0 引言

    科技的进步大大促进了物流业的发展。目前，条形码技术已经在物流业得到了广泛的应用，并且提高了物流效率,加速了快递业发展进程，但由于条形码技术需要人工逐个利用扫描枪扫描，需要大量的人力物力，随着快递业的物流量越来越大，有线的条形码扫描已经不能满足需求^[1-3]。为摆脱有线的束缚，实现快递业的自动化、智能化、人性化，本文将ZigBee无线通信技术与自动化控制技术进行有效融合，设计出一种基于ZigBee无线网络的智能快递监管系统，实验证明，该系统大大提高了快递业分拣效率和派件速度。

1 系统概述

    20世纪以来，世界逐渐由有线技术走向无线技术，而ZigBee技术由于其低成本和低复杂度的优点得到了越来越高的关注。ZigBee网络大致分为星型、树形和网络3种结构，其网络设备由协调器、路由器和终端设备三部分组成。其中协调器是网络的中心结构，它与其他的终端节点通信；当超出了通信范围或存在障碍物时，需要路由器实现网络的拓展；终端设备主要是数据通信的最底层，也就是终端节点，至多可以有65 535个节点在其覆盖范围内^[4]。

    本文提出的基于ZigBee的快递监管系统由上位机、协调器、电子标签终端、分拣机器四部分组成，其中协调器和电子标签分别对应ZigBee网络的协调器和终端节点，由于主控板和电子标签需要在近距离内组网，所以无需路由器来拓展网络。

    信息录入过程如图1所示，快件信息(包括货物信息与客户信息)通过上位机和协调器无线录入电子标签；然后对快件进行地区分拣，将快件放置在分拣机器的传送带上，通过信息识别带时，电子标签自动将货物信息发送给协调器，协调器读取快件信息并与Ardinio单片机通信，单片机控制器控制推杆，用推杆将货物送到将要到达省份的集装箱内,实现包裹的快速自动分拣,运作流程如图2所示；货物到达派件地。到达派送点后，电子标签自动与协调器组网，将电子标签内存储的客户手机号码提取并发送给上位机，上位机自动控制发短信模块编辑相应的短信到客户手机。客户领取货物时，快递人员输入手机尾号，点击上位机查找按钮，电子标签会发出声光信息，提示自身所在位置，实现取件人快速取件，如图3所示。

2 网络节点的硬件设计

    新型智能快递监管系统的网络节点主要由电子标签节点和协调器节点两部分组成，两节点间以IEEE 802.15.4协议为基础，在2.4 GHz的频率下，采用CC2530、CC2591芯片进行无线通信^[5-9]。硬件上采用ZigBee模块，电气参数如表1。协调器通过USB接口与上位机通信，根据从上位机接收到的不同指令向电子标签做出不同的指示，电子标签节点采用可充电电池供电，自动和协调器组网，具有体积小、功耗低、可靠性高等优点，会根据接收到的命令上传存储的信息以及自动报警^[10]。

    电子标签节点是本系统的终端节点，除了ZigBee模块，还包括Arduino单片机、报警模块、充电接口、电源模块和开关，电子标签节点的硬件结构框图如图4所示，Arduino单片机负责将ZigBee模块接收到的数据进行处理并生成发送的数据以及控制报警模块和指示灯做出响应。

    协调器节点采用与电子标签节点相同的无线透传模块，主要负责建立网络、管理网络和维护网络，并与上位机通信，向电子标签录入货物信息以及和Ardinio单片机通信控制分拣机器实现货物分拣，因为协调器工作时间很长，且其工作地点相对固定，其电源采用220 V交流电，经过开关电路转换，实现低电压供电。其结构框图如图5。

3 上位机软件设计

    本文所设计的基于ZigBee的新型智能快递监管系统上位机是采用美国微软公司的Visual Studio作为软件平台^[11-15]，界面如图6所示。上位机程序主要包括USB通信模块、信息编辑模块、信息显示模块、数据处理模块和命令发送模块，主要功能是显示信息和发送命令，通过协调器节点编辑电子标签节点中的货物信息，接收电子标签节点发送的货物信息，呼叫电子标签使其自动报警，以及启动和终止分拣机器，并且到达派件点后，协调器将终端中存储的客户手机提取后发送给上位机，上位机自动将短信发送给客户。

4 机械结构设计

4.1 协调器的机械结构设计

    协调器的机械壳体采用强度高、重量轻的金属材料硬铝，内部电路分层叠加，通过螺钉将电路板固定。图7为协调器的实物图，工作过程中，可以通过组网指示灯监测协调器是否组网，USB通信接口用于与上位机进行通信。

4.2 电子标签终端机械结构设计

    电子标签终端内部集成了电源管理模块、报警模块以及绑定模块和主控板。运输过程中，电子标签与快件一直绑定，货品送达后，通过快递站的电脑客户端向电子标签发送报警命令，电子标签在接收到相应命令后发生出声光信息提示，以便取件人快速取件。

4.2.1 电子标签终端3D结构视图

    电子标签终端全视图如图8所示。

4.2.2 电子标签终端与快件绑定原理

    绑定原理：钉子的杆子上有两对小凹槽(图9(a)只画其中一对凹槽)，当钉子穿过快件包装袋从电子标签底部插入后，电子标签中的4个小钢珠就会顺势滑到钉子上凹槽的位置；并且钢珠上面的铁环在顶部弹簧的压力下，牢牢将它们卡在凹槽中，实现了电子标签与快件的牢固绑定^[4]。

    解锁原理：如图9(b)所示，当在电子标签顶部施以强磁时，铁环和小钢珠受到强磁吸引而压缩弹簧上移，从而钉子就能从电子标签内轻松取出了。绑定、解锁原理如图9所示。

4.3 分拣装置机械结构设计

    分拣装置由识别控制模块（协调器）、传送带、推杆和集装箱构成。分拣系统上电后，识别控制模块开启，该模块的发射信号功率与组网的距离成正相关，因此通过调节发射功率来控制组网的距离，当货物的标签与协调器组网成功后，协调器会读取标签内录入的信息，当货物经过光电门时，系统会根据获取的信息来控制推杆对货物进行分拣，最终将货物送入指定的地点。基于电动推杆的体积小、精度高、自锁性好等特点分拣系统应用该技术；在传送带的电机选择方面，考虑到直流电机具有过载能力好、受电磁烦扰影响小的特点，因此选择了该电机。分拣机模型如图10所示。

5 实验

    针对该系统的可靠性进行多次试验。在存有大量仪器设备的干扰较强的实验室房间内，电子标签与协调器之间准确通信，控制模块识别信息后进行分拣，将货物送达地点。为了验证电子标签的可靠性，在我校的快递派送点进行了实验，该地点人员嘈杂，存在各种通信设备，环境相比于实验室更为恶劣。图11为实验现场图，分别对货物1、2录入信息，当通过上位机输入的信息与所需货物2的信息对应时，货物2的电子标签发出声光警报，货物1则无反应。

6 结论

    本文针对物流业需要大量人力、工作效率低下的问题，设计了基于ZigBee无线通信网络的智能快递监管系统，该系统顺利的实现了货物的快速自动分拣和派件过程中的快速派件，通过实验调试，该无线监管系统达到了预期效果，分拣误操作率小于千分之一。当然，本系统还有需要改进的地方，例如目前还不能将货物位置信息实时上传到互联网，下一步研究将围绕使快递业更加人性化、智能化来展开。

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作者信息:

刘  丁1，2，李新娥1，2，崔春生1，2，尤文斌1，2，王  朋1，2

(1.中北大学 电子测试技术国家重点实验室，山西 太原030051；

2．中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原030051)