0 引言

    科技的進步大大促進了物流業的發展。目前，條形碼技術已經在物流業得到了廣泛的應用，并且提高了物流效率,加速了快遞業發展進程，但由于條形碼技術需要人工逐個利用掃描槍掃描，需要大量的人力物力，隨著快遞業的物流量越來越大，有線的條形碼掃描已經不能滿足需求^[1-3]。為擺脫有線的束縛，實現快遞業的自動化、智能化、人性化，本文將ZigBee無線通信技術與自動化控制技術進行有效融合，設計出一種基于ZigBee無線網絡的智能快遞監管系統，實驗證明，該系統大大提高了快遞業分揀效率和派件速度。

1 系統概述

    20世紀以來，世界逐漸由有線技術走向無線技術，而ZigBee技術由于其低成本和低復雜度的優點得到了越來越高的關注。ZigBee網絡大致分為星型、樹形和網絡3種結構，其網絡設備由協調器、路由器和終端設備三部分組成。其中協調器是網絡的中心結構，它與其他的終端節點通信；當超出了通信范圍或存在障礙物時，需要路由器實現網絡的拓展；終端設備主要是數據通信的最底層，也就是終端節點，至多可以有65 535個節點在其覆蓋范圍內^[4]。

    本文提出的基于ZigBee的快遞監管系統由上位機、協調器、電子標簽終端、分揀機器四部分組成，其中協調器和電子標簽分別對應ZigBee網絡的協調器和終端節點，由于主控板和電子標簽需要在近距離內組網，所以無需路由器來拓展網絡。

    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)通過上位機和協調器無線錄入電子標簽；然后對快件進行地區分揀，將快件放置在分揀機器的傳送帶上，通過信息識別帶時，電子標簽自動將貨物信息發送給協調器，協調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省份的集裝箱內,實現包裹的快速自動分揀,運作流程如圖2所示；貨物到達派件地。到達派送點后，電子標簽自動與協調器組網，將電子標簽內存儲的客戶手機號碼提取并發送給上位機，上位機自動控制發短信模塊編輯相應的短信到客戶手機。客戶領取貨物時，快遞人員輸入手機尾號，點擊上位機查找按鈕，電子標簽會發出聲光信息，提示自身所在位置，實現取件人快速取件，如圖3所示。

2 網絡節點的硬件設計

    新型智能快遞監管系統的網絡節點主要由電子標簽節點和協調器節點兩部分組成，兩節點間以IEEE 802.15.4協議為基礎，在2.4 GHz的頻率下，采用CC2530、CC2591芯片進行無線通信^[5-9]。硬件上采用ZigBee模塊，電氣參數如表1。協調器通過USB接口與上位機通信，根據從上位機接收到的不同指令向電子標簽做出不同的指示，電子標簽節點采用可充電電池供電，自動和協調器組網，具有體積小、功耗低、可靠性高等優點，會根據接收到的命令上傳存儲的信息以及自動報警^[10]。

    電子標簽節點是本系統的終端節點，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，電子標簽節點的硬件結構框圖如圖4所示，Arduino單片機負責將ZigBee模塊接收到的數據進行處理并生成發送的數據以及控制報警模塊和指示燈做出響應。

    協調器節點采用與電子標簽節點相同的無線透傳模塊，主要負責建立網絡、管理網絡和維護網絡，并與上位機通信，向電子標簽錄入貨物信息以及和Ardinio單片機通信控制分揀機器實現貨物分揀，因為協調器工作時間很長，且其工作地點相對固定，其電源采用220 V交流電，經過開關電路轉換，實現低電壓供電。其結構框圖如圖5。

3 上位機軟件設計

    本文所設計的基于ZigBee的新型智能快遞監管系統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、數據處理模塊和命令發送模塊，主要功能是顯示信息和發送命令，通過協調器節點編輯電子標簽節點中的貨物信息，接收電子標簽節點發送的貨物信息，呼叫電子標簽使其自動報警，以及啟動和終止分揀機器，并且到達派件點后，協調器將終端中存儲的客戶手機提取后發送給上位機，上位機自動將短信發送給客戶。

4 機械結構設計

4.1 協調器的機械結構設計

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

4.2 電子標簽終端機械結構設計

    電子標簽終端內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，電子標簽與快件一直綁定，貨品送達后，通過快遞站的電腦客戶端向電子標簽發送報警命令，電子標簽在接收到相應命令后發生出聲光信息提示，以便取件人快速取件。

4.2.1 電子標簽終端3D結構視圖

    電子標簽終端全視圖如圖8所示。

4.2.2 電子標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)，當釘子穿過快件包裝袋從電子標簽底部插入后，電子標簽中的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在頂部彈簧的壓力下，牢牢將它們卡在凹槽中，實現了電子標簽與快件的牢固綁定^[4]。

    解鎖原理：如圖9(b)所示，當在電子標簽頂部施以強磁時，鐵環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簽內輕松取出了。綁定、解鎖原理如圖9所示。

4.3 分揀裝置機械結構設計

    分揀裝置由識別控制模塊（協調器）、傳送帶、推桿和集裝箱構成。分揀系統上電后，識別控制模塊開啟，該模塊的發射信號功率與組網的距離成正相關，因此通過調節發射功率來控制組網的距離，當貨物的標簽與協調器組網成功后，協調器會讀取標簽內錄入的信息，當貨物經過光電門時，系統會根據獲取的信息來控制推桿對貨物進行分揀，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應用該技術；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

    針對該系統的可靠性進行多次試驗。在存有大量儀器設備的干擾較強的實驗室房間內，電子標簽與協調器之間準確通信，控制模塊識別信息后進行分揀，將貨物送達地點。為了驗證電子標簽的可靠性，在我校的快遞派送點進行了實驗，該地點人員嘈雜，存在各種通信設備，環境相比于實驗室更為惡劣。圖11為實驗現場圖，分別對貨物1、2錄入信息，當通過上位機輸入的信息與所需貨物2的信息對應時，貨物2的電子標簽發出聲光警報，貨物1則無反應。

6 結論

    本文針對物流業需要大量人力、工作效率低下的問題，設計了基于ZigBee無線通信網絡的智能快遞監管系統，該系統順利的實現了貨物的快速自動分揀和派件過程中的快速派件，通過實驗調試，該無線監管系統達到了預期效果，分揀誤操作率小于千分之一。當然，本系統還有需要改進的地方，例如目前還不能將貨物位置信息實時上傳到互聯網，下一步研究將圍繞使快遞業更加人性化、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 電子測試技術國家重點實驗室，山西 太原030051；

2．中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，山西 太原030051)