集紅外傳感與GSM模塊于一體的智能快遞包裝回收箱設(shè)計(jì)

徐濤，朱金辰，孫月，王婷，李金豪，史道玲

（安徽新華學(xué)院電子工程學(xué)院，安徽合肥，230088）

0 引言

在物流行業(yè)飛速發(fā)展的背景下，“垃圾分類”已成為新時(shí)代的熱點(diǎn)。根據(jù)相關(guān)法律法規(guī)要求，2025年底前全國(guó)地級(jí)及以上城市將基本建成垃圾分類處理系統(tǒng)。而快遞包裝帶來的污染與浪費(fèi)問題日益嚴(yán)峻[1]。因此，在分類回收背景下如何讓快遞包裝“綠”起來，已成為亟待解決的問題。

基于此，為有效提高快遞包裝回收率，降低回收成本，實(shí)現(xiàn)快遞包裝綠色回收和循環(huán)利用，一款具備多功能區(qū)域的智能化回收的智能快遞包裝回收箱便應(yīng)運(yùn)而生。該智能快遞包裝回收箱由顯示屏區(qū)、快遞包裝投放口、拆解膠帶工作區(qū)、壓縮區(qū)、存儲(chǔ)區(qū)等五部分組成，其設(shè)計(jì)更符合當(dāng)前結(jié)合“互聯(lián)網(wǎng)+”模式的智能分類回收市場(chǎng)需求，遵循在可持續(xù)發(fā)展理念下發(fā)展綠色物流的原則。該智能快遞包裝回收箱功能區(qū)域分工明確，不僅能夠有效實(shí)現(xiàn)快遞包裝分類回收，且工作效率高，無需用戶花費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間去等待，實(shí)用性較強(qiáng)。該回收箱無論是用于快遞回收站還是物流相關(guān)企業(yè)，都能夠帶來經(jīng)濟(jì)效益，促進(jìn)快遞業(yè)朝著“綠色、環(huán)保”的方向轉(zhuǎn)型升級(jí)，其中蘊(yùn)含的市場(chǎng)價(jià)值與前景不可估量[2-3]。

1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

智能快遞包裝回收箱通過融合紅外傳感器與GSM模塊等多設(shè)備將工作區(qū)域分為顯示屏區(qū)、快遞包裝投放口、拆解膠帶工作區(qū)、壓縮區(qū)、存儲(chǔ)區(qū)五大功能區(qū)域。為達(dá)到智能化、自動(dòng)化的管理運(yùn)行效果，軟、硬件設(shè)計(jì)相互協(xié)調(diào)、相輔相成?；厥障涞挠布b置在電源供給條件下正常運(yùn)作，再利用WIFI+GSM模塊來實(shí)現(xiàn)用戶和工作人員的實(shí)時(shí)登錄及信息傳遞。用戶在使用過程中通過RS485通信接口與WIFI模塊的作用可以進(jìn)行個(gè)人積分信息查詢以及實(shí)現(xiàn)現(xiàn)金兌現(xiàn)等相關(guān)操作。同時(shí)LED系統(tǒng)的控制核心也利用微處理器來進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)智能化照明調(diào)節(jié)。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 智能快遞包裝回收箱系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

由于快遞包裝回收站的空間有限，將快遞包裝回收區(qū)與存儲(chǔ)區(qū)設(shè)置成緊密分布的布局；為提高回收量，將投放口設(shè)置到拆解膠帶區(qū)的正上方；根據(jù)右手就近原則將投放口及拆解膠帶區(qū)設(shè)置在顯示器區(qū)的右側(cè)?；厥障淇赏ㄟ^紅外傳感器、紅外對(duì)管、PVC檢測(cè)器與其他設(shè)備對(duì)用戶投放的不同規(guī)格的快遞包裝進(jìn)行拆解、壓縮、分類。回收箱另外利用紅外對(duì)管、STM32單片機(jī)、低電平信號(hào)接收器、GSM模塊等器件組合成存儲(chǔ)區(qū)域存儲(chǔ)量監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)智能快遞包裝回收箱存儲(chǔ)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)督，一旦存儲(chǔ)區(qū)容量達(dá)到80%，則自動(dòng)提醒工作人員對(duì)回收箱內(nèi)的快遞包裝進(jìn)行清理。

2 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

智能快遞包裝回收箱為盡可能的容納五個(gè)功能區(qū)域并提升存儲(chǔ)利用率，其設(shè)計(jì)外形為長(zhǎng)4米、寬1米、高2米的長(zhǎng)方形。整體裝置供電系統(tǒng)主要由單晶硅太陽能板、數(shù)顯控制器及硅能蓄電池組成，其中數(shù)顯控制器用來保護(hù)電瓶防止過充過放。陽光充足時(shí)，太陽能板通過控制器給蓄電池充電，同時(shí)蓄電池為系統(tǒng)各部件供電。夜間或陽光較弱時(shí)，則由蓄電池直接使用白天存儲(chǔ)的電能進(jìn)行供電，體現(xiàn)出了遵循節(jié)能、綠色創(chuàng)新設(shè)計(jì)理念。

智能快遞包裝回收箱采用模塊化設(shè)計(jì)，日常工作中即使某模塊出現(xiàn)問題，也只需針對(duì)性的進(jìn)行修理或調(diào)換模塊，不會(huì)影響其他子系統(tǒng)的工作狀態(tài)。系統(tǒng)模塊主要包括液晶顯示屏、紅外傳感器、PVC檢測(cè)器、STM32單片機(jī)、低電平信號(hào)接收器、紅外對(duì)管、GSM模塊、LED燈、步進(jìn)電機(jī)、T型絲桿線性直線導(dǎo)軌滑臺(tái)、光敏模塊、4×4矩陣模塊、分解傳感器、壓縮傳感器等。為了區(qū)分用戶與工作人員，智能快遞包裝回收箱工作區(qū)域的顯示屏區(qū)界面有不同的登陸角色選項(xiàng)，用戶登陸則可以進(jìn)行相關(guān)操作積分累計(jì)或兌現(xiàn)現(xiàn)金等相關(guān)服務(wù)，而工作人員登陸則能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)回收箱的操作控制，方便其對(duì)存儲(chǔ)區(qū)域快遞包裝的高效處理。系統(tǒng)裝置內(nèi)外觀分別如圖2、圖3所示。

圖2 智能快遞包裝回收箱外觀

圖3 智能快遞包裝回收箱內(nèi)觀

回收箱的電能主要由太陽能板供應(yīng)，各項(xiàng)傳感器對(duì)所投紙盒進(jìn)行檢測(cè)，將信號(hào)送給芯片以實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝置、推拉裝置實(shí)現(xiàn)快遞的定向運(yùn)動(dòng)，使快遞運(yùn)轉(zhuǎn)并準(zhǔn)確分類到對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)箱中。其控制核心為STM32單片機(jī)，機(jī)電傳動(dòng)裝置是回收箱運(yùn)作的核心組成部分，絲杠選擇帶有42型步進(jìn)電機(jī)，有效行程為400mm的T型絲桿線性直線導(dǎo)軌滑臺(tái)。當(dāng)投投放的快遞包裝經(jīng)過紅外傳感器識(shí)別后，檢測(cè)的低電平信號(hào)傳輸給STM32，再由STM32控制電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤運(yùn)作到對(duì)應(yīng)的桶位置，最后STM32控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)絲杠將快遞包裝傳送到下一功能區(qū)域處，之后絲杠將自動(dòng)返回原來位置。通過對(duì)智能快遞包裝回收箱整體機(jī)械機(jī)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)，靈活的將對(duì)管紅外傳感器、PVC檢測(cè)器與GSM模塊的體積縮小，實(shí)現(xiàn)快遞包裝存儲(chǔ)區(qū)域的容量最大化，同時(shí)結(jié)合存儲(chǔ)區(qū)域監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)能與工作人員取得聯(lián)系，達(dá)到高效率處理速度的智能化管理。

此外，回收箱還結(jié)合多個(gè)子系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)多區(qū)域的自動(dòng)化。其中分類檢測(cè)子系統(tǒng)使用PVC檢測(cè)傳感器來確定包裝是否為聚氯乙烯材質(zhì)的膠帶及快遞外包裝袋，為后續(xù)拆解流程做準(zhǔn)備；通過紅外傳感網(wǎng)來識(shí)別快遞包裝是否完整，以實(shí)現(xiàn)可利用與不可利用的分類存儲(chǔ)；短信反饋?zhàn)酉到y(tǒng)主要利用紅外對(duì)管檢測(cè)可利用與不可利用存儲(chǔ)區(qū)域內(nèi)的容量是否滿80%，STM32端口負(fù)責(zé)接收低電平信號(hào)，GSM模塊負(fù)責(zé)發(fā)送消息聯(lián)系工作人員實(shí)現(xiàn)智能化管理；照明調(diào)節(jié)子系統(tǒng)主要由ARM系列微處理器STM32控制，解決光線不足情況下的補(bǔ)光效果；機(jī)械控制子系統(tǒng)的檢測(cè)系統(tǒng)單片機(jī)通過串口通訊將檢測(cè)的類別信息傳輸給驅(qū)動(dòng)單片機(jī) STM32，驅(qū)動(dòng)單片機(jī)發(fā)送指令控制步進(jìn)電機(jī)，配合電機(jī)驅(qū)動(dòng)器提供良好的電流和細(xì)分來驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作。

回收箱工作流程如圖4所示。用戶投放快遞包裝先由分類檢測(cè)子系統(tǒng)通過PVC檢測(cè)傳感器來確定快遞是否為聚氯乙烯材質(zhì)的膠帶及快遞外包裝袋，當(dāng)PVC檢測(cè)器工作時(shí)，識(shí)別到該物體為塑料類物品，在拆解區(qū)時(shí)，會(huì)在自動(dòng)化分解機(jī)的作用下將快遞包裝拆解為包裝盒與膠帶兩部分，在步進(jìn)電機(jī)的作用下，左傳送帶將其運(yùn)往檢測(cè)區(qū)域。隨后進(jìn)行紅外傳感網(wǎng)識(shí)別，若包裝紙箱不可利用則經(jīng)過左傳送帶送至不可利用區(qū)域，若識(shí)別可利用，則將在STM32端口的作用下使剩余的快遞包裝箱繼續(xù)往前工作，當(dāng)紙材包裝接近紅外傳感器前方探頭時(shí)，其內(nèi)部的常開開關(guān)閉合，使繼電器通電，其繼電器常開開關(guān)閉合形成回路，經(jīng)過 STM32 單片機(jī)處理，STM32 端口發(fā)出一個(gè)低電平信號(hào)。該端口連接一個(gè)低電平信號(hào)接收器，當(dāng)?shù)碗娖叫盘?hào)發(fā)出后，接收器接收到低電平信號(hào)，啟動(dòng)紅外傳感網(wǎng)，識(shí)別包裝紙箱是否完好，若完好則在右傳送帶的作用下傳至壓縮區(qū)，近而進(jìn)行壓縮程序。反之，若包裝紙箱識(shí)別破損或者不屬于可利用快遞包裝材料則左傳送帶啟動(dòng)運(yùn)作。這樣則根據(jù)快遞包裝盒是否完好對(duì)其進(jìn)行了分類，經(jīng)過傳送帶右端則進(jìn)入可利用區(qū)域，左端則進(jìn)入不可利用區(qū)域。整個(gè)系統(tǒng)末端將會(huì)對(duì)應(yīng)的通過足夠大的傳送帶運(yùn)往可利用存儲(chǔ)區(qū)域與不可利用存儲(chǔ)區(qū)域。

圖4 智能快遞包裝回收箱主流程設(shè)計(jì)

當(dāng)存儲(chǔ)區(qū)域容量達(dá)到80%時(shí)，則壓縮的快遞包裝會(huì)將紅外對(duì)管遮擋，此時(shí)STM32 單片機(jī)將接收到一個(gè)低電平信號(hào)，經(jīng)處理，向GSM模塊發(fā)送一個(gè)信號(hào)，在GSM模塊發(fā)送消息后由工作人員對(duì)回收站內(nèi)快遞包裝進(jìn)行清理。為了防止投放快遞時(shí)，紅外傳感器的對(duì)射被擋住，發(fā)送一個(gè)錯(cuò)誤訊息，所以設(shè)計(jì)時(shí)，紅外傳感器被擋住時(shí)間超多5秒，STM32單片機(jī)才會(huì)給GSM模塊發(fā)出指令。

3 結(jié)束語

智能快遞包裝回收箱的設(shè)計(jì)是“綠色物流”新時(shí)代背景下的產(chǎn)物，相信本設(shè)計(jì)無論是在完善快遞包裝分類回收渠道上，還是在實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動(dòng)化和智能化回收方面或多或少具備一定的參考價(jià)值。在國(guó)家政策支持與互聯(lián)網(wǎng)、供應(yīng)鏈理論發(fā)展的基礎(chǔ)下，智能化分類回收必將是未來深入研究的對(duì)象之一[4-5]。所以，在快遞包裝帶來的污染與浪費(fèi)問題日益嚴(yán)峻的情形下，如何有效地引導(dǎo)人們參與到這場(chǎng)全民“垃圾分類”戰(zhàn)役當(dāng)中是決勝的關(guān)鍵！智能快遞包裝回收箱的設(shè)計(jì)或許只是個(gè)開端，但國(guó)家倡導(dǎo)的走可持續(xù)發(fā)展道路，主張促進(jìn)綠色物流發(fā)展的新理念永遠(yuǎn)不會(huì)過時(shí)，我們每個(gè)人都應(yīng)當(dāng)努力開發(fā)自己的創(chuàng)新思維，為綠色物流的發(fā)展貢獻(xiàn)自己的一份力量。