基于STM32單片機(jī)及NB-IoT的智能快遞包裹箱設(shè)計(jì)

孫 英，湯帥鵬，趙歡歡，朱 旭，賈增虎，劉 毅，邢慶國

基于STM32單片機(jī)及NB-IoT的智能快遞包裹箱設(shè)計(jì)

孫 英，湯帥鵬，趙歡歡，朱 旭，賈增虎，劉 毅，邢慶國

（河北工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，天津 300130）

為解決快遞行業(yè)存在的包裝物浪費(fèi)、污染和保護(hù)個(gè)人隱私問題，設(shè)計(jì)了一款可重復(fù)使用的智能快遞包裹箱。箱體內(nèi)采用NB-IoT模塊傳送信息，采用GPS模塊實(shí)時(shí)記錄快遞的地理位置，穩(wěn)壓模塊用于給箱體提供穩(wěn)定的直流電源；箱體上采用二維碼記錄收發(fā)件信息；箱體外采用無線方式充電。該設(shè)計(jì)可以幫助學(xué)生掌握通信、電路、電子設(shè)計(jì)和單片機(jī)等方面的知識(shí)，提升學(xué)生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

快遞包裹箱；智能快遞；單片機(jī)應(yīng)用；NB-IoT；GPS；二維碼

近年來，我國電子商務(wù)和物流技術(shù)快速發(fā)展和不斷創(chuàng)新，促進(jìn)了國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、方便了人民的生 活[1-2]。但是，大量的快遞廢棄包裝物給環(huán)境保護(hù)工作帶來了沉重負(fù)擔(dān)[3-4]。為此，國家郵政局下發(fā)了《快遞業(yè)綠色包裝指南(試行)》，要求快遞業(yè)堅(jiān)持“標(biāo)準(zhǔn)化、減量化和可循環(huán)”的綠色包裝工作目標(biāo)，加強(qiáng)與上下游協(xié)同，逐步實(shí)現(xiàn)包裝材料的減量化和再利用[5]。此外，快遞行業(yè)在服務(wù)過程中也存在泄露消費(fèi)者個(gè)人信息的問題[6]。

為解決以上問題，文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)了一種使用新型可降解材料“有機(jī)硅塑”制造、可循環(huán)利用的快遞箱；文獻(xiàn)[8]設(shè)計(jì)了一種回收裝置以解決快遞包裹浪費(fèi)的問題。為減少快遞包裝物對(duì)環(huán)境的影響并防止用戶個(gè)人信息的泄露，本文提出可重復(fù)利用的、保護(hù)個(gè)人信息和減少資源浪費(fèi)的智能快遞包裹箱研究項(xiàng)目。本項(xiàng)目為2018年河北工業(yè)大學(xué)“大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃”項(xiàng)目并獲得國家級(jí)立項(xiàng)，是本科生在學(xué)習(xí)了單片機(jī)后與其他專業(yè)學(xué)生共同設(shè)計(jì)的。該智能快遞包裹箱是一款結(jié)合單片機(jī)以及NB-IoT模塊來達(dá)到節(jié)能環(huán)保、循環(huán)使用、實(shí)時(shí)定位、便于裝卸和分揀、保護(hù)隱私、無線充電等多功能的新型智能快遞包裹箱。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

智能快遞包裹箱實(shí)物圖如圖1所示。

1.1 智能快遞包裹箱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能快遞包裹箱的系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的硬件電路部分和進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的軟件部分。硬件電路設(shè)計(jì)采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，采用STM32單片機(jī)作為控制單元，功能模塊包括供電電池模塊、無線充電模塊、穩(wěn)壓電源模塊、GPS模塊、ADC光敏模塊、NB-IoT模塊等。硬件電路設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

圖2 硬件電路設(shè)計(jì)框圖

GPS模塊通過IIC協(xié)議與STM32單片機(jī)之間進(jìn)行通信，將包裹箱的位置信息（經(jīng)/緯度）發(fā)送給單片機(jī)；ADC光敏傳感器模塊通過SPI協(xié)議與單片機(jī)之間完成通信，將包裹箱的溫度和濕度信息發(fā)送給單片機(jī)；單片機(jī)將包裹箱的信息進(jìn)行整理后發(fā)送給NB-IoT模塊，NB-IoT模塊采用COAP協(xié)議與云端對(duì)接，將包裹箱的信息發(fā)送至云端并完成數(shù)據(jù)備份。當(dāng)包裹箱到站后，系統(tǒng)將接收包裹的位置信息并自動(dòng)向用戶發(fā)送信息。每個(gè)包裹箱都配有無線充電模塊，為包裹箱內(nèi)的電池提供電能，以此保證對(duì)包裹箱電量的供給。

軟件部分采用HTML CSS JAVASCRIPT進(jìn)行編寫，網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)界面主要包括注冊(cè)功能、GPS定位功能、查找功能、添加包裹、溫濕度信息實(shí)時(shí)顯示功能以及數(shù)據(jù)備份等功能。包裹信息的數(shù)據(jù)傳送過程如下：

（1）將信息發(fā)送到PC端，串口助手將接收到的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)向文件；

（2）PC運(yùn)行的中繼程序?qū)崟r(shí)監(jiān)聽數(shù)據(jù)文件內(nèi)容的變化，將文件上傳到網(wǎng)站根目錄中；

（3）將上傳到站點(diǎn)的數(shù)據(jù)文件分割，然后存入數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)表的相關(guān)屬性列；

（4）平臺(tái)界面定時(shí)刷新數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)顯示，由DBMS保證數(shù)據(jù)的可靠性。

1.2 智能快遞包裹箱使用流程

智能快遞包裹箱的使用流程如下：

（1）選取規(guī)格：快遞公司按照物件的大小和客戶要求選擇規(guī)格適當(dāng)?shù)目爝f包裹箱；

（2）填寫運(yùn)單：客戶按照要求填寫電子運(yùn)單，快遞信息將會(huì)更新到指定包裹箱的二維碼上（每個(gè)包裹箱都有唯一的二維碼，箱體的6個(gè)面都可見）；

（3）獲取單號(hào)：信息確定無誤后，快遞公司將運(yùn)單號(hào)發(fā)給用戶，用戶可通過運(yùn)單號(hào)隨時(shí)查詢快遞件狀態(tài)；

（4）包裹填充：快遞公司員工將用戶的物品放入包裹箱并放置填充物，填充物循環(huán)使用；

（5）分揀運(yùn)送：分揀機(jī)將用戶所寄包裹按不同城市進(jìn)行分揀，然后向各地發(fā)送；因?yàn)槊總€(gè)包裹箱均可GPS定位，故用戶可以實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地了解自己郵件的位置信息；

（6）再分揀配送：包裹箱送達(dá)中轉(zhuǎn)站后，中轉(zhuǎn)站接收由包裹箱內(nèi)NB-IoT模塊發(fā)出的信號(hào)，此信號(hào)是包裹箱到達(dá)信號(hào)，用作信息收集與整理；包裹到達(dá)小站點(diǎn)后，接收器再次接收包裹箱內(nèi)NB-IoT模塊發(fā)出的射頻信號(hào)，同時(shí)向收件方自動(dòng)發(fā)送取件信息；

（7）憑號(hào)取件：用戶憑手機(jī)上顯示的運(yùn)單號(hào)和本人手機(jī)號(hào)取件；

（8）開包驗(yàn)收：信息核對(duì)無誤后，由站點(diǎn)工作人員打開包裹箱，將物品交收件人并回收包裹箱；

（9）包裹箱回收：將包裹箱回收和清理，通過掃碼清除用戶信息，準(zhǔn)備再次利用。

2 硬件電路設(shè)計(jì)與測試

2.1 NB-IoT模塊

窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（NB-IoT）屬于低能耗且應(yīng)用范圍廣的技術(shù)[9]。窄帶物聯(lián)網(wǎng)又被稱為低功耗廣域網(wǎng)。目前窄帶物聯(lián)網(wǎng)的帶寬消耗已經(jīng)降至180 kHz，具有大容量、高覆蓋、低功耗和低成本的優(yōu)點(diǎn)，因而在GSM網(wǎng)絡(luò)、UMTS網(wǎng)絡(luò)和LTE網(wǎng)絡(luò)中都可以部署窄帶物聯(lián)網(wǎng)[10-11]。目前，移動(dòng)通信已從人與人的連接擴(kuò)展到人與物以及物與物的連接，萬物互聯(lián)已成為必然趨勢(shì)[12]。本智能快遞包裹箱通過NB-IoT技術(shù)將GPS模塊所獲得的快遞包裹箱位置信息傳送到后臺(tái)，能耗低、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)。NB-IoT模塊采用5 V供電，每間隔15 min向外發(fā)射一次信號(hào)。STM32單片機(jī)通過串行口與NB-IoT模塊相連，并控制NB-IoT模塊；NB-IoT模塊則與網(wǎng)絡(luò)端相連，實(shí)現(xiàn)雙向透明傳輸。NB-IoT模塊接線端子如圖3所示。

圖3 NB-IoT模塊端子圖

2.2 STM32單片機(jī)

STM32單片機(jī)比市場上同種類的單片機(jī)價(jià)格低、功能強(qiáng)、使用簡單、開發(fā)方便。本系統(tǒng)采用STM32L476RCT6新一代單片機(jī)，具有功耗低、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。利用單片機(jī)對(duì)采集到的快遞包裹箱實(shí)時(shí)位置、箱內(nèi)溫濕度等信息進(jìn)行處理后，將信息通過NB-IoT無線數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。

2.3 無線充電

無線充電部分采用電磁感應(yīng)式充電，其核心是通過一個(gè)振蕩電路在發(fā)射線圈中產(chǎn)生一定頻率變化的交流電，其變化的電流會(huì)在線圈周圍的空間產(chǎn)生一個(gè)變化的磁場。該變化的磁場在接收端線圈中產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)，當(dāng)接收線圈部分形成閉合回路時(shí)便可以產(chǎn)生交變電流，再將接收端的交流電經(jīng)過整流穩(wěn)壓之后傳輸給電子產(chǎn)品，從而實(shí)現(xiàn)無線充電[13]。

電磁感應(yīng)式充電器主要由2個(gè)金屬繞線環(huán)組成，一個(gè)在快遞包裹箱底部，一個(gè)在充電板上。采用輸入12 V/1 A、輸出5 V/2 A的無線充電模塊，屬于小功率充電方式。當(dāng)快遞箱放在充電板上，充電指示燈亮起，快遞箱開始充電。無線充電部分實(shí)物如圖4所示。

圖4 無線充電部分實(shí)物圖

2.4 二維碼

二維碼的廣泛應(yīng)用給人們的生活和生產(chǎn)活動(dòng)帶來了極大的便利[14]。二維碼可以實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品各項(xiàng)信息的存儲(chǔ)，并且具有高密度編碼、信息量大、防偽保密性好、譯碼及糾錯(cuò)能力強(qiáng)、制作易、成本低等優(yōu)點(diǎn)[15]。快遞包裹箱用二維碼來代替?zhèn)鹘y(tǒng)紙質(zhì)的單據(jù)，能夠節(jié)約運(yùn)輸成本和運(yùn)輸資源。每一個(gè)快遞包裹箱上面都有唯一的二維碼，每當(dāng)快遞包裹箱使用時(shí)，可以將收件人和發(fā)件人的信息置入二維碼中。當(dāng)需要了解包裹信息時(shí)，只需掃描二維碼即可。

2.5 硬件電路測試

智能快遞包裹箱設(shè)計(jì)完成后，對(duì)包裹箱硬件電路進(jìn)行了測試，如圖5所示。首先打開包裹箱的電源，包裹箱內(nèi)部硬件設(shè)備開始向網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)傳送包裹箱內(nèi)部的溫濕度信息和包裹箱位置信息等數(shù)據(jù)。

圖5 硬件電路測試圖

3 軟件設(shè)計(jì)及測試

軟件的設(shè)計(jì)采用模塊化思想，首先進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行過程設(shè)計(jì)。

軟件的結(jié)構(gòu)分為登錄模塊、包裹信息管理模塊兩部分。登錄模塊的功能細(xì)化為登錄和注冊(cè)兩個(gè)子功能；包裹信息管理模塊的功能細(xì)化為查找包裹和包裹信息查看兩個(gè)子功能。

過程設(shè)計(jì)確定每個(gè)模塊的處理過程。

在進(jìn)行軟件測試時(shí)，首先采用白盒測試方法，覆蓋標(biāo)準(zhǔn)為基本路徑測試，測試無誤后進(jìn)入黑盒測試環(huán)節(jié)，由測試人員從用戶角度對(duì)軟件進(jìn)行測試。

快遞包裹箱的位置信息、箱內(nèi)溫濕度的信息通過NB-IoT傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析?？爝f包裹箱的位置信息顯示界面如圖6(a)所示，位置信息由地圖搭載，直觀明了；溫度信息和濕度信息被繪制成折線圖，以線圖的形式提供給客戶，讓用戶了解快遞包裹箱內(nèi)溫度/濕度的變化情況，如圖6(b)圖6(c)所示。此外，軟件系統(tǒng)配有數(shù)據(jù)備份功能，方便對(duì)信息的調(diào)取。

圖6 快遞包裹箱的信息顯示界面

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的智能快遞包裹箱使用二維碼代替?zhèn)鹘y(tǒng)的紙質(zhì)單據(jù)，不但能較好地保護(hù)用戶的隱私，而且能在一定程度上減少快遞包裝物對(duì)環(huán)境保護(hù)的壓力，提高快遞的效率。箱體采用無線充電方式，也使得充電方式快捷、簡單。

該設(shè)計(jì)項(xiàng)目應(yīng)用于高校學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐環(huán)節(jié)，充分利用STM32單片機(jī)和窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)NB-IoT模塊，將硬件和軟件相結(jié)合，幫助學(xué)生掌握通信、電路、電子設(shè)計(jì)和單片機(jī)技術(shù)等方面的知識(shí)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。

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Design of intelligent express packing box based on STM32 SCM and NB-IoT

SUN Ying, TANG Shuaipeng, ZHAO Huanhuan, ZHU Xu, JIA Zenghu, LIU Yi, XING Qingguo

(School of Electrical Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300130, China)

In order to solve the problems of waste, pollution and privacy protection in the express industry, a reusable intelligent express package box is designed. The NB-IoT module is used to transmit information, GPS module is adopted to record the geographical position of express delivery in real time, and voltage stabilization module is used to provide the stable DC power supply for the box. The two-dimensional code is applied to record the sending and receiving information on the box body, and wireless charging is used outside the box body. This design can help students to master the knowledge of communication, circuit, electronic design, SCM, etc., and improve their engineering practice and innovation ability.

express package box; intelligent express; SCM application; NB-IoT; GPS; two-dimensional code

TP368.1

A

1002-4956(2019)10-0148-04

10.16791/j.cnki.sjg.2019.10.035

2019-04-02

2019-06-13

教育部高教司2018年第二批產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目（201802022034）；2016-2017河北省高等教育教學(xué)改革研究與實(shí)踐項(xiàng)目（2016GJJG022）；2018-2019河北省高等教育教學(xué)改革研究與實(shí)踐項(xiàng)目（2018GJJG582）；河北工業(yè)大學(xué)教改項(xiàng)目（201704019）

孫英（1970—），女，河北樂亭，博士，副教授，主要從事電子技術(shù)教學(xué)以及電工理論與新技術(shù)研究。E-mail: sunying@hebut.edu.cn