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(gè)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(shí)現(xiàn)快遞業(yè)的自動(dòng)化、智能化、人性化，本文將ZigBee無線通信技術(shù)與自動(dòng)化控制技術(shù)進(jìn)行有效融合，設(shè)計(jì)出一種基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的智能快遞監(jiān)管系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)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(diǎn)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(diǎn)通信；當(dāng)超出了通信范圍或存在障礙物時(shí)，需要路由器實(shí)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(diǎn)，至多可以有65 535個(gè)節(jié)點(diǎn)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(jī)、協(xié)調(diào)器、電子標(biāo)簽終端、分揀機(jī)器四部分組成，其中協(xié)調(diào)器和電子標(biāo)簽分別對(duì)應(yīng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)，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(jī)和協(xié)調(diào)器無線錄入電子標(biāo)簽；然后對(duì)快件進(jìn)行地區(qū)分揀，將快件放置在分揀機(jī)器的傳送帶上，通過信息識(shí)別帶時(shí)，電子標(biāo)簽自動(dòng)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(jī)通信，單片機(jī)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(shí)現(xiàn)包裹的快速自動(dòng)分揀,運(yùn)作流程如圖2所示；貨物到達(dá)派件地。到達(dá)派送點(diǎn)后，電子標(biāo)簽自動(dòng)與協(xié)調(diào)器組網(wǎng)，將電子標(biāo)簽內(nèi)存儲(chǔ)的客戶手機(jī)號(hào)碼提取并發(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)自動(dòng)控制發(fā)短信模塊編輯相應(yīng)的短信到客戶手機(jī)。客戶領(lǐng)取貨物時(shí)，快遞人員輸入手機(jī)尾號(hào)，點(diǎn)擊上位機(jī)查找按鈕，電子標(biāo)簽會(huì)發(fā)出聲光信息，提示自身所在位置，實(shí)現(xiàn)取件人快速取件，如圖3所示。

2 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

    新型智能快遞監(jiān)管系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)主要由電子標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)兩部分組成，兩節(jié)點(diǎn)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(jī)通信，根據(jù)從上位機(jī)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(diǎn)采用可充電電池供電，自動(dòng)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(diǎn)，會(huì)根據(jù)接收到的命令上傳存儲(chǔ)的信息以及自動(dòng)報(bào)警^[10]。

    電子標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)是本系統(tǒng)的終端節(jié)點(diǎn)，除了ZigBee模塊，還包括Arduino單片機(jī)、報(bào)警模塊、充電接口、電源模塊和開關(guān)，電子標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示，Arduino單片機(jī)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(bào)警模塊和指示燈做出響應(yīng)。

    協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)采用與電子標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)相同的無線透?jìng)髂K，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(jī)通信，向電子標(biāo)簽錄入貨物信息以及和Ardinio單片機(jī)通信控制分揀機(jī)器實(shí)現(xiàn)貨物分揀，因?yàn)閰f(xié)調(diào)器工作時(shí)間很長(zhǎng)，且其工作地點(diǎn)相對(duì)固定，其電源采用220 V交流電，經(jīng)過開關(guān)電路轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)低電壓供電。其結(jié)構(gòu)框圖如圖5。

3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

    本文所設(shè)計(jì)的基于ZigBee的新型智能快遞監(jiān)管系統(tǒng)上位機(jī)是采用美國微軟公司的Visual Studio作為軟件平臺(tái)^[11-15]，界面如圖6所示。上位機(jī)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(diǎn)編輯電子標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)中的貨物信息，接收電子標(biāo)簽節(jié)點(diǎn)發(fā)送的貨物信息，呼叫電子標(biāo)簽使其自動(dòng)報(bào)警，以及啟動(dòng)和終止分揀機(jī)器，并且到達(dá)派件點(diǎn)后，協(xié)調(diào)器將終端中存儲(chǔ)的客戶手機(jī)提取后發(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)自動(dòng)將短信發(fā)送給客戶。

4 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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

    協(xié)調(diào)器的機(jī)械殼體采用強(qiáng)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(shí)物圖，工作過程中，可以通過組網(wǎng)指示燈監(jiān)測(cè)協(xié)調(diào)器是否組網(wǎng)，USB通信接口用于與上位機(jī)進(jìn)行通信。

4.2 電子標(biāo)簽終端機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

    電子標(biāo)簽終端內(nèi)部集成了電源管理模塊、報(bào)警模塊以及綁定模塊和主控板。運(yùn)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(bào)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(duì)小凹槽(圖9(a)只畫其中一對(duì)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(gè)小鋼珠就會(huì)順勢(shì)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(shí)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(qiáng)磁時(shí)，鐵環(huán)和小鋼珠受到強(qiáng)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(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

    分揀裝置由識(shí)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(shí)別控制模塊開啟，該模塊的發(fā)射信號(hào)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(huì)讀取標(biāo)簽內(nèi)錄入的信息，當(dāng)貨物經(jīng)過光電門時(shí)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)獲取的信息來控制推桿對(duì)貨物進(jìn)行分揀，最終將貨物送入指定的地點(diǎn)。基于電動(dòng)推桿的體積小、精度高、自鎖性好等特點(diǎn)分揀系統(tǒng)應(yīng)用該技術(shù)；在傳送帶的電機(jī)選擇方面，考慮到直流電機(jī)具有過載能力好、受電磁煩擾影響小的特點(diǎn)，因此選擇了該電機(jī)。分揀機(jī)模型如圖10所示。

5 實(shí)驗(yàn)

    針對(duì)該系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行多次試驗(yàn)。在存有大量?jī)x器設(shè)備的干擾較強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)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(shí)別信息后進(jìn)行分揀，將貨物送達(dá)地點(diǎn)。為了驗(yàn)證電子標(biāo)簽的可靠性，在我校的快遞派送點(diǎn)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，該地點(diǎn)人員嘈雜，存在各種通信設(shè)備，環(huán)境相比于實(shí)驗(yàn)室更為惡劣。圖11為實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖，分別對(duì)貨物1、2錄入信息，當(dāng)通過上位機(jī)輸入的信息與所需貨物2的信息對(duì)應(yīng)時(shí)，貨物2的電子標(biāo)簽發(fā)出聲光警報(bào)，貨物1則無反應(yīng)。

6 結(jié)論

    本文針對(duì)物流業(yè)需要大量人力、工作效率低下的問題，設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)了貨物的快速自動(dòng)分揀和派件過程中的快速派件，通過實(shí)驗(yàn)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(shí)時(shí)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(cè)試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原030051；

2．中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原030051)