR22 B》規(guī)定的限值還有15dB～20dB的余量。因此，系統(tǒng)傳導(dǎo)干擾符合國家標(biāo)準(zhǔn)。

四、結(jié)論

系統(tǒng)采用了模塊化的設(shè)計(jì)方法，通過GSM 模塊自動(dòng)發(fā)送驗(yàn)證短信，由鍵盤和顯示面板確定功能的選擇與信息的輸入，柜門的開啟動(dòng)作由單片機(jī)控制。

系統(tǒng)電磁干擾滿足以下的國家標(biāo)準(zhǔn)：GB9254—2008/CISPR 22:2006《信息技術(shù)設(shè)備的無線電騷擾限值和測量方法》和GB/T22450.1—2008《900/1800MHz TDMA 數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)電磁兼容性限值和測量方法第一部分：移動(dòng)臺及其輔助設(shè)備》，本系統(tǒng)的輻射干擾和傳導(dǎo)干擾在低頻和高頻段均符合國家有關(guān)的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)。