基于嵌入式系統的智能快遞柜設計

曾澤良，黃 兵，唐 濤，黃 濤

（桂林電子科技大學，廣西 桂林 541004）

隨著電子商務的發展，網購已成為人們主要的購物方式之一，并且發展勢頭迅猛。縱觀現在的快遞業，大體上由兩種形式組成，即人工快遞投取和快遞柜自動投取[1]。本文基于嵌入式系統設計一種多功能智能快遞柜，作為嵌入式技術在智能快遞柜領域的探索性研究，可為以后建立大型的智能快遞投遞系統奠定基礎。

1 電路硬件設計

智能快遞柜的整體系統框如圖1所示。

系統分為電源系統和控制系統兩大部分。

電源系統部分主要包括太陽能電池板、電源管理模塊和可充電電池。

1.1 太陽能電池板

基于綠色環保考慮，本文設計的智能快遞柜電源部分增加了太陽能電池板，減少對市電的使用。太陽能電池板目前市面上主要有3種：晶體硅電池板、非晶硅電池板、柔性太陽能電池。

晶體硅電池板分為兩種：單晶硅型和多晶硅型。單晶硅太陽能電池的光電轉換效率為18%左右，最高的達到24%，轉換效率最高但制作成本很大。多晶硅太陽電池的光電轉換效率約16%左右。從制作成本上來講，比單晶硅太陽能電池要便宜一些。此外，多晶硅太陽能電池的使用壽命也要比單晶硅太陽能電池短。從性能價格比來講，單晶硅太陽能電池還略好。

非晶硅太陽電池的主要優點是在弱光條件也能發電。但非晶硅太陽電池存在的主要問題是光電轉換效率偏低，國際先進水平為10%左右，且不夠穩定，隨著時間的延長，其轉換效率衰減。

柔性薄膜太陽能電池不需要采用玻璃背板和蓋板，重量比雙層玻璃的太陽能電池片組件輕80%，可以任意彎曲，安裝的時候也不需要特殊的支架。缺點是光電的轉換效率要比常規的晶硅組件低。

在本文設計的智能快遞柜電路系統中，太陽能電池板主要需考慮的方面為成本、發電功率和發電效率，因此可以考慮采用多晶硅太陽能電池板。但結合具體環境，在有些光照條件欠佳的地方可以采用非晶硅太陽能電池板[2]。

1.2 電源管理模塊

穩定可靠的電源是電路系統穩定工作的基本條件，因而對電源模塊的性能參數要求必然不低。在本文所設計智能快遞柜電路結構中，電源管理模塊的作用如下：（1）將市電轉換為系統電路所需直流電。（2）將市電和太陽能電池板發電進行功率分配控制，盡可能減小市電的使用實現節能環保。（3）在供電正常時對可充電電池進行充電和維護，在斷電時切換使用可充電電池作為電源，保證系統在斷電后也能正常工作。

1.3 可充電電池

圖1 智能快遞柜整體系統框

在本文設計的智能快遞柜電路系統中，可充電電池用于斷電時為系統提供應急電源。鋰電池輕巧且容量大，但基于成本考慮，可以采用鉛蓄電池。

控制系統包括主控模塊、GPRS模塊、語音模塊、觸摸屏、鍵盤、攝像頭模塊和繼電器模塊。

1.3.1 主控模塊

主控模塊為本系統的核心，用于進行所有數據的處理。在本文設計的智能快遞柜電路系統中，綜合考慮開發成本、開發難度、芯片性能等，本文采用樹莓派3B作為主控模塊。

1.3.2 GPRS模塊

在本文設計的智能快遞柜電路系統中，GPRS模塊用于網絡通信，采用SIM800A模塊。SIM800A是SIMCOM公司推出的一款高性能工業級GSM/GPRS模塊，可以低功耗實現語音、DTMF、SMS（短信，彩信）、 GPRS 數據的傳輸。

1.3.3 語音模塊

在本文設計的智能快遞柜電路系統中，語音模塊用于對用戶進行引導和提示。由于樹莓派上帶有音頻輸出接口，所以為實現語音播報，只需外接功放和揚聲器。

1.3.4 觸摸屏

本文所述的觸摸屏為帶觸摸功能的顯示屏，即包括顯示屏和觸摸面板。

在本文所設計的智能快遞柜電路系統中，顯示屏重點在于可靠性，需在室外環境下長期使用。同時，尺寸也不要求很大，能滿足軟件界面的顯示即可，因而可以考慮10.1寸以下的LCD顯示器。由于樹莓派上帶有HDMI視頻輸出接口，因而可以采用HDMI接口的顯示器。

觸摸面板種類很多，對于本文所設計的智能快遞柜電路系統，主要考慮的因素是成本和可靠性，因而可以采用五線電阻屏。關于硬件的連接，樹莓派上帶有USB接口，可以直接將電阻屏驅動板和樹莓派通過USB直接連接，通過在樹莓派上安裝驅動實現觸摸輸入。

1.3.5 鍵盤

在本文所設計的智能快遞柜電路系統中，鍵盤用于額外的輸入設備，避免在觸摸屏異常時用戶無法輸入。在本設計中用戶的輸入僅為數字，因而采用USB接口的數字鍵盤即可。

1.3.6 攝像頭模塊

隨著技術的發展，用戶的輸入方式在很多場合已變為操作簡易的“掃碼”，在本文所設計的智能快遞柜電路系統中，攝像頭模塊用于讀取用戶的二維碼、條形碼，可以直接通過“掃碼”進行輸入操作，使得系統的使用更為簡便。

1.3.7 繼電器模塊

在本文所設計的智能快遞柜電路系統中，繼電器模塊用于驅動快遞柜各個貨柜的電磁鎖，繼電器模塊在電路上主要包括繼電器驅動模塊和繼電器。

2 軟件設計

本文所設計的智能快遞柜軟件設計包括界面設計、后臺程序設計和數據庫設計。

界面設計可通過QT實現，界面并不復雜，根據用戶操作流程可分頁設計為歡迎界面、登錄界面、寄件收件界面。同時，可嵌入多媒體播放器用于播放廣告。

后臺程序主要包括底層驅動程序和后臺數據處理程序。底層驅動程序用于樹莓派對硬件電路進行操作，包括GPRS模塊的串口驅動程序和繼電器模塊的驅動程序。后臺數據處理程序可以通過中斷和順序執行結合的方式，通過中斷檢測鍵盤、觸摸屏和攝像頭模塊，當有用戶輸入時進入輸入界面，將用戶輸入的數據與數據庫進行對比，根據結果通過繼電器模塊控制相應的柜門打開，過程中通過語音引導用戶操作。在系統閑時通過GPRS模塊與服務器端通信，更新本地數據庫。

3 結語

智能快遞柜的開發，是快遞行業向互聯網轉型升級的重要實踐，在一定程度上解決了末端配送的問題，并且可有效降低物流成本，因此，智能快遞柜的發展是未來智慧社區、智慧社會發展的趨勢[3]。本文所設計的基于嵌入式系統的智能快遞柜，通過太陽能電池板實現節能環保，具有多種交互方式，具有一定的便利性，可為以后建立大型智能快遞投遞系統提供技術參考。