郵政、配送行業(yè)便捷尋貨系統(tǒng)設(shè)計(jì)

安會(huì)，馬紅靜，王津津，劉保慶，孟海波

（石家莊郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北石家莊， 050021）

0 引言

在20世紀(jì)80年代，中國(guó)迎來(lái)了快遞產(chǎn)業(yè)，經(jīng)營(yíng)的業(yè)務(wù)范圍也在擴(kuò)大。20世紀(jì)90年代后，電商迅速發(fā)展，人們購(gòu)買貨物的種類也從當(dāng)初的單一化發(fā)展為多樣化，貴重、批量、個(gè)性的物品豐富了快遞寄托物的種類，并且對(duì)于貨物的送達(dá)時(shí)間有了更高的要求。

目前，在郵政快遞及網(wǎng)約配送行業(yè)快速發(fā)展的過(guò)程中，很多人非?？春每爝f業(yè)的發(fā)展前景，疏忽了快遞業(yè)服務(wù)人員在專業(yè)化、社會(huì)化方面的培訓(xùn)，都存在著與企業(yè)經(jīng)營(yíng)現(xiàn)實(shí)脫節(jié)、與用戶需求不匹配、配送交通安全等一系列人才素質(zhì)匱乏問(wèn)題，人才培養(yǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足其快速發(fā)展的需要。由于快遞行業(yè)的發(fā)展不完善，在經(jīng)營(yíng)過(guò)程中略顯艱難。為此，企業(yè)做出了降低快遞成本的對(duì)策，來(lái)提高利潤(rùn)。人員素質(zhì)得不到提升、快遞及配送員培訓(xùn)減少、運(yùn)輸貨物得不到應(yīng)有的保護(hù)。在與購(gòu)買者發(fā)生的糾紛中，送達(dá)不及時(shí)、包括丟失、投遞不到位、快遞損壞以及服務(wù)態(tài)度不端正的占了大多數(shù)。便捷尋貨自動(dòng)派件系統(tǒng)可以很好地規(guī)避人員派件的這些問(wèn)題。既節(jié)省了時(shí)間和成本又避免了人與人之間的沖突。

1 系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)

■1.1 系統(tǒng)分析

實(shí)現(xiàn)的功能：通過(guò)控制終端輸入對(duì)應(yīng)的編號(hào)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的被控制節(jié)點(diǎn)發(fā)出聲光的提示。

控制終端：可以進(jìn)行操作的顯示，相應(yīng)編碼的輸入與刪除和確認(rèn)，可接入局域網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。

控制節(jié)點(diǎn)：控制LED的亮滅，蜂鳴器發(fā)聲和停止，可以支持更改節(jié)點(diǎn)參數(shù)，可以接入局域網(wǎng)絡(luò)并接受局域網(wǎng)絡(luò)的信息。系統(tǒng)框架圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架圖

■1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.2.1 通信方式的選擇

常用的通信方式主要有WiFi，藍(lán)牙、ZigBee、LORA、NB-IoT、2G、4G、5G等蜂窩通信等。

WiFi具有無(wú)線電波覆蓋范圍廣、速度快、不需要布線、可不受布線條件的限制的特點(diǎn)，最大的缺點(diǎn)就是功耗高。故這樣的大功耗明顯是不適應(yīng)于尋貨系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，并且也不需要如此高的功耗。

ZigBee技術(shù)主要應(yīng)用在短距離范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)傳輸速率不高的電子設(shè)備之間也可以使用ZigBee。具有短距離、低功耗、低成本、時(shí)延短、網(wǎng)絡(luò)容量大、可靠性以及安全性高等特點(diǎn)。ZigBee如果應(yīng)用本系統(tǒng)，成本高，網(wǎng)絡(luò)的連接數(shù)量比較少，想要增加數(shù)量十分的麻煩。

NB-IoT使萬(wàn)物互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要的分支，它構(gòu)建與蜂窩網(wǎng)絡(luò)，大約消耗180kHz的帶寬，2G、3G、4G、5G網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的服用，降低成本，平滑升級(jí)。相對(duì)于WiFi、ZigBee等技術(shù)，NB-IoT具有低功耗、低成本、強(qiáng)聯(lián)接、廣覆蓋的優(yōu)點(diǎn)。

隨著LORA的不斷發(fā)展，LORA設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)部署不斷增多，相互之間會(huì)出現(xiàn)一定的頻譜干擾；LORA在布設(shè)過(guò)程中，需要用戶自己組建網(wǎng)絡(luò)；LORA傳輸數(shù)據(jù)有效負(fù)載比較小，有字節(jié)限制。故LORA不適合本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

藍(lán)牙模塊芯片體積較?。凰{(lán)牙模塊功耗較低；藍(lán)牙可以傳輸語(yǔ)音的同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，支持異步數(shù)據(jù)信道、三路語(yǔ)音信道以及異步數(shù)據(jù)與同步語(yǔ)音同時(shí)傳輸?shù)男诺?；藍(lán)牙的抗干擾能力很強(qiáng)；可以建立臨時(shí)性的對(duì)等聯(lián)接。

通過(guò)以上特點(diǎn)可以看出，藍(lán)牙相對(duì)于此系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是比較合適的，但是這個(gè)連接數(shù)量比較少，好在有藍(lán)牙Mesh網(wǎng)絡(luò)是用于建立多對(duì)多設(shè)備通信的低能耗藍(lán)牙（Bluetooth Low Energy，也稱為Bluetooth LE）新的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹＠碚撋现С值倪B接最大數(shù)量是65536個(gè)。

1.2.2 芯片選型

芯片選型主要包括通信模塊的選擇和控制終端。

通信模塊的選擇：使用的是JDY-24M，價(jià)格合理，重要的是功能十分的強(qiáng)大，資料全面，提供了很多擴(kuò)展的實(shí)例，支持后續(xù)上面的功能擴(kuò)展。

控制終端的芯片選擇：使用的是STM32F103C8T6，它和藍(lán)牙模塊的電平兼容，是一款32位M3系列LQFP-48 單片機(jī)，性價(jià)比很高的ARM單片機(jī)，而且應(yīng)用廣泛，程序安全性高，功耗低。

■1.3 藍(lán)牙MESH網(wǎng)絡(luò)介紹

藍(lán)牙Mesh技術(shù)是一種組網(wǎng)方式。要了解藍(lán)牙Mesh，首先要了解Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。Mesh網(wǎng)絡(luò)也稱為“多跳網(wǎng)絡(luò)”，或者“網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)”。Mesh網(wǎng)絡(luò)的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以作為AP和路由器，通訊時(shí)，當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)損壞或者堵塞時(shí)，可以自動(dòng)繞過(guò)該節(jié)點(diǎn)，重新選擇路徑達(dá)到目的地，可以讓網(wǎng)絡(luò)更高效可靠。

2 詳細(xì)設(shè)計(jì)與功能的實(shí)現(xiàn)

■2.1 被控制節(jié)點(diǎn)的制作

芯片的供電電壓為：1.8～3.6V，使用OUTPUT5進(jìn)行輸出控制LED和蜂鳴器。不可將IO引腳直接驅(qū)動(dòng)LED和蜂鳴器。由于使用的是插件三極管S8050，按照電路圖制作好被控制節(jié)點(diǎn)，引出串口，配置藍(lán)牙參數(shù)。實(shí)物圖中留有串口排插封裝，發(fā)送節(jié)點(diǎn)不需要在焊接在洞洞板上，焊接好排插后，直接使用杜邦線連接到USB轉(zhuǎn)TTL上面連接串口助手。被控節(jié)點(diǎn)原理圖和PCB圖如圖2和圖3所示。

圖2 被控節(jié)點(diǎn)原理圖

藍(lán)牙模塊：將串口引腳引出來(lái)，方便后期做出更改參數(shù)和升級(jí)固件，還能通過(guò)串口檢測(cè)異常情況。還stat引腳連接了出來(lái)方便查看配網(wǎng)情況。

示燈、蜂鳴器：IO引腳通過(guò)三極管放大驅(qū)動(dòng)指示燈和蜂鳴器，預(yù)留外接LED的接口。

電源與接口電路：使用LS1117穩(wěn)壓三極管。為了使藍(lán)牙模塊工作在最穩(wěn)定的狀態(tài)，在電源的輸入、輸出端放置兩顆濾波電容，通過(guò)查閱手冊(cè)得知輸出電容要使用鉭電容。鉭電容的寄生電阻大，但是陶瓷電容的性能好，而LS1117是需要利用鉭電容的寄生電阻才能穩(wěn)定工作。如果需要使用大電流大功率的電源可以使用DCDC開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源，更高的效率，發(fā)熱更低。

■2.2 被控制節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)配置

將硬件建立好以后，接下來(lái)建立藍(lán)牙MESH網(wǎng)絡(luò)，嘗試著控制IO引腳。首先建立藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)，不使用中心機(jī)，主要是設(shè)置中心穩(wěn)定性比較差，在藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能控制網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的IO引腳，發(fā)送命令之前勾選發(fā)送新行，模塊的波特率是9600或者115200，首先發(fā)送AT+RESET測(cè)試一下模塊是否工作正常。第一步，配置MESH組網(wǎng)模式，發(fā)送指令A(yù)T+ROLE5，再發(fā)AT+RESTET重啟生效。第二步，配置組網(wǎng)NEITID為1122：AT+NETID 1122。第三步，配置當(dāng)前設(shè)備短地址0002～FFFF之中、對(duì)應(yīng)指令A(yù)T+MADDR 0005。第四步，配置設(shè)備為路由節(jié)點(diǎn)：AT+MCLSS0。最后測(cè)試，將串口助手發(fā)送設(shè)置成16進(jìn)制，取消發(fā)送新行，發(fā)送41 54 2b 4d 45 53 48（幀頭） 01（發(fā)送IO無(wú)應(yīng)答） 00 05（被控制設(shè)備地址） 05（控制的IO口） 01(IO的狀態(tài)）0d 0a（幀尾）表示0005設(shè)備發(fā)送IO無(wú)應(yīng)答指令，不串口輸出，IO5為高電平。

■2.3 控制終端的制作

控制終端有四個(gè)部分組成，顯示部分（使用的是LCD-1602，同時(shí)還需要通過(guò)電位器調(diào)整液晶的偏置電壓）、矩陣鍵盤（用來(lái)輸入信息和控制信號(hào)）、核心板（用來(lái)實(shí)現(xiàn)邏輯功能及流程的控制）和藍(lán)牙模塊（和所有的被控制節(jié)點(diǎn)進(jìn)行組建網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的通信）。

其中顯示部分使用了四根數(shù)據(jù)線和三根控制信號(hào)，將一個(gè)8bit的數(shù)據(jù)分兩次傳輸，減少了引腳的使用，降低了制作成本。矩陣鍵盤使用八根信號(hào)線，四條縱軸，四條橫軸。通過(guò)依次的掃描來(lái)實(shí)現(xiàn)識(shí)別按鍵，核心板和藍(lán)牙模塊通信使用的是串口1（PA9、PA10）。

■2.4 調(diào)試程序

主要分成四個(gè)部分LCD顯示、鍵盤掃描輸入、邏輯流程控制和藍(lán)牙發(fā)送。

LCD顯示：

將要顯示的內(nèi)容封裝在二維的字符類型數(shù)組里，方便靈活的顯示。

鍵盤掃描輸入：矩陣鍵盤使用的是逐行掃描，采用的是定時(shí)器4中斷定時(shí)掃描，掃描時(shí)間是5ms。

邏程控制：鍵盤輸入的信息進(jìn)行處理后顯示在屏幕上主要顯示內(nèi)容有一級(jí)菜單（open和_add），_add的二級(jí)菜單（無(wú)，添加節(jié)點(diǎn)的功能暫時(shí)沒(méi)有），open的二級(jí)菜單（輸入數(shù)值）open的三級(jí)菜單（打開(kāi)ON和關(guān)閉 OFF，控制終端節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)的功能）。

藍(lán)牙發(fā)送：藍(lán)牙模塊和核心板是通過(guò)串口進(jìn)行通信的。通過(guò)User_off_on_bluetooth_terminal(）函數(shù)發(fā)送指令的。

圖4 程序執(zhí)行流程圖

■2.5 系統(tǒng)通信過(guò)程

藍(lán)牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)，采用的是多對(duì)多。它并不是路由節(jié)點(diǎn)，只是簡(jiǎn)單地將消息報(bào)文在中繼廣播給附近的設(shè)備節(jié)點(diǎn)，以便讓數(shù)據(jù)包可以傳播到全網(wǎng)所有節(jié)點(diǎn)。借助中繼節(jié)點(diǎn)，BLE MESH 消息報(bào)文傳播距離或范圍可以遠(yuǎn)超過(guò)BLE 通信距離，每個(gè)消息的最大生存時(shí)間TTL 是127 跳，即每個(gè)數(shù)據(jù)包最遠(yuǎn)可以傳送到127 倍的BLE 通信距離（假如BLE 傳輸距離為40m，BLE MESH 最大傳輸距離則為5 km），設(shè)置生存的時(shí)間的原因是防止產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴。

圖5顯示了三個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)：Q、R、S。支持Friend feature的三個(gè)節(jié)點(diǎn)：N、O、P，而N沒(méi)有任何friendships。因 此，只 有O和P是Friend節(jié) 點(diǎn)。有5個(gè)Low Power nodes:I、J、K、L和M。節(jié) 點(diǎn)I、J和K的friend是P；L和M的friend是O。Nodes T僅使用GATT bearer連接到mesh網(wǎng)絡(luò)。因此，S必須將所有消息轉(zhuǎn)發(fā)給T，并且轉(zhuǎn)發(fā)T的所有消息。

圖5 藍(lán)牙MESH網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的關(guān)系圖

通過(guò)藍(lán)牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)不斷的轉(zhuǎn)發(fā)和廣播，最終每個(gè)節(jié)點(diǎn)都將收到信息報(bào)文。通過(guò)報(bào)文中的數(shù)據(jù)知道節(jié)點(diǎn)自身是否做出相應(yīng)的動(dòng)作。相應(yīng)的引腳會(huì)做出高低電平的變化。最后通過(guò)三極管的放大驅(qū)動(dòng)LED燈亮和滅（蜂鳴器響不響）。

3 遇到的問(wèn)題及解決方法

（1）在制作終端節(jié)點(diǎn)時(shí)，出現(xiàn)了發(fā)送指令沒(méi)有反應(yīng)的情況。改用PCB印刷電路板，使用電腦軟件AD2020繪制PCB送工廠進(jìn)行加工，問(wèn)題得到了改善。

（2）首先考慮使用無(wú)線充電，但是由于成本高和制作難度，最終選用磁吸充電的方式。

（3）在調(diào)試主控制器時(shí)，遇到了字符傳輸問(wèn)題。由于使用printf輸出無(wú)法傳輸ascll碼值00，但是在與模塊通信中存在，不可避免，最后使用變量控制發(fā)送的數(shù)量，問(wèn)題得到了解決。