基于物聯(lián)網(wǎng)的校園快遞派送控制系統(tǒng)的研究

田君航　尹鴻銘　鐘葉飛　董浩　劉歆

摘? 要：互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展帶動了快遞行業(yè)的空前繁榮，但快遞行業(yè)仍存在“最后一公里”的資源浪費(fèi)、效率低下、可靠性不足以及用戶體驗(yàn)感差等一系列問題。文章依托物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建智能運(yùn)送機(jī)器人派件系統(tǒng)，制造一種具備自動取件和派送功能的機(jī)器人。該機(jī)器人可以自動循跡送貨，亦可按照客戶要求到指定位置取件然后再將物品運(yùn)送至指定位置。從而最大限度地解放勞動力，提升物流運(yùn)輸效率并滿足客戶急件運(yùn)輸?shù)男枨蟆?/p>

關(guān)鍵詞：樹莓派;智能運(yùn)送機(jī)器人;控制系統(tǒng);微信小程序

中圖分類號：TP273? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2021）17-0178-04

Abstract： The rapid development of the internet has driven the unprecedented prosperity of the express delivery industry. However， the express delivery industry still has a series of problems such as “the last mile” resources waste， low efficiency， insufficient reliability， and poor user experience. Relying on the internet of things technology， this paper constructs an intelligent delivery robot dispatch system， and builds a robot with automatic pickup and dispatch functions. The robot can automatically track delivery， or arrive at the designated location to complete the pickup process according to the customer's requirements， and then deliver the items to the customer's designated location. In this way， labor is liberated to the greatest extent， the efficiency of logistics and transportation is improved， the needs of users for urgent transportation are met.

Keywords： Raspberry Pi; intelligent delivery robot; control system; WeChat applet

0? 引? 言

現(xiàn)如今，網(wǎng)購已逐漸成為一種新興的消費(fèi)方式，而網(wǎng)購的興起也促進(jìn)了快遞行業(yè)的蓬勃發(fā)展。但快遞量的大幅增長也不可避免地帶來一些問題，就目前市場上的區(qū)域內(nèi)快遞末端服務(wù)來看，主要有以下幾類：使用智能快遞柜或設(shè)立驛站、快遞員派送、區(qū)域快遞存放于附近商家[1]。這些配送模式的缺點(diǎn)體現(xiàn)在：配送成本高、配送效率低、快遞人員送貨時(shí)間與用戶時(shí)間沖突[2]。加之2020年疫情的到來，給物流行業(yè)帶來不小的影響，采用更先進(jìn)更智能化的配送方案，不僅能夠降低疫情期間的交叉感染，也能使人們的生活更加智能化、數(shù)字化[3]。

依托此立項(xiàng)背景，為解決校園、小區(qū)等小型區(qū)域的“最后一公里”問題，制造集智能倉儲與物流配送為一體、具備自動取件和派送功能的機(jī)器人[4]。該機(jī)器人可以自動循跡，按照客戶要求到達(dá)指定位置后對具有特定特征（快遞）的物品進(jìn)行自動抓取搬運(yùn)派送，然后將物品運(yùn)送至指定位置。智能運(yùn)送機(jī)器人并不是完全脫離人的獨(dú)立運(yùn)行，可以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。機(jī)器人如在自動運(yùn)行過程中遇到特殊情況，可以采取人工干預(yù)方式做出相應(yīng)處理。通過大數(shù)據(jù)應(yīng)用3S+技術(shù)可以快速獲取和更新智能運(yùn)送機(jī)器人的地理位置信息，在發(fā)送客戶快遞通信信息的同時(shí)可以反饋?zhàn)陨硇畔ⅰＶ悄芑夹g(shù)的引入，解決了配送成本高、配送效率低、快遞人員送貨時(shí)間與用戶時(shí)間沖突等問題，能夠最大限度地解放勞動力，提升物流運(yùn)輸效率，為物流行業(yè)的健康發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)可靠的技術(shù)基礎(chǔ)[5]。

1? 系統(tǒng)功能介紹

該項(xiàng)目結(jié)合機(jī)械臂控制、圖像處理、3S+、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，以智能運(yùn)送機(jī)器人為主要研究對象。機(jī)械臂用以通過掃描特定特征物品實(shí)現(xiàn)自動抓取、放置貨物;攝像頭可掃描二維碼并記錄周圍信息實(shí)時(shí)反饋給云端;智能運(yùn)送機(jī)器人通過紅外、超聲波模塊避障，可自行處理突發(fā)情況，輔以GPS定位系統(tǒng)進(jìn)行循跡。

通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，建立計(jì)算機(jī)與智能運(yùn)送機(jī)器人之間的聯(lián)系，通過小程序發(fā)送任務(wù)指令。智能運(yùn)送機(jī)器人提供實(shí)時(shí)反饋周圍信息、實(shí)時(shí)進(jìn)行信息交互，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙感等功能，以此達(dá)到自動取件和派送的目的。同時(shí)，客戶還可以在微信小程序上下單，智能運(yùn)送機(jī)器人根據(jù)地理位置信息進(jìn)行派送，到達(dá)指定位置后，客戶可以通過輸入矩陣密碼或者是掃描微信二維碼的方式取件，具體流程為：

當(dāng)客戶在小程序上下單后，智能運(yùn)送機(jī)器人在派送過程中會通過通信功能向指定的客戶發(fā)送取件信息。小程序反饋給機(jī)器人貨物坐標(biāo)，機(jī)器人移動至貨物所在的區(qū)域，再通過機(jī)械臂將貨物取出，然后根據(jù)GPS定位規(guī)劃的路線將貨物運(yùn)送至指定地點(diǎn)，在即將到達(dá)指定地點(diǎn)時(shí)，向取件人發(fā)送取件短信，取件人到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)后，需要通過掃描二維碼或者是輸入取貨密碼的方式取出貨物。若還有任務(wù)，機(jī)器人則繼續(xù)循跡至下一家。機(jī)器人在完成任務(wù)（或是電壓低于特定值）后將自動返回指定區(qū)域，進(jìn)入待機(jī)或無線充電模式。

2? 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及各功能模塊

2.1? 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

智能運(yùn)送機(jī)器人的硬件組件有：RaspberryPi4樹莓派主控核心芯片、HD1313OpenCV攝像頭、HC-SR04超聲波、四路巡線紅外探測、CN3163太陽能光伏板、5HW-225無線充電、JETSON NANO機(jī)械臂、MicroSD讀寫卡、ATK-ESP8266串口Wi-Fi、ATK1218-BD GPS以及PS2無線遙控手柄。各部分器件通過銅柱、打膠以及連線連接。

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程如圖1所示，實(shí)物圖如圖2所示。

2.2? 圖像處理模塊

使用HD1313OOpenCV攝像頭進(jìn)行圖像處理，該攝像頭可以通過機(jī)器視覺算法處理復(fù)雜的輸出，從而實(shí)現(xiàn)人臉識別、物體識別和追蹤功能。此模塊主要用于實(shí)時(shí)監(jiān)控快遞機(jī)器人的動向以及對取件人照片的收集，避免后期不必要的損失。

2.3? 循跡避障功能

循跡避障部分包括HC-SR04超聲波模塊和紅外探測模塊：（1）HC-SR04超聲波模塊。小車在行進(jìn)的過程中，會向外界發(fā)出超聲波并根據(jù)超聲波傳出及傳回的時(shí)間來判斷前方是否有障礙物，若有障礙物則停下，若無障礙物則繼續(xù)前行。（2）紅外探測模塊。我們在小車的模擬行進(jìn)路線上鋪設(shè)了黑線，發(fā)射管隨時(shí)發(fā)送紅外線對外界進(jìn)行掃描，接收管接收返回的紅外信號。當(dāng)掃描到黑線時(shí)，由于大部分紅外線被黑線吸收，返回的紅外線減少，燈便會熄滅，我們通過燈的亮滅來設(shè)計(jì)不同情況下機(jī)器人的左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)或其他行為。

2.4? 充電功能

充電功能通過5HW-225無線充電模塊實(shí)現(xiàn)。該模塊依據(jù)電磁感應(yīng)原理（即變化的電流流過線圈產(chǎn)生變化的磁場，與緊挨的配對線圈耦合產(chǎn)生相應(yīng)的電壓）對小車進(jìn)行無線充電。

2.5? 物品取件功能

物品取件功能通過JETSONNANO機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)。我們通過控制機(jī)械臂力矩、規(guī)劃機(jī)械臂關(guān)節(jié)空間運(yùn)動軌跡使其具有模仿人手動作的功能，從而實(shí)現(xiàn)抓取和握緊（吸附）物品等操作。

3? 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1? 系統(tǒng)運(yùn)作概述

裝取貨物時(shí)，系統(tǒng)通過攝像頭識別貨物二維碼，處理數(shù)據(jù)并反饋剩余空格子的位置，樹莓派記錄其坐標(biāo)后將其放置在格子中?？蛻粼谛〕绦蛏舷聠魏?，云端接收訂單信息后向樹莓派發(fā)送訂單信息，樹莓派接收訂單信息并反饋給機(jī)器人貨物坐標(biāo)，機(jī)器人移動至貨物所在的區(qū)域，用機(jī)械臂將貨物取出，然后根據(jù)GPS定位規(guī)劃的路線將貨物運(yùn)送至指定地點(diǎn)，在即將到達(dá)指定地點(diǎn)時(shí)，向取件人發(fā)送取件短信。機(jī)器人到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)后，取件人需通過掃描二維碼或者是輸入取件碼的方式取出貨物，若還有任務(wù)，機(jī)器人則繼續(xù)循跡至下一家，機(jī)器人在完成任務(wù)（或是電量低于特定值）后將自動返回指定區(qū)域，進(jìn)入待機(jī)或無線充電模式。

3.2? 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主程序?qū)崿F(xiàn)流程如圖3所示。

流程實(shí)現(xiàn)代碼為：

Main.py：（主函數(shù)）

importdianji? #? 0＼1＼2＼3＼4? stop＼qianjin＼houtui＼L＼R

import time

importcsb

importhongwai as hw

while True：

dianji.qd（1，50）

hw.track（）

ifcsb.get_distance（）<20：

while True：

dianji.qd（0）

ifcsb.get_distance（）>20：

break

3.3? 微信小程序設(shè)計(jì)

將微信小程序設(shè)計(jì)為用戶可以在上面下單并提交快遞信息，當(dāng)快遞件到達(dá)時(shí)，用戶可以通過掃描二維碼或輸入取件碼的方式取件。通過微信小程序和云端控制，可以滿足客戶需求。通信功能實(shí)現(xiàn)方式為：客戶通過小程序下單，云端接收指令后向智能快遞機(jī)器人發(fā)送指令，機(jī)器人控制系統(tǒng)控制機(jī)械臂自動識別并抓取貨物，如圖4所示。

快遞到達(dá)指定地點(diǎn)后，客戶可通過微信小程序掃碼或輸入取件碼的方式提取快遞包裹，云端可通過用戶輸入的取件碼，判斷是否為客戶所需的快遞。如果客戶輸入的取件碼不正確，則取件失敗，并且客戶可以根據(jù)自己的需求發(fā)送短信“QJ”指令到云端，云端將會重新為其發(fā)送取件碼，如圖5所示。

微信小程序客戶下單核心代碼為：

async submit（） {

let info = {

userAddress： this.data.userAddress，

userSize： this.data.selectedUserSize，

remark： this.data.remark，

price： this.data.price，

time： this.data.times[this.data.times_index]，

store： this.data.stores[this.data.stores_index]，

number： this.data.number[this.data.number_index]

}

Let oldInfor = await wx.getStorage（{

key： "info"

}）.catch（_=>{}）

if （oldInfor） {

let newInfor = oldInfor.data

newInfor.push（info）

wx.setStorage（{

key： "info"，

data： newInfor

}）

} else {

wx.setStorage（{

key： "info"，

data： [info]

}）

}

console.log（await wx.getStorage（{

key： "info"

}））;

wx.showToast（{

title： 'ok！'，

}）

wx.navigateBack（{

delta： 1

}）

}

應(yīng)用界面如圖6所示。

4? 實(shí)物測試

接通電源后機(jī)器人沿著規(guī)劃的路線循跡，途中我們用手對其進(jìn)行遮擋，在識別到前方有遮擋物后，機(jī)器人停止了移動，在我們將手拿開后機(jī)器人繼續(xù)前行，同時(shí)，機(jī)器人將攝像頭捕捉到的信息實(shí)時(shí)返回給電腦，我們可以通過其返回的信息對機(jī)器人進(jìn)行遠(yuǎn)程遙感，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)信息交互等功能。如圖7、圖8所示，無線充電模塊通過電磁感應(yīng)對機(jī)器人進(jìn)行充電，圖9顯示電壓為12.5 V，電流為0.69 A，表示正在進(jìn)行無線充電。

5? 結(jié)? 論

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的校園快遞派送控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)校園快遞的無人配送，并根據(jù)用戶的需求選擇合適的時(shí)間進(jìn)行配送，在方便用戶、提高用戶體驗(yàn)感的同時(shí)還能降低各種配送成本，助力于各大快遞公司的規(guī)?；l(fā)展，這是一種雙贏的選擇。

參考文獻(xiàn)：

[1] 趙麗萍，王偉全.智能化快遞末端配送設(shè)計(jì)模式初探 [J].科技與創(chuàng)新，2016（22）：29.

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[4] 席悅.“最后一公里”快遞柜成行業(yè)新風(fēng)口 [J].中國物流與采購，2017（21）：46-47.

[5] 沈逸飛，朱真逸，王逸飛，等.“人工智能+物流”中智能配送與管理的應(yīng)用 [J].科技風(fēng)，2021（8）：74-75.

作者簡介：田君航（2001.01—），男，苗族，貴州雷山人，本科在讀，研究方向：電氣工程及其自動化;通訊作者：吳韜（1979.08—），男，回族，寧夏石嘴山人，副教授，學(xué)士學(xué)位，研究方向：電力電子與電力拖動。