0 引言

    科技的進(jìn)步大大促進(jìn)了物流業(yè)的發(fā)展。目前，條形碼技術(shù)已經(jīng)在物流業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，并且提高了物流效率,加速了快遞業(yè)發(fā)展進(jìn)程，但由于條形碼技術(shù)需要人工逐個利用掃描槍掃描，需要大量的人力物力，隨著快遞業(yè)的物流量越來越大，有線的條形碼掃描已經(jīng)不能滿足需求^[1-3]。為擺脫有線的束縛，實現(xiàn)快遞業(yè)的自動化、智能化、人性化，本文將ZigBee無線通信技術(shù)與自動化控制技術(shù)進(jìn)行有效融合，設(shè)計出一種基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的智能快遞監(jiān)管系統(tǒng)，實驗證明，該系統(tǒng)大大提高了快遞業(yè)分揀效率和派件速度。

1 系統(tǒng)概述

    20世紀(jì)以來，世界逐漸由有線技術(shù)走向無線技術(shù)，而ZigBee技術(shù)由于其低成本和低復(fù)雜度的優(yōu)點得到了越來越高的關(guān)注。ZigBee網(wǎng)絡(luò)大致分為星型、樹形和網(wǎng)絡(luò)3種結(jié)構(gòu)，其網(wǎng)絡(luò)設(shè)備由協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備三部分組成。其中協(xié)調(diào)器是網(wǎng)絡(luò)的中心結(jié)構(gòu)，它與其他的終端節(jié)點通信；當(dāng)超出了通信范圍或存在障礙物時，需要路由器實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的拓展；終端設(shè)備主要是數(shù)據(jù)通信的最底層，也就是終端節(jié)點，至多可以有65 535個節(jié)點在其覆蓋范圍內(nèi)^[4]。

    本文提出的基于ZigBee的快遞監(jiān)管系統(tǒng)由上位機、協(xié)調(diào)器、電子標(biāo)簽終端、分揀機器四部分組成，其中協(xié)調(diào)器和電子標(biāo)簽分別對應(yīng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點，由于主控板和電子標(biāo)簽需要在近距離內(nèi)組網(wǎng)，所以無需路由器來拓展網(wǎng)絡(luò)。

    信息錄入過程如圖1所示，快件信息(包括貨物信息與客戶信息)通過上位機和協(xié)調(diào)器無線錄入電子標(biāo)簽；然后對快件進(jìn)行地區(qū)分揀，將快件放置在分揀機器的傳送帶上，通過信息識別帶時，電子標(biāo)簽自動將貨物信息發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器讀取快件信息并與Ardinio單片機通信，單片機控制器控制推桿，用推桿將貨物送到將要到達(dá)省份的集裝箱內(nèi),實現(xiàn)包裹的快速自動分揀,運作流程如圖2所示；貨物到達(dá)派件地。到達(dá)派送點后，電子標(biāo)簽自動與協(xié)調(diào)器組網(wǎng)，將電子標(biāo)簽內(nèi)存儲的客戶手機號碼提取并發(fā)送給上位機，上位機自動控制發(fā)短信模塊編輯相應(yīng)的短信到客戶手機。客戶領(lǐng)取貨物時，快遞人員輸入手機尾號，點擊上位機查找按鈕，電子標(biāo)簽會發(fā)出聲光信息，提示自身所在位置，實現(xiàn)取件人快速取件，如圖3所示。

2 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的硬件設(shè)計

    新型智能快遞監(jiān)管系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點主要由電子標(biāo)簽節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點兩部分組成，兩節(jié)點間以IEEE 802.15.4協(xié)議為基礎(chǔ)，在2.4 GHz的頻率下，采用CC2530、CC2591芯片進(jìn)行無線通信^[5-9]。硬件上采用ZigBee模塊，電氣參數(shù)如表1。協(xié)調(diào)器通過USB接口與上位機通信，根據(jù)從上位機接收到的不同指令向電子標(biāo)簽做出不同的指示，電子標(biāo)簽節(jié)點采用可充電電池供電，自動和協(xié)調(diào)器組網(wǎng)，具有體積小、功耗低、可靠性高等優(yōu)點，會根據(jù)接收到的命令上傳存儲的信息以及自動報警^[10]。

    電子標(biāo)簽節(jié)點是本系統(tǒng)的終端節(jié)點，除了ZigBee模塊，還包括Arduino單片機、報警模塊、充電接口、電源模塊和開關(guān)，電子標(biāo)簽節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示，Arduino單片機負(fù)責(zé)將ZigBee模塊接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并生成發(fā)送的數(shù)據(jù)以及控制報警模塊和指示燈做出響應(yīng)。

    協(xié)調(diào)器節(jié)點采用與電子標(biāo)簽節(jié)點相同的無線透傳模塊，主要負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)、管理網(wǎng)絡(luò)和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)，并與上位機通信，向電子標(biāo)簽錄入貨物信息以及和Ardinio單片機通信控制分揀機器實現(xiàn)貨物分揀，因為協(xié)調(diào)器工作時間很長，且其工作地點相對固定，其電源采用220 V交流電，經(jīng)過開關(guān)電路轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)低電壓供電。其結(jié)構(gòu)框圖如圖5。

3 上位機軟件設(shè)計

    本文所設(shè)計的基于ZigBee的新型智能快遞監(jiān)管系統(tǒng)上位機是采用美國微軟公司的Visual Studio作為軟件平臺^[11-15]，界面如圖6所示。上位機程序主要包括USB通信模塊、信息編輯模塊、信息顯示模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和命令發(fā)送模塊，主要功能是顯示信息和發(fā)送命令，通過協(xié)調(diào)器節(jié)點編輯電子標(biāo)簽節(jié)點中的貨物信息，接收電子標(biāo)簽節(jié)點發(fā)送的貨物信息，呼叫電子標(biāo)簽使其自動報警，以及啟動和終止分揀機器，并且到達(dá)派件點后，協(xié)調(diào)器將終端中存儲的客戶手機提取后發(fā)送給上位機，上位機自動將短信發(fā)送給客戶。

4 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.1 協(xié)調(diào)器的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

    協(xié)調(diào)器的機械殼體采用強度高、重量輕的金屬材料硬鋁，內(nèi)部電路分層疊加，通過螺釘將電路板固定。圖7為協(xié)調(diào)器的實物圖，工作過程中，可以通過組網(wǎng)指示燈監(jiān)測協(xié)調(diào)器是否組網(wǎng)，USB通信接口用于與上位機進(jìn)行通信。

4.2 電子標(biāo)簽終端機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

    電子標(biāo)簽終端內(nèi)部集成了電源管理模塊、報警模塊以及綁定模塊和主控板。運輸過程中，電子標(biāo)簽與快件一直綁定，貨品送達(dá)后，通過快遞站的電腦客戶端向電子標(biāo)簽發(fā)送報警命令，電子標(biāo)簽在接收到相應(yīng)命令后發(fā)生出聲光信息提示，以便取件人快速取件。

4.2.1 電子標(biāo)簽終端3D結(jié)構(gòu)視圖

    電子標(biāo)簽終端全視圖如圖8所示。

4.2.2 電子標(biāo)簽終端與快件綁定原理

    綁定原理：釘子的桿子上有兩對小凹槽(圖9(a)只畫其中一對凹槽)，當(dāng)釘子穿過快件包裝袋從電子標(biāo)簽底部插入后，電子標(biāo)簽中的4個小鋼珠就會順勢滑到釘子上凹槽的位置；并且鋼珠上面的鐵環(huán)在頂部彈簧的壓力下，牢牢將它們卡在凹槽中，實現(xiàn)了電子標(biāo)簽與快件的牢固綁定^[4]。

    解鎖原理：如圖9(b)所示，當(dāng)在電子標(biāo)簽頂部施以強磁時，鐵環(huán)和小鋼珠受到強磁吸引而壓縮彈簧上移，從而釘子就能從電子標(biāo)簽內(nèi)輕松取出了。綁定、解鎖原理如圖9所示。

4.3 分揀裝置機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

    分揀裝置由識別控制模塊（協(xié)調(diào)器）、傳送帶、推桿和集裝箱構(gòu)成。分揀系統(tǒng)上電后，識別控制模塊開啟，該模塊的發(fā)射信號功率與組網(wǎng)的距離成正相關(guān)，因此通過調(diào)節(jié)發(fā)射功率來控制組網(wǎng)的距離，當(dāng)貨物的標(biāo)簽與協(xié)調(diào)器組網(wǎng)成功后，協(xié)調(diào)器會讀取標(biāo)簽內(nèi)錄入的信息，當(dāng)貨物經(jīng)過光電門時，系統(tǒng)會根據(jù)獲取的信息來控制推桿對貨物進(jìn)行分揀，最終將貨物送入指定的地點。基于電動推桿的體積小、精度高、自鎖性好等特點分揀系統(tǒng)應(yīng)用該技術(shù)；在傳送帶的電機選擇方面，考慮到直流電機具有過載能力好、受電磁煩擾影響小的特點，因此選擇了該電機。分揀機模型如圖10所示。

5 實驗

    針對該系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行多次試驗。在存有大量儀器設(shè)備的干擾較強的實驗室房間內(nèi)，電子標(biāo)簽與協(xié)調(diào)器之間準(zhǔn)確通信，控制模塊識別信息后進(jìn)行分揀，將貨物送達(dá)地點。為了驗證電子標(biāo)簽的可靠性，在我校的快遞派送點進(jìn)行了實驗，該地點人員嘈雜，存在各種通信設(shè)備，環(huán)境相比于實驗室更為惡劣。圖11為實驗現(xiàn)場圖，分別對貨物1、2錄入信息，當(dāng)通過上位機輸入的信息與所需貨物2的信息對應(yīng)時，貨物2的電子標(biāo)簽發(fā)出聲光警報，貨物1則無反應(yīng)。

6 結(jié)論

    本文針對物流業(yè)需要大量人力、工作效率低下的問題，設(shè)計了基于ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)的智能快遞監(jiān)管系統(tǒng)，該系統(tǒng)順利的實現(xiàn)了貨物的快速自動分揀和派件過程中的快速派件，通過實驗調(diào)試，該無線監(jiān)管系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期效果，分揀誤操作率小于千分之一。當(dāng)然，本系統(tǒng)還有需要改進(jìn)的地方，例如目前還不能將貨物位置信息實時上傳到互聯(lián)網(wǎng)，下一步研究將圍繞使快遞業(yè)更加人性化、智能化來展開。

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作者信息:

劉  丁1，2，李新娥1，2，崔春生1，2，尤文斌1，2，王  朋1，2

(1.中北大學(xué) 電子測試技術(shù)國家重點實驗室，山西 太原030051；

2．中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西 太原030051)