智能快遞系統的設計及其輻射干擾與傳導分析

惠州學院物理系，廣東惠州 516007

一、引言

近年來，隨著網絡購物的繁榮，帶動了快遞業務的快速增長，行業發展勢頭迅猛，據中國國家郵政局預計，2018年全國快遞業務量將達490億件。然而，快遞業“最后100米”的配送問題依然沒有得到很好的解決，快件幾乎采用人工投放方式，這種方式效率低、成本高。

智能快遞柜的出現為該問題提供了一個非常好的解決方案，智能快遞系統讓人們的時間不必浪費在等待上。針對以上問題，本文提出了一種基于STC89C58RD+的智能快遞系統。采用模塊化的設計方法，以STC89C58RD+為主控制器，通過LCD1602顯示屏，用鍵盤控制存/取界面的選擇與快遞信息的輸入。單片機控制GSM模塊發送短信驗證碼與柜門的動作。由于民用無線發射信號的廣泛應用，特別是轄區手機、遙控玩具、無人機等的出現，無線電對轄區快遞系統的干擾也慢慢展現出來，人們常常發現快遞系統容易發生錯誤。本文重點研究了系統的電磁干擾問題。結果表明，本系統操作簡單、經濟、安全。

二、系統結構及工作原理

1、系統功能

本系統設計有存和取兩個模式。存件模式下，通過鍵盤輸入快件信息，并錄入收件人手機號碼，相關信息顯示在液晶屏上面，確認無誤后由單片機控制繼電器打開柜門存入快件，再手動關閉柜門，然后再由單片機控制GSM模塊發送信息到被錄入的手機號碼，之后返回初始界面；收到快件通知后，進入取件模式。將手機收到的驗證碼輸入鍵盤，由單片機控制繼電器開啟柜門，取出快件，關閉柜門后返回初始界面。

本系統由單片機和GSM短信模塊兩部分組成，其中，主控芯片STC89C58RD+為本控制系統的核心。系統功能有信息輸入與顯示、柜門的開啟、短信驗證碼的發送以及短信驗證碼的驗證等。GSM短信模塊可以向指定手機號碼發送短信驗證碼。為保障系統的安全，系統考慮了短信驗證碼的隨機性與驗證的唯一性。借由4×4的鍵盤輸入信息，使用LCD1602液晶屏顯示信息。柜門鎖串接了繼電器，由單片機控制繼電器的閉合/斷開，繼電器的動作帶動柜門開啟。系統的電路框圖見圖1所示。

2、系統電路

系統的電路原理圖如圖2所示。

圖2左側為單片機STC89C58的最小系統，P0、P1、P2與P3為四個I/O口，每一條I/O線都能獨立用作輸出或輸入。XTAL1和XTAL2接時鐘電路。XTAL1連接外部晶振和電容的一端，在單片機內XTAL1為振蕩器倒相放大器的輸入端；XTAL2連接外部晶振和電容的另一端，單片機內部XTAL2作為振蕩器倒相放大器的輸出端。本設計采用內部振蕩方式，所用晶振為11.0592MHz。復位采用按鍵手動，按復位鍵以后，復位端通過電阻與VCC電源接通。

通訊模塊采用M590E GSM雙頻GSM/GPRS工業無線模塊，可提供短信、數據業務等功能，內嵌有高可靠性的GSM 引擎和51 單片機系統，使用方便。GSM 網絡基本覆蓋全國，數據傳輸范圍廣，傳輸穩定、可靠。

M590E GSM接線說明：

①VBAT：電源，3.7V～4.5V之間，由5V電源經過二極管降壓提供。VBAT管腳處輸入的瞬間最大電流達到2A，靠近VBAT管腳處放置低阻抗大容量的濾波電容1000μF；

②GND：地；

③ON/OFF：低電平有效，可通過電平變換后，用戶控制側為高電平開機。ON/OFF也可以直接接地，然后模塊上電自動開機；

④TXD接單片機或者USB轉TTL的RXD；

⑤ RXD接單片機或者USB轉TTL的TXD。

注意：RXD和TXD為TTL電平，不能直接接USB轉9針串口。

顯示屏采用LCD1602，可以顯示兩行，每一行有字符液晶模16個塊（顯示字符和數字），由單片機的P0口信號驅動。本文主要顯示快遞單ID（8位數字），由rand隨機函數產生的隨機碼和手機號碼等。

矩陣鍵盤的接口電路是人機交互界面的輸入設備，系統通過矩陣鍵盤進行輸入數據。4×4 的矩陣式鍵盤是由4 根列線和4 根行線交叉組成，按鍵放在行列的交叉點上，這樣就構成了16個按鍵。將程序所生成的.hex文件寫入單片機后，打開串口調試助手軟件，設置好波特率，復位單片機，然后按下任意一個按鍵，并注意觀察串口調試助手上的顯示，可以觀察到接收窗口上對應按鍵的數據。通過按鍵，用戶可以選擇是存快件還是取快件，輸入接收到具有隨機性的隨機碼，輸入快件單ID、用戶號碼。

門鎖控制電路采用一個簡單的與鎖連接的繼電器開啟與閉合的控制電路，以單片機P3.7引腳進行控制。

3、系統軟件設計

（1）系統流程設計

系統功能包括液晶顯示、鍵盤輸入、發送短信、隨機碼驗證以及柜門的控制。具體如下：硬件初始化，GSM模塊初始化，顯示待機界面；判斷是否有按鍵操作，存件/取件模式選擇；存件操作：輸入快遞單ID，輸入手機號碼，發送隨機碼，打開柜門存件；取件操作：判斷隨機碼是否正確并決定是否打開柜門；操作成功，系統自動恢復到待機界面。具體流程如圖3所示。

（2）中文短信發送的設計

①短信中心號碼處理：用字符串addr 表示中心號碼設置；

②手機號碼用phone表示；

③短信部分用msg表示：首先將中文短信轉為unicode碼，再將msg的長度除以2 保留兩位16進制數放在unicode 代碼前面；

④組合：phone前面加字符串11000B 91，在phone后面加字符串0008A7 和msg；phone的長度除以2化為2位10進制數“36”。

三、系統測試

當電路連接完畢后，將寫好的測試程序寫到單片機內，通電即可檢測。LCD1602能按設定的規則顯示，表明LCD1602顯示正常。鍵盤模塊的設置采用串口調試助手軟件，波特率設為9600。按任意鍵，可以觀察到按鍵操作的數據顯示。GSM模塊主要測試不同運營商SIM卡的匹配，測試信息是否發射、接收成功。結果顯示液晶、鍵盤、GSM模塊工作正常。最后還應進行整機的測試，包括短路、開路的檢測、電路連接正確性的檢查以及各個模塊的功能調試。

四、電磁干擾測試及結果分析

所有的電磁干擾（EMI）測試和性能評估都在具有屏蔽和吸波的3m法電波暗室中進行。測試頻段分為高頻段（1GHz～6GHz）和低頻段（30MHz～1GHz）。

1、輻射干擾高頻段測試

圖4為輻射干擾高頻段測試結果。表1為輸入對應輸出的測試數據。第一次峰值檢波測試結果表明，1153.333MHz處的曲線超過了國標限[1]。產生這種情況的原因是快遞系統與測試設備接觸不良導致諧波影響峰值檢波；快遞系統內部零件產生的干擾諧波。為了保證測試的正確性，對該頻率點進行準峰值檢波，結果離國標限值線還有34.9dB余量，符合國家標準，故本系統輻射干擾高頻段測試合格。

表1 高頻段測試值 *

2、輻射干擾低頻段測試

與輻射干擾高頻段測試布置一樣，選用9163天線，360°轉臺，天線高度范圍：水平1m～4m，垂直2m～4m。

圖5為RE 低頻段測試結果。圖中紅色曲線有兩個波峰，黑色曲線有一個波峰，它們表示的是系統內部某部分電路聚集比較多能量，產生的輻射相對較大一些。在30MHz～50MHz一般是由供電電源引起的，不同的實驗室在這個頻段的背景噪聲不盡相同；100MHz～500MHz產生的波峰通常是系統的電容或某些電路接地與否所引起的。本次試驗測試所得的曲線滿足電磁兼容要求。

因此可以得出結論：系統通過峰值檢波方式得到的曲線沒有超過國家標準限值曲線，無需進行準峰值檢波，本系統輻射干擾低頻段測試合格。

3、傳導干擾

快遞柜電源或者通信端口與公共網絡（如電網）連接時，可能存在共模干擾。下面根據國家標準LISN（Line Impedance Stabilization Network）對本系統的N線與L1線進行傳導測試。測試的結果如圖6所示。

系統的N線與L1線進行傳導測試，結果表明：測試頻率范圍為150kHz～30MHz， 在這個頻率范圍內，系統所產生的傳導干擾跟國家標準《CISPR22 B》規定的限值還有15dB～20dB的余量。因此，系統傳導干擾符合國家標準。

四、結論

系統采用了模塊化的設計方法，通過GSM 模塊自動發送驗證短信，由鍵盤和顯示面板確定功能的選擇與信息的輸入，柜門的開啟動作由單片機控制。

系統電磁干擾滿足以下的國家標準：GB9254—2008/CISPR 22:2006《信息技術設備的無線電騷擾限值和測量方法》和GB/T22450.1—2008《900/1800MHz TDMA 數字蜂窩移動通信系統電磁兼容性限值和測量方法第一部分：移動臺及其輔助設備》，本系統的輻射干擾和傳導干擾在低頻和高頻段均符合國家有關的電磁兼容標準。