基于STM32F103 的智能快遞分揀系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊 麗 范江波

(三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程學(xué)院，河南三門峽 472000)

目前我國(guó)快遞數(shù)量在逐年劇增，中小城市的小型快遞公司也越來(lái)越多，各個(gè)快遞公司業(yè)務(wù)中的首要環(huán)節(jié)就是快遞分揀業(yè)務(wù)。而如何快速進(jìn)行包裹的分揀，是快遞公司提高效率的重中之重，為解決人工分揀中的速度慢、效率低、容易出錯(cuò)問(wèn)題，現(xiàn)有很多智能快遞分揀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能龐大，尤其是昂貴的價(jià)格導(dǎo)致很多小型快遞公司無(wú)力購(gòu)置[1-4]，本項(xiàng)目針對(duì)快遞行業(yè)中中小城市的小型快遞公司需求，設(shè)計(jì)了一款基于STM32F103 微處理器的智能快遞分揀系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)包裹信息的識(shí)別、檢測(cè)、自動(dòng)分選功能，目的在于提高快遞公司分揀快件的效率。

1 系統(tǒng)組成

小型智能快遞分揀控制系統(tǒng)主要由主機(jī)控制系統(tǒng)和若干個(gè)分揀控制模塊組成，主機(jī)控制系統(tǒng)包括STM32F103 處理器、迪文串口屏以及讀碼器、通信模塊組成。分揀控制模塊包括STM32F103 處理器、紅外傳感及快件分揀電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路組成，系統(tǒng)整體框圖如圖1 所示。

圖1 智能快遞分揀系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)工作時(shí)由工作人員將快件放置在傳送帶上，由傳送帶將快件送至主機(jī)控制模塊的讀碼器下方，讀碼器首先讀取快件信息，然后將快件要分揀的信息進(jìn)行記錄并顯示到串口彩色屏上，并利用通信模塊將相應(yīng)的快件信息發(fā)送至計(jì)算機(jī)主機(jī)進(jìn)行記錄和數(shù)據(jù)保存。該快件在傳送帶上繼續(xù)移動(dòng)，當(dāng)經(jīng)過(guò)快件分揀口時(shí)，紅外感應(yīng)傳感器會(huì)將該快件的位置信息通過(guò)RS485 通信總線發(fā)送至主機(jī)控制模塊，由主機(jī)控制模塊對(duì)該快件的記錄信息進(jìn)行計(jì)算和分析，并給出是否由該分揀控制模塊完成對(duì)應(yīng)的分揀處理，如果是該分揀口的快件，主機(jī)控制發(fā)送信息給該分揀控制模塊，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)將該快件推送至該區(qū)域，如果不是該分揀口的快件，則該快件會(huì)繼續(xù)前行，直至相應(yīng)的分揀口完成分揀處理。在完成一個(gè)分揀處理后，對(duì)應(yīng)分揀處理模塊會(huì)將處理完成信息發(fā)送至主機(jī)控制模塊以及計(jì)算機(jī)上位機(jī)系統(tǒng)。

2 智能快遞分揀系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

智能快遞分揀系統(tǒng)硬件主要完成快件的信息檢測(cè)以及采集信息、處理信息的顯示和快件位置檢測(cè)、快件分揀功能，快件信息掃描采用串口輸出的二維碼通用掃描器，利用RS232 接口將信息傳送給主控制處理器，經(jīng)過(guò)主控處理器的信息分析和處理后將信息發(fā)送至PC 主機(jī)和串口模式的彩色顯示觸摸屏及各個(gè)子控制模塊實(shí)現(xiàn)快遞分揀。

2.1 快件掃描識(shí)別模塊

為方便系統(tǒng)功能擴(kuò)展和信息識(shí)別方式選擇，在本設(shè)計(jì)中選用了7200 二維碼掃描平臺(tái)。該掃描器可掃描各種一維/二維碼，能夠多種模式中進(jìn)行切換，能夠滿足不同的掃描環(huán)境使用要求，自動(dòng)感應(yīng)且360 度掃描無(wú)盲區(qū)，保證在快遞分揀時(shí)能夠準(zhǔn)確無(wú)誤地完成快件信息的掃描，同時(shí)該掃描器的輸出方式具備USB 和RS232 串口通信兩種模式，可以方便地進(jìn)行切換，為今后系統(tǒng)的升級(jí)改造預(yù)留接口。

2.2 串口屏顯示模塊

快件分揀系統(tǒng)的信息顯示使用迪文公司的串口屏，主控處理器STM32F103C8T6 通過(guò)串行口TX、RX 與顯示屏進(jìn)行通信，通過(guò)交互數(shù)據(jù)完成顯示屏上掃描快件的信息以及處理的信息顯示，在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中通過(guò)迪文串口屏的電平跳線，設(shè)置通信接口方式為RS232 電平，波特率定義為115200bps，方便后期的系統(tǒng)集成使用。控制系統(tǒng)上的RS232 接口電路設(shè)計(jì)如圖2 所示。

圖2 RS232 通信電路

2.3 紅外感應(yīng)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

在快遞分揀系統(tǒng)中選用歐姆龍小型漫反射型E3Z-LS63 紅外傳感器完成快件的位置檢測(cè)，該傳感器抗干擾能力強(qiáng)、不受外界物體顏色和形狀影響。當(dāng)快件在流水線上移動(dòng)到傳感器檢測(cè)范圍內(nèi)時(shí)，傳感器返回低電平信號(hào)，傳感器上的橙色指示燈被點(diǎn)亮，表明在該位置檢測(cè)到快件。E3Z-LS63 傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3 所示，模塊采用集電極開(kāi)路輸出方式，輸出信號(hào)線通過(guò)上拉電阻，然后接到STM32F103C8T6 處理器的IO 口。

圖3 紅外感應(yīng)檢測(cè)電路

2.4 RS485 通信電路設(shè)計(jì)

快遞件的位置信息通過(guò)各個(gè)子模塊進(jìn)行檢測(cè)，并將檢測(cè)到的信息傳送到主控模塊，由主控模塊將快遞件的信息合并后發(fā)送到各個(gè)控制輸出的子模塊，由各個(gè)子控制模塊根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)分揀各個(gè)快遞件。在整個(gè)快遞分揀系統(tǒng)中，為了便于通信和擴(kuò)展快遞分揀系統(tǒng)規(guī)模，系統(tǒng)的主控制器和各個(gè)分揀控制器之間通過(guò)RS485 進(jìn)行通信，智能快遞分揀系統(tǒng)采用這種分離的模塊化設(shè)計(jì)，使整個(gè)快遞分揀系統(tǒng)在小城市快遞公司的分揀中更容易使用和推廣?？刂破鞑捎肕AX485CPA 芯片完成RS485 通信，RS485 通信的傳輸距離可以達(dá)到1000m 以上，傳輸最高速率可以達(dá)到10Mbps，接口采用差分接收和平衡驅(qū)動(dòng)方式，具有很強(qiáng)的抗干擾性能，非常適合在快遞分揀系統(tǒng)中建立通信[5]。系統(tǒng)各個(gè)控制器中的RS485 電路設(shè)計(jì)如圖4 所示。

圖4 RS485 通信電路

2.5 分揀驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

模塊化設(shè)計(jì)的整個(gè)系統(tǒng)中另一個(gè)重要環(huán)節(jié)是系統(tǒng)將檢測(cè)到位的快遞件通過(guò)電機(jī)或者氣動(dòng)裝置推入分揀軌道，控制輸出的子模塊核心處理器仍然采用STM32F103C8T6 芯片，核心處理器電路不變，增加電機(jī)輸出控制電路、LED 動(dòng)作指示燈及繼電器輸出接口，便于后期選用不同的分揀模式。繼電器輸出電路采用光耦隔離，避免設(shè)備動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生的干擾信號(hào)影響處理器，電機(jī)控制及繼電器輸出驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)如圖5 所示。

3 智能快遞分揀系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)軟件整體結(jié)構(gòu)

智能快遞分揀系統(tǒng)的程序包括主控模塊程序和子控模塊程序兩個(gè)部分，兩個(gè)程序之間通過(guò)RS485-Modbus 協(xié)議通信，協(xié)調(diào)完成快遞分揀任務(wù)。主控模塊程序主要實(shí)現(xiàn)快遞件的信息掃描及掃描信息顯示和數(shù)據(jù)輸出發(fā)布，子控模塊程序主要實(shí)現(xiàn)快遞件位置檢測(cè)，并將檢測(cè)到信息發(fā)送給主控模塊，提供主控模塊對(duì)快遞件位置信息的發(fā)布以及協(xié)調(diào)子控模塊實(shí)現(xiàn)快遞件的分配。

圖5 分揀驅(qū)動(dòng)電路

智能快遞分揀系統(tǒng)的主模塊主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)快遞件的條碼進(jìn)行識(shí)別，并根據(jù)識(shí)別的條碼信息判斷出該快遞件應(yīng)該分揀到哪個(gè)區(qū)域，然后根據(jù)各個(gè)子控模塊發(fā)送回的快遞件到位信息，分析并判斷快遞件的位置信息，然后修改快遞件數(shù)組信息，并實(shí)時(shí)顯示每個(gè)快遞件已到達(dá)的位置。在快遞件到達(dá)對(duì)應(yīng)位置時(shí)，發(fā)送命令給對(duì)應(yīng)子模塊將快遞件從傳送帶推送至相應(yīng)的分揀區(qū)域，完成快遞的分揀任務(wù)。主控程序首先針對(duì)STM32F103芯片內(nèi)部資源進(jìn)行初始化、LCD 顯示屏初始化等，然后通過(guò)中斷方式讀取條碼掃描器的串口數(shù)據(jù)生成數(shù)據(jù)庫(kù)，將通過(guò)485 接收到的其他子模塊發(fā)送的信息合成修改數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)。最終發(fā)送相應(yīng)的命令給子模塊。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

3.2 快件掃描識(shí)別程序設(shè)計(jì)

智能快遞分揀系統(tǒng)中關(guān)鍵部分是準(zhǔn)確獲取快遞件的相關(guān)信息，只有準(zhǔn)確獲取快遞件信息和快遞件在分揀通道的精確位置，主控才能發(fā)出將快遞包裹推送到對(duì)應(yīng)的分揀區(qū)域中。系統(tǒng)選用二維碼與條形碼一體化掃描器，掃描后串口直接輸出條形碼信息，條形碼識(shí)別數(shù)據(jù)接收部分代碼如下。

圖6 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框架

3.3 RS485 通信接口程序設(shè)計(jì)

一般工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)情況復(fù)雜，尤其是電磁干擾及電源干擾現(xiàn)象嚴(yán)重，采用RS485 來(lái)進(jìn)行通信可以有效解決共模干擾問(wèn)題。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)Modbus 總線通信協(xié)議能較好地解決復(fù)雜情況下的通信穩(wěn)定問(wèn)題，Modbus 協(xié)議定義了請(qǐng)求訪問(wèn)的過(guò)程及回應(yīng)方式、偵錯(cuò)機(jī)制和消息內(nèi)容等[6]。Modbus 的通信方式有ASCII 模式和RTU 模式兩種。在本系統(tǒng)中使用RTU 模式。其數(shù)據(jù)格式如表1 所示。

表1 Modbus 協(xié)議RTU 模式數(shù)據(jù)格式

3.4 串口屏驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

迪文串口屏的DGUS 軟件采用應(yīng)用任務(wù)式管理，首先設(shè)計(jì)好串口屏上的快遞分揀系統(tǒng)的數(shù)據(jù)顯示內(nèi)容格式及位置信息，在工作時(shí)串口屏從STM32F103 的串口獲取相應(yīng)的條形碼信息及快遞包裹位置信息存入數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)位置中，DGUS 系統(tǒng)將數(shù)據(jù)刷新到LCD 屏相應(yīng)的顯示區(qū)域[7]。當(dāng)工作人員在屏幕上操作時(shí)，LCD 通過(guò)串口將對(duì)應(yīng)操作信息發(fā)送給微處理器，由微處理器對(duì)操作信息進(jìn)行處理。

4 測(cè)試數(shù)據(jù)分析與處理

本項(xiàng)目對(duì)比分析了各類快遞分揀系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法的優(yōu)劣，結(jié)合企業(yè)實(shí)際情況，認(rèn)真篩選了項(xiàng)目所需元器件、測(cè)量傳感器以及通信模塊，設(shè)計(jì)完成了智能快遞分揀系統(tǒng)，針對(duì)智能快遞分揀系統(tǒng)測(cè)試進(jìn)行了快遞包裹識(shí)別、快遞包裹分揀測(cè)試。測(cè)試界面如圖7 所示。

圖7 智能快遞分揀系統(tǒng)測(cè)試界面

首先，利用計(jì)算機(jī)和主控系統(tǒng)模塊，針對(duì)不同快遞包裹進(jìn)行條碼讀取和分析，并將對(duì)應(yīng)的包裹信息及分揀目的地信息發(fā)送到計(jì)算機(jī)平臺(tái)，在迪文串口屏上將對(duì)應(yīng)信息進(jìn)行顯示，測(cè)試結(jié)果表明信息檢測(cè)部分功能完全正常。其次利用小型傳送帶，模擬進(jìn)行快遞分揀，設(shè)置分揀區(qū)域4 個(gè)，快遞包裹數(shù)量設(shè)置18 個(gè)，利用系統(tǒng)進(jìn)行模擬測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明全部分揀正確，功能基本完成。

通過(guò)測(cè)試結(jié)果分析，該智能快遞分揀系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)了預(yù)定的設(shè)計(jì)目標(biāo)，能夠?qū)⒖爝f包裹進(jìn)行自動(dòng)分揀。

5 結(jié)論

本項(xiàng)目從解決快遞業(yè)急劇增加的快遞分揀難題出發(fā)，就現(xiàn)有快遞分揀系統(tǒng)的功能組成以及優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析，結(jié)合本地快遞業(yè)實(shí)際情況，走訪了大量的快遞公司和業(yè)務(wù)人員，根據(jù)目前中小城市小型快遞公司對(duì)于快遞分揀業(yè)務(wù)的實(shí)際需求，設(shè)計(jì)完成了智能快遞分揀系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)及系統(tǒng)分析。實(shí)現(xiàn)了低成本、高性能的智能快遞分揀包裹的功能。