基于STM32單片機及NB-IoT的智能快遞包裹箱設計

孫 英，湯帥鵬，趙歡歡，朱 旭，賈增虎，劉 毅，邢慶國

基于STM32單片機及NB-IoT的智能快遞包裹箱設計

孫 英，湯帥鵬，趙歡歡，朱 旭，賈增虎，劉 毅，邢慶國

（河北工業(yè)大學 電氣工程學院，天津 300130）

為解決快遞行業(yè)存在的包裝物浪費、污染和保護個人隱私問題，設計了一款可重復使用的智能快遞包裹箱。箱體內采用NB-IoT模塊傳送信息，采用GPS模塊實時記錄快遞的地理位置，穩(wěn)壓模塊用于給箱體提供穩(wěn)定的直流電源；箱體上采用二維碼記錄收發(fā)件信息；箱體外采用無線方式充電。該設計可以幫助學生掌握通信、電路、電子設計和單片機等方面的知識，提升學生的工程實踐能力和創(chuàng)新能力。

快遞包裹箱；智能快遞；單片機應用；NB-IoT；GPS；二維碼

近年來，我國電子商務和物流技術快速發(fā)展和不斷創(chuàng)新，促進了國民經(jīng)濟的發(fā)展、方便了人民的生 活[1-2]。但是，大量的快遞廢棄包裝物給環(huán)境保護工作帶來了沉重負擔[3-4]。為此，國家郵政局下發(fā)了《快遞業(yè)綠色包裝指南(試行)》，要求快遞業(yè)堅持“標準化、減量化和可循環(huán)”的綠色包裝工作目標，加強與上下游協(xié)同，逐步實現(xiàn)包裝材料的減量化和再利用[5]。此外，快遞行業(yè)在服務過程中也存在泄露消費者個人信息的問題[6]。

為解決以上問題，文獻[7]設計了一種使用新型可降解材料“有機硅塑”制造、可循環(huán)利用的快遞箱；文獻[8]設計了一種回收裝置以解決快遞包裹浪費的問題。為減少快遞包裝物對環(huán)境的影響并防止用戶個人信息的泄露，本文提出可重復利用的、保護個人信息和減少資源浪費的智能快遞包裹箱研究項目。本項目為2018年河北工業(yè)大學“大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃”項目并獲得國家級立項，是本科生在學習了單片機后與其他專業(yè)學生共同設計的。該智能快遞包裹箱是一款結合單片機以及NB-IoT模塊來達到節(jié)能環(huán)保、循環(huán)使用、實時定位、便于裝卸和分揀、保護隱私、無線充電等多功能的新型智能快遞包裹箱。

1 系統(tǒng)總體設計方案

智能快遞包裹箱實物圖如圖1所示。

1.1 智能快遞包裹箱系統(tǒng)設計

智能快遞包裹箱的系統(tǒng)設計包括實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的硬件電路部分和進行數(shù)據(jù)處理的軟件部分。硬件電路設計采用模塊化的設計思想，采用STM32單片機作為控制單元，功能模塊包括供電電池模塊、無線充電模塊、穩(wěn)壓電源模塊、GPS模塊、ADC光敏模塊、NB-IoT模塊等。硬件電路設計框圖如圖2所示。

圖2 硬件電路設計框圖

GPS模塊通過IIC協(xié)議與STM32單片機之間進行通信，將包裹箱的位置信息（經(jīng)/緯度）發(fā)送給單片機；ADC光敏傳感器模塊通過SPI協(xié)議與單片機之間完成通信，將包裹箱的溫度和濕度信息發(fā)送給單片機；單片機將包裹箱的信息進行整理后發(fā)送給NB-IoT模塊，NB-IoT模塊采用COAP協(xié)議與云端對接，將包裹箱的信息發(fā)送至云端并完成數(shù)據(jù)備份。當包裹箱到站后，系統(tǒng)將接收包裹的位置信息并自動向用戶發(fā)送信息。每個包裹箱都配有無線充電模塊，為包裹箱內的電池提供電能，以此保證對包裹箱電量的供給。

軟件部分采用HTML CSS JAVASCRIPT進行編寫，網(wǎng)絡平臺界面主要包括注冊功能、GPS定位功能、查找功能、添加包裹、溫濕度信息實時顯示功能以及數(shù)據(jù)備份等功能。包裹信息的數(shù)據(jù)傳送過程如下：

（1）將信息發(fā)送到PC端，串口助手將接收到的數(shù)據(jù)流轉向文件；

（2）PC運行的中繼程序實時監(jiān)聽數(shù)據(jù)文件內容的變化，將文件上傳到網(wǎng)站根目錄中；

（3）將上傳到站點的數(shù)據(jù)文件分割，然后存入數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)表的相關屬性列；

（4）平臺界面定時刷新數(shù)據(jù)并實時顯示，由DBMS保證數(shù)據(jù)的可靠性。

1.2 智能快遞包裹箱使用流程

智能快遞包裹箱的使用流程如下：

（1）選取規(guī)格：快遞公司按照物件的大小和客戶要求選擇規(guī)格適當?shù)目爝f包裹箱；

（2）填寫運單：客戶按照要求填寫電子運單，快遞信息將會更新到指定包裹箱的二維碼上（每個包裹箱都有唯一的二維碼，箱體的6個面都可見）；

（3）獲取單號：信息確定無誤后，快遞公司將運單號發(fā)給用戶，用戶可通過運單號隨時查詢快遞件狀態(tài)；

（4）包裹填充：快遞公司員工將用戶的物品放入包裹箱并放置填充物，填充物循環(huán)使用；

（5）分揀運送：分揀機將用戶所寄包裹按不同城市進行分揀，然后向各地發(fā)送；因為每個包裹箱均可GPS定位，故用戶可以實時、準確地了解自己郵件的位置信息；

（6）再分揀配送：包裹箱送達中轉站后，中轉站接收由包裹箱內NB-IoT模塊發(fā)出的信號，此信號是包裹箱到達信號，用作信息收集與整理；包裹到達小站點后，接收器再次接收包裹箱內NB-IoT模塊發(fā)出的射頻信號，同時向收件方自動發(fā)送取件信息；

（7）憑號取件：用戶憑手機上顯示的運單號和本人手機號取件；

（8）開包驗收：信息核對無誤后，由站點工作人員打開包裹箱，將物品交收件人并回收包裹箱；

（9）包裹箱回收：將包裹箱回收和清理，通過掃碼清除用戶信息，準備再次利用。

2 硬件電路設計與測試

2.1 NB-IoT模塊

窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術（NB-IoT）屬于低能耗且應用范圍廣的技術[9]。窄帶物聯(lián)網(wǎng)又被稱為低功耗廣域網(wǎng)。目前窄帶物聯(lián)網(wǎng)的帶寬消耗已經(jīng)降至180 kHz，具有大容量、高覆蓋、低功耗和低成本的優(yōu)點，因而在GSM網(wǎng)絡、UMTS網(wǎng)絡和LTE網(wǎng)絡中都可以部署窄帶物聯(lián)網(wǎng)[10-11]。目前，移動通信已從人與人的連接擴展到人與物以及物與物的連接，萬物互聯(lián)已成為必然趨勢[12]。本智能快遞包裹箱通過NB-IoT技術將GPS模塊所獲得的快遞包裹箱位置信息傳送到后臺，能耗低、環(huán)境適應能力強。NB-IoT模塊采用5 V供電，每間隔15 min向外發(fā)射一次信號。STM32單片機通過串行口與NB-IoT模塊相連，并控制NB-IoT模塊；NB-IoT模塊則與網(wǎng)絡端相連，實現(xiàn)雙向透明傳輸。NB-IoT模塊接線端子如圖3所示。

圖3 NB-IoT模塊端子圖

2.2 STM32單片機

STM32單片機比市場上同種類的單片機價格低、功能強、使用簡單、開發(fā)方便。本系統(tǒng)采用STM32L476RCT6新一代單片機，具有功耗低、抗干擾能力強的特點。利用單片機對采集到的快遞包裹箱實時位置、箱內溫濕度等信息進行處理后，將信息通過NB-IoT無線數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡平臺。

2.3 無線充電

無線充電部分采用電磁感應式充電，其核心是通過一個振蕩電路在發(fā)射線圈中產生一定頻率變化的交流電，其變化的電流會在線圈周圍的空間產生一個變化的磁場。該變化的磁場在接收端線圈中產生感生電動勢，當接收線圈部分形成閉合回路時便可以產生交變電流，再將接收端的交流電經(jīng)過整流穩(wěn)壓之后傳輸給電子產品，從而實現(xiàn)無線充電[13]。

電磁感應式充電器主要由2個金屬繞線環(huán)組成，一個在快遞包裹箱底部，一個在充電板上。采用輸入12 V/1 A、輸出5 V/2 A的無線充電模塊，屬于小功率充電方式。當快遞箱放在充電板上，充電指示燈亮起，快遞箱開始充電。無線充電部分實物如圖4所示。

圖4 無線充電部分實物圖

2.4 二維碼

二維碼的廣泛應用給人們的生活和生產活動帶來了極大的便利[14]。二維碼可以實現(xiàn)對產品各項信息的存儲，并且具有高密度編碼、信息量大、防偽保密性好、譯碼及糾錯能力強、制作易、成本低等優(yōu)點[15]?？爝f包裹箱用二維碼來代替?zhèn)鹘y(tǒng)紙質的單據(jù)，能夠節(jié)約運輸成本和運輸資源。每一個快遞包裹箱上面都有唯一的二維碼，每當快遞包裹箱使用時，可以將收件人和發(fā)件人的信息置入二維碼中。當需要了解包裹信息時，只需掃描二維碼即可。

2.5 硬件電路測試

智能快遞包裹箱設計完成后，對包裹箱硬件電路進行了測試，如圖5所示。首先打開包裹箱的電源，包裹箱內部硬件設備開始向網(wǎng)絡平臺傳送包裹箱內部的溫濕度信息和包裹箱位置信息等數(shù)據(jù)。

圖5 硬件電路測試圖

3 軟件設計及測試

軟件的設計采用模塊化思想，首先進行結構設計，然后進行過程設計。

軟件的結構分為登錄模塊、包裹信息管理模塊兩部分。登錄模塊的功能細化為登錄和注冊兩個子功能；包裹信息管理模塊的功能細化為查找包裹和包裹信息查看兩個子功能。

過程設計確定每個模塊的處理過程。

在進行軟件測試時，首先采用白盒測試方法，覆蓋標準為基本路徑測試，測試無誤后進入黑盒測試環(huán)節(jié)，由測試人員從用戶角度對軟件進行測試。

快遞包裹箱的位置信息、箱內溫濕度的信息通過NB-IoT傳輸?shù)骄W(wǎng)絡平臺，網(wǎng)絡平臺將數(shù)據(jù)進行處理與分析。快遞包裹箱的位置信息顯示界面如圖6(a)所示，位置信息由地圖搭載，直觀明了；溫度信息和濕度信息被繪制成折線圖，以線圖的形式提供給客戶，讓用戶了解快遞包裹箱內溫度/濕度的變化情況，如圖6(b)圖6(c)所示。此外，軟件系統(tǒng)配有數(shù)據(jù)備份功能，方便對信息的調取。

圖6 快遞包裹箱的信息顯示界面

4 結語

本文設計的智能快遞包裹箱使用二維碼代替?zhèn)鹘y(tǒng)的紙質單據(jù)，不但能較好地保護用戶的隱私，而且能在一定程度上減少快遞包裝物對環(huán)境保護的壓力，提高快遞的效率。箱體采用無線充電方式，也使得充電方式快捷、簡單。

該設計項目應用于高校學生創(chuàng)新實踐環(huán)節(jié)，充分利用STM32單片機和窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術NB-IoT模塊，將硬件和軟件相結合，幫助學生掌握通信、電路、電子設計和單片機技術等方面的知識，激發(fā)學生的學習興趣，提升學生的工程實踐能力和創(chuàng)新能力。

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Design of intelligent express packing box based on STM32 SCM and NB-IoT

SUN Ying, TANG Shuaipeng, ZHAO Huanhuan, ZHU Xu, JIA Zenghu, LIU Yi, XING Qingguo

(School of Electrical Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300130, China)

In order to solve the problems of waste, pollution and privacy protection in the express industry, a reusable intelligent express package box is designed. The NB-IoT module is used to transmit information, GPS module is adopted to record the geographical position of express delivery in real time, and voltage stabilization module is used to provide the stable DC power supply for the box. The two-dimensional code is applied to record the sending and receiving information on the box body, and wireless charging is used outside the box body. This design can help students to master the knowledge of communication, circuit, electronic design, SCM, etc., and improve their engineering practice and innovation ability.

express package box; intelligent express; SCM application; NB-IoT; GPS; two-dimensional code

TP368.1

A

1002-4956(2019)10-0148-04

10.16791/j.cnki.sjg.2019.10.035

2019-04-02

2019-06-13

教育部高教司2018年第二批產學合作協(xié)同育人項目（201802022034）；2016-2017河北省高等教育教學改革研究與實踐項目（2016GJJG022）；2018-2019河北省高等教育教學改革研究與實踐項目（2018GJJG582）；河北工業(yè)大學教改項目（201704019）

孫英（1970—），女，河北樂亭，博士，副教授，主要從事電子技術教學以及電工理論與新技術研究。E-mail: sunying@hebut.edu.cn