基于STM32的無人快遞終端系統(tǒng)

王 濤,梁 亮,敖梓濤,王德軍

(吉林大學(xué) 通信工程學(xué)院,長(zhǎng)春 130022)

0 引 言

隨著人們生活水平的不斷提升,其消費(fèi)需求也在不斷增長(zhǎng),數(shù)據(jù)顯示,2020年第一季度全國(guó)快遞服務(wù)企業(yè)業(yè)務(wù)量累計(jì)完成125.3億件,僅3月份,就達(dá)到了59.8億件[1]。目前快遞終端配送模式大概可分為3種：快遞網(wǎng)點(diǎn)自提、智能儲(chǔ)物柜以及人工配送。3種方式具有各自的特點(diǎn),同時(shí)也分別有其不足之處。快遞網(wǎng)點(diǎn)自提是較為普遍的方式,且成本較低,但在取件高峰期效率較低,且取件時(shí)間有限,不能實(shí)現(xiàn)24 h取件服務(wù)；智能儲(chǔ)物柜可減少人力成本,取件時(shí)間靈活,但其自身成本較高,且需較大空間；人工配送比較符合客戶個(gè)性化需求,但其配送效率較低,配送員工作強(qiáng)度較大[2-6]。經(jīng)分析,筆者認(rèn)為加入智能倉(cāng)儲(chǔ)模式與電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以克服以上模式中的不足[7-8]。且自新冠疫情爆發(fā)以來,更加提倡無接觸配送,故結(jié)合上述模式的優(yōu)點(diǎn)及需求,以STM32單片機(jī)為控制系統(tǒng),借鑒智能倉(cāng)儲(chǔ)的設(shè)計(jì)模式,同時(shí)對(duì)多個(gè)步進(jìn)電機(jī)與直流電機(jī)進(jìn)行控制,提出無人快遞倉(cāng)的取件系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作流程

該系統(tǒng)由管理員操作臺(tái)[9]、用戶操作臺(tái)、存貨架以及拾取傳送裝置[10]構(gòu)成。其中管理員操作臺(tái)用于工作人員存放包裹、對(duì)系統(tǒng)供電啟?？刂埔约皺z修復(fù)位控制,并且還包括運(yùn)行情況指示燈和儲(chǔ)物架貨物存取情況指示燈,可直觀地了解儲(chǔ)物倉(cāng)內(nèi)的情況；用戶操作臺(tái)則為用戶輸入取貨碼并提取貨物的窗口,由數(shù)字鍵盤和數(shù)碼管組成；多架存貨架用于存放貨物(見圖1)；拾取傳送裝置包括步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)、滾珠絲杠、傳送帶以及斜坡滑道等,在工作過程中進(jìn)行包裹的拾取傳送工作。

圖1 存貨架 圖2 工作流程圖Fig.1 Storage shelf Fig.2 Work flow chart

系統(tǒng)分為兩種工作模式,分別是工作人員操作的管理員模式與用戶操作的用戶模式,工作流程如圖2所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)除傳送帶外通過24 V直流電源進(jìn)行供電,傳送帶由交流220 V進(jìn)行供電,24 V直流電源可由lm7812穩(wěn)壓芯片進(jìn)行12 V供電,如圖3所示。步進(jìn)電機(jī)由3M458步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行驅(qū)動(dòng),采用共陽(yáng)接法,驅(qū)動(dòng)器PLS+與DIR+均接入+5 V電源,通過DIR-輸入的高低電平控制步進(jìn)電機(jī)的正向、反向運(yùn)行,通過PLS-輸入脈沖信號(hào),以控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行及轉(zhuǎn)速,如圖4所示。STM32發(fā)出的PWM信號(hào)電流小于最小驅(qū)動(dòng)電流6 mA,故設(shè)計(jì)9013放大電路以使電流達(dá)到要求。操作臺(tái)的數(shù)碼管與數(shù)字按鍵直接連接單片機(jī),通過數(shù)字按鍵輸入取件信息至單片機(jī)并通過數(shù)碼管顯示。此外,還有由獨(dú)立按鍵構(gòu)成的功能鍵,涉及系統(tǒng)的啟動(dòng)、停止及選擇用戶模式/管理員模式,交互界面如圖5所示,硬件電路如圖6所示,原理如圖7所示。

圖3 穩(wěn)壓電路 圖4 步進(jìn)電機(jī)控制電路Fig.3 Regulator circuit Fig.4 Stepper motor control circuit

圖5 交互界面 圖6 硬件電路實(shí)物Fig.5 User-interface Fig.6 Hardware circuit in kind

圖7 系統(tǒng)原理圖Fig.7 System schematic diagram

3 設(shè)計(jì)原理及軟件實(shí)現(xiàn)

軟件實(shí)現(xiàn)過程涉及外部中斷、定時(shí)器中斷、數(shù)字按鍵與數(shù)碼管的掃描和繼電器的常開常閉控制等。步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行過程中脈沖數(shù)計(jì)算滿足下式

其中N為脈沖數(shù),X為運(yùn)行距離,R為同步輪半徑,Δφ為步進(jìn)電機(jī)步距角,η為步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)角細(xì)分?jǐn)?shù)。

實(shí)現(xiàn)過程如下：取件過程中,用戶在數(shù)字按鍵輸入取貨碼,取貨碼包括貨架號(hào)、X軸坐標(biāo)和Y軸坐標(biāo)信息,取貨碼傳回單片機(jī),單片機(jī)收到信息,控制數(shù)碼管顯示取貨碼并處理信息,計(jì)算出步進(jìn)電機(jī)在X軸,Y軸兩個(gè)方向取貨距離,并將距離轉(zhuǎn)化為所需輸出的脈沖個(gè)數(shù)；用戶輸入取貨碼后進(jìn)行確認(rèn),單片機(jī)進(jìn)入外部中斷,進(jìn)行取件過程,首先確定包裹所在貨架,根據(jù)計(jì)算出步進(jìn)電機(jī)在兩個(gè)方向取貨距離,通過定時(shí)器輸出一定數(shù)量的脈沖,控制兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)分別在X軸、Y軸方向的運(yùn)動(dòng),使系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)到特定位置；通過控制繼電器導(dǎo)通對(duì)直流電機(jī)供電,提出包裹,并通過電平轉(zhuǎn)換改變步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)方向,按原路線返回,將包裹放至傳送帶,送到窗口由用戶取走,流程如圖8所示。

圖8 出庫(kù)流程圖 圖9 入庫(kù)流程圖Fig.8 Outbound flow chart Fig.9 Flow chart of warehousing

當(dāng)管理員模式運(yùn)行即存件過程時(shí),可視為取件過程的逆過程。在管理員操作臺(tái),有指示燈平臺(tái)顯示每個(gè)儲(chǔ)物架中的貨物存取情況,管理員可以由此直接了解儲(chǔ)物架內(nèi)的情況,進(jìn)而確定空余的空間,并確定選取空余處存放包裹。將包裹置于入貨口,由步進(jìn)電機(jī)將包裹送至儲(chǔ)物架內(nèi),運(yùn)行過程仍需要計(jì)算運(yùn)行距離,進(jìn)一步確定脈沖數(shù)控制X軸、Y軸步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng),運(yùn)行流程如圖9所示。

4 運(yùn)行測(cè)試

通過多次調(diào)試的運(yùn)行結(jié)果觀察,該無人快遞終端系統(tǒng)基本上可實(shí)現(xiàn)快遞從入庫(kù)到用戶取出的全過程并成功實(shí)現(xiàn)以下功能：通過LED(Light-Emitting Diode)指示系統(tǒng)顯示儲(chǔ)貨架內(nèi)的包裹存儲(chǔ)情況、入庫(kù)/出庫(kù)模式、供電情況；通過按鍵控制供電、停止；選擇管理員/用戶模式即入庫(kù)/出庫(kù)模式；將包裹送至指定存貨架以及取出用戶輸入取貨碼所對(duì)應(yīng)包裹并送至取貨窗口。不僅提高了用戶取快遞的效率,并且減少了工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。調(diào)試過程和細(xì)節(jié)如圖10,圖11所示。

圖10 調(diào)試過程 圖11 調(diào)試細(xì)節(jié)Fig.10 Debugging process diagram Fig.11 Debugging details

但在設(shè)計(jì)和調(diào)試過程中,也發(fā)現(xiàn)存在一些不足,例如相較于現(xiàn)有的菜鳥驛站,由于其都是收件、發(fā)件一體的,而本系統(tǒng)目前僅有收取包裹的功能,后續(xù)可考慮添加郵寄功能；同時(shí)現(xiàn)有無人快遞系統(tǒng)僅適用于一般化的快遞包裹,對(duì)易碎的包裹,并沒有較好的保護(hù)措施。

5 結(jié) 語(yǔ)

無人快遞倉(cāng)借鑒現(xiàn)有的物流終端配送模式,吸取其各自的優(yōu)點(diǎn),并加以創(chuàng)新。相較于人工配送與快遞網(wǎng)點(diǎn)自提的模式,克服了需要較多勞動(dòng)量的問題,且現(xiàn)存的人力運(yùn)營(yíng)模式效率較低,快遞取件過程中比較容易出錯(cuò),而機(jī)械拾取裝置在模型機(jī)上百次運(yùn)行過程中均精確取出目標(biāo)貨物,效率、準(zhǔn)確度以及穩(wěn)定性得以保障。同時(shí)相較于智能快遞柜無需太大空間,快遞倉(cāng)內(nèi)部?jī)?chǔ)貨架可以緊密排列,節(jié)約空間成本。同時(shí),如若投入使用,在快遞驛站現(xiàn)有的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造即可實(shí)現(xiàn),雖然存在一些不足,但整體具有較高的可實(shí)現(xiàn)性。隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步,將來會(huì)開發(fā)出自動(dòng)化程度更高、更加智能化的快遞終端系統(tǒng),使用戶與工作人員都能享受到更加便捷、舒適的服務(wù)。