家用智能快递柜的设计研究

陈国童，陆泽宇

（宁德师范学院 信息与机电工程学院，福建 宁德 352100）

随着消费需求的增长，快递末端配送的压力也随着快件数量的增加而变得越来越大，配送劳动力求过于供.此外大量上班族由于工作时间无法及时接收快递，导致快件的二次投递配送，造成了快递资源的浪费.虽然菜鸟驿站和其他快递柜解决了大多数的“900 m”，但在真正的“最后100 m”中未能解决快递的隐患问题.快件的代收安全性和存取收费制度及用户体验差等问题仍待解决.这些客观存在的难题随着快件数量的大幅增加而愈加突出，正是在这种背景下，智能家用快递柜应运而生[1].它成为解决末端投递的热点解决方案之一[2].

家用智能快递柜作为一种可以自助代收和寄存快件的全天24 h 服务设备[3]，可以解决用户家中无人接受快件的问题.家用智能快递柜采用双密码设计，储存柜和寄存柜分别有各自不同的密码，储存柜用于存放快递员送达户主的包裹，而寄存柜里存放的则是户主准备要寄送的包裹，这样快递员和用户就都可以更自由地选择配送和收货时间，大大提高了配送效率和快件货物的安全性，真正地实现了快件投递到家.同时在现有快递柜的基础上，家用智能快递柜添加了撬动短信报警模块，能及时防止不必要的损失，并且该设计增加了指纹识别模块，让用户在忘记数字密码的时候也能轻松便捷地打开柜门取出货物.当前快递柜运营商普遍处于亏损状态，这也就造成了一些快递柜运营商急于向用户收费的现象，这种收费模式或将导致现有客户流失，因小失大[4]，不同于快递公司的集成快递柜，家用智能快递柜推广使用可以消除集成式智能快递柜的收费痛点.同时由于快递送达不到位而发生在快递员与用户之间的矛盾也可以避免.

该家用智能快递柜系统是由单片机最小系统、多路电源模块、指纹模块、矩阵按键、独立操作按键、秘密恢复按键、液晶显示模块、短信报警模块、语音提示模块、震动探测模块和16 路舵机驱动模块及舵机等部分组成.快递员按照语音提示按下相应的按键进行操作，同时液晶显示柜门状态.用户通过语音提示输入相应的密码或指纹输入来提取和寄存快件.当系统检测到有人非法开锁或检测到非法撬锁时，自动向用户发送短信报警并及时进行锁定.用户在确认周边环境安全后，可通过系统的秘密恢复按键对系统进行密码恢复.系统整体设计功能图如图1所示.

图1 系统的硬件构成框图

1.1 系统的硬件原理图

系统的硬件原理图见图2.

图2 系统的硬件原理图

1.1.1 震动探测模块电路 家用智能快递柜安全状态的判断包括两部分，一部分是密码的判断，另一部分是柜体震动探测的判断.该设计的柜体震动探测采用SW-420常闭性震动传感器，该传感器震动触发的时间长，比较器输出，波形好，信号干净，驱动能力强.

SW-420常闭性震动传感器分布有三个端口，分别为VCC、ZD、GND.ZD输出端负责输出传感器的震动状态，单片机通过检测传感器ZD 端口输出的高低电平来检测判断快递柜是否有非法震动，结合语音模块和GSM 模块起到报警作用.当柜体检测到非法震动时，此时单片机对应端口检测到高电平，触发GSM模块，及时向用户发送报警短信如图3所示.

图3 已锁定报警状态显示

1.1.2 短信报警电路 用GSM-SIM800 模块通信.SIM800 是一款性能综合的GSM 模块，SIM800 基本版本可以实现DTMF、SMS、语音、GPRS 数据的传输.该模块具有极高的性价比，支持RS232 串口和TTL 串口通信，接口丰富，功能完善，抗干扰性能强，核心电路集成度高，尺寸玲珑[5].

在具体操作串口之前，需要对单片机的一些与串口有关的特殊功能寄存器进行初始化设置，主要是设置产生波特率的定时器1、串行口控制和中断控制.串口初始化完成后，即可进行字符串的发送，当系统检测到密码输入错误次数达到3 次或系统探测到柜体震动时，就会触发GSM 模块进行短信报警,图4所示.

图4 短信报警内容

1.1.3 语音提示电路 家用智能快递柜人机交互部分包括液晶显示和语音提示，语音提示模块采用JQ8900-16P，该模块集成了16 位的MCU，模块采用硬解码的方式，保证了系统的播报音质和工作稳定性.该模块内部也集成了3 MB 的存储，可储存3 MB 以内的音频文件，该模块支持MP3、WAV 格式的音频文件，拥有多种控制模式，包括两线串口模式、一线串口模式和安检模式.并可直接接3 W∕8R 以下无源喇叭[6].

1.1.4 16 路舵机驱动模块电路 该家用智能快递柜利用单片机控制PCA9685 搭建一个功能强大的多路舵机控制器，来模拟储存柜和寄存柜的开关控制.16 路舵机驱动模块的核心控制芯片是PCA9685，当一个项目碰到了MCU 的PWM 输出引脚不够用的情况时，只要MCU 具备I2C 通信，就能够让MCU 和PCA9685通信，实现多个舵机的同时控制.该模块具有体积小巧、可自定义动作组序列、隔离驱动等特点[7].

1.1.5 指纹模块 AS608光学头指纹识别设备采用光学指纹传感器[8]，具有指纹图像处理、模板提取、模板匹配、指纹搜索和模板存储等功能.采集到的指纹直接存储到传感器内部存储区中，AS608 传感器最大可以存储120 枚指纹，每个指纹模板占用512 B.AS608 指纹传感器采用串口的方式与单片机进行数据传输，所以只需要将指纹模块接入到单片机串口引脚上，通过串口就可以控制指纹传感器.指纹解锁界面如图5和图6所示.

图5 指纹解锁界面显示

图6 解锁成功状态显示

1.1.6 独立按键电路和矩阵键盘电路 电路设计了5个独立按键，分别是储存键、储取键、寄存键、寄取键和完毕键.通过软件方式将矩阵键盘分割为0～9 数字按键、确认键和清除键用作密码输入，剩余的按键可作为后续快递柜的拓展功能按键.部分显示如图7和图8.

图7 柜门开锁状态

图8 柜门关锁状态

1.1.7 多路电源模块 该家用智能快递柜系统所需电源众多，所以采用多路电源模块来提供电源.多路电源主要取电源降压分配功能[9].该多路电源模块核心采用MP1584,工作范围为4.5～28.0 V，宽阔的输入电压能够满足智能快递柜的工作电压需求和拓展要求.系统直接采用12 V 直流电源经过多路电源模块输出5路5 V电源和5路3.3 V电源，这也为系统拓展模块提供了可能性.

家用智能快递柜系统的操作流程为系统初始化，液晶显示初始化，语音模块初始化，循环扫描震动情况，独立操作按键扫描，判断功能按键类型，当系统判定密码输入或指纹输入正确后，相应的储存柜或寄存柜动作，当系统检测到震动或者密码输入、指纹输入错误次数达到3 次时，系统自动锁定，此时GSM 短信报警，向用户发送短信报警，当用户确认快递柜周边环境安全后，按下秘密恢复按键，输入恢复密码，系统检测到密码输入正确后，回到初始化，快递柜正常使用.如果恢复密码输入错误次数达到3次时，则系统再次锁定.主程序流程图如图9所示.

图9 家用智能快递柜的主程序流程图

2.1 指纹模块识别流程图和短信报警流程图

指纹模块识别流程图见图10.短信报警流程图见图11.

图10 指纹模块识别流程图

图11 GSM短信报警流程图

2.2 储存柜和寄存柜动作程序设计

该家用智能快递柜采用16 路舵机驱动模块驱动两路舵机，来模拟储存柜和寄存柜的开关控制.关键部分程序为I2C 总线通信准备，PCA9685 接收数据，调整频率与角度，结合智能快递柜设计的柜门开∕关状态，舵机只需转动90°和25°即可实现柜门的开关控制.储存柜和寄存柜动作流程图见图12.

图12 储存柜和寄存柜动作流程图

2.3 密码检测判断流程图

家用智能快递柜采用双密码设计，储存柜和寄存柜分别有各自不同的密码.当按下储存键和寄存键后，柜门打开放入或取出快件.当按下储取键和寄取键后，经过输入密码，密码比较正确后，柜门打开放入或取出快件.密码输入暂存于mimatemp[i]和mimatemp[l]，与正确密码mima[i]和mimat[l]比较.其中设定cc 为储存柜的标志位，当cc 为1 时代表储存柜存有快件，此时只能通过按下储取键输入正确密码打开储存柜.设定ee为寄存柜的标志位，当ee为1时代表寄存柜存有快件，此时只能通过按下寄取键输入正确密码打开寄存柜.当密码错误次数达到3次时系统锁定.密码检测判断流程图见图13.

图13 密码检测判断流程图

介绍了家用智能快递柜系统方案的研究与设计，硬件电路和软件电路经过不断调试，本快递柜已经做出样品，并使用多次，操作方便，安全可靠，能满足预期的效果.家用智能快递柜系统最重要的就是整个系统的综合稳定性和结构合理性，其中人机交互是硬件和用户之间最重要的连接,只有将人机交互做到合理，家用智能快递柜可以发挥更大的作用，为人们的生活带来便利.

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