陳崇輝　鄧筠

摘 要： 針對(duì)快件派送環(huán)節(jié)，快遞員從數(shù)量繁多的快件中難以尋找目標(biāo)快件的問(wèn)題，設(shè)計(jì)基于ZigBee技術(shù)的快件尋找系統(tǒng)，通過(guò)采用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，構(gòu)建包含快件終端節(jié)點(diǎn)、快遞員節(jié)點(diǎn)、手機(jī)APP監(jiān)控中心3個(gè)層次的系統(tǒng)架構(gòu)，重點(diǎn)設(shè)計(jì)快件終端節(jié)點(diǎn)和快遞員節(jié)點(diǎn)的CC2530無(wú)線通信模塊和軟件流程，并提出時(shí)間同步協(xié)議算法，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的同步休眠和喚醒，降低整個(gè)系統(tǒng)的功耗，延長(zhǎng)系統(tǒng)的工作時(shí)間。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地尋找目標(biāo)快件，減少派送時(shí)間，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)效果。

關(guān)鍵詞： 快遞； ZigBee技術(shù)； 快件尋找； 快遞員節(jié)點(diǎn)

中圖分類(lèi)號(hào)： TN911?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）04?0116?04

Abstract： It is hard for the courier in the express delivery link to search for the target express delivery package from the myriad of express delivery packages， so a express delivery package search system based on ZigBee technology was designed. By a mesh network topological structure， a system architecture consisting of express terminal node， courier node and mobile phone APP monitoring center was established. The CC2530 wireless communication module and software process of the express terminal node and courier node were designed emphatically. A time synchronization protocol algorithm is proposed to achieve synchronous sleep and wake?up of all nodes in the whole network， reduce the power consumption of the entire system， and extend the working hours of the system. Experimental test results show that the system can search for the target express delivery packages accurately， reduce the delivery time and achieve the design effect.

Keywords： express delivery； ZigBee technology； search for express delivery package； courier node

0 引 言

隨著電子商務(wù)的快速發(fā)展，通過(guò)網(wǎng)上購(gòu)物的人越來(lái)越多，引發(fā)大量的快遞業(yè)務(wù)，對(duì)于人口密集的高校校園和小區(qū)，快件經(jīng)常堆積如山，等待派發(fā)。目前各家快遞公司在校園和小區(qū)主要是設(shè)立“地?cái)偸健迸砂l(fā)點(diǎn)，即使是固定場(chǎng)所的收發(fā)室，數(shù)量繁多的快件依然讓取件效率偏低，最突出的問(wèn)題是難以找到快件。針對(duì)此問(wèn)題各家快遞公司各出奇招，比較典型有效的做法是在快件單上，用油性筆大字體標(biāo)注收件人的姓名、手機(jī)號(hào)碼后4位數(shù)字等關(guān)鍵信息，還有通過(guò)分若干個(gè)有編號(hào)的塑料筐等手段，嘗試減少快遞尋找和簽收的時(shí)間，但龐大的快遞數(shù)量，加上學(xué)生下課后收取快遞導(dǎo)致時(shí)間相對(duì)集中，尋找快件仍然是快遞派送簽收中比較突出的問(wèn)題之一。為此，本文設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee技術(shù)的快件尋找系統(tǒng)，能夠幫助快遞員快速尋找快件，減少客戶等待時(shí)間，從而提高快遞派送的效率，改善快遞服務(wù)質(zhì)量。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

快件尋找系統(tǒng)由快件終端節(jié)點(diǎn)、快遞員節(jié)點(diǎn)、手機(jī)APP監(jiān)控中心3個(gè)層次組成[1]，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。最底層是快件終端節(jié)點(diǎn)，采用分布式結(jié)構(gòu)，運(yùn)用掉電非易失性存儲(chǔ)器保存與收件人的手機(jī)號(hào)碼對(duì)應(yīng)的ID，通過(guò)蜂鳴器報(bào)警模塊實(shí)現(xiàn)快件尋找后的提示，快件終端節(jié)點(diǎn)體積小，能夠通過(guò)夾子或粘貼膠與待派送快件輕易地附著或分離，重復(fù)使用；中間層是快遞員節(jié)點(diǎn)，通過(guò)藍(lán)牙模塊與手機(jī)APP監(jiān)控中心保持?jǐn)?shù)據(jù)的同步，同時(shí)負(fù)責(zé)建立收件人手機(jī)號(hào)碼與快件的對(duì)應(yīng)關(guān)系，向所有快件終端節(jié)點(diǎn)發(fā)出唯一ID進(jìn)行快件的尋找，另外還要利用時(shí)間同步算法，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的同步休眠和喚醒，降低系統(tǒng)的功耗；最上層是智能手機(jī)APP監(jiān)控中心，通過(guò)人機(jī)交互界面實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的處理、存儲(chǔ)和分析等，可方便快遞員對(duì)快件派發(fā)過(guò)程中數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)查看和備份[2]，在APP監(jiān)控中心無(wú)連接的情況下，快遞員節(jié)點(diǎn)和快件終端節(jié)點(diǎn)之間也能正常組網(wǎng)獨(dú)立工作。

2 快件終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

2.1 快件終端節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中，快件終端節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，它由CC2530無(wú)線通信模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、電源及管理模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊、聲光報(bào)警模塊告等部分組成[3]。CC2530無(wú)線通信模塊完成快件終端節(jié)點(diǎn)和快遞員節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，使用TI公司的Z?Stack協(xié)議棧，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了應(yīng)用層軟件實(shí)現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的傳輸；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊用于存儲(chǔ)客戶快件聯(lián)系手機(jī)號(hào)碼所對(duì)應(yīng)的代碼ID；電池管理模塊包括電量檢測(cè)和充電管理兩部分，前者負(fù)責(zé)檢測(cè)鋰電池電量，后者用于充電狀態(tài)指示和控制；實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊用于提供實(shí)時(shí)時(shí)鐘和同步時(shí)間；聲音報(bào)警電路通過(guò)三極管驅(qū)動(dòng)蜂鳴器實(shí)現(xiàn)；發(fā)光報(bào)警電路通過(guò)貼片0805封裝的紅色LED實(shí)現(xiàn)。

2.2 CC2530無(wú)線通信模塊設(shè)計(jì)

CC2530無(wú)線通信模塊的性能直接影響整個(gè)通信系統(tǒng)的可靠性。系統(tǒng)在快件終端節(jié)點(diǎn)和快遞員節(jié)點(diǎn)處均設(shè)有CC2530無(wú)線通信模塊，主要負(fù)責(zé)快件網(wǎng)絡(luò)的組建。CC2530芯片符合2.4 GHz射頻標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)部集成微控制器、射頻前端以及存儲(chǔ)器，使用簡(jiǎn)單，有豐富的外設(shè)資源，只需很少的外圍電路便可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。各節(jié)點(diǎn)的CC2530電路原理如圖3所示。節(jié)點(diǎn)中的CC2530芯片采用+3.3 V電壓供電，采用片內(nèi)1.8 V穩(wěn)壓器為所需電路提供1.8 V電源，設(shè)計(jì)一個(gè)1 μF的去耦電容，提高電源工作的穩(wěn)定性。CC2530的外圍電路包括微控制器接口電路、射頻I/O匹配電路和時(shí)鐘振蕩電路[4?5]，電路設(shè)計(jì)有32 MHz和32.768 kHz的石英晶體與芯片內(nèi)部的振蕩單元配合工作，為系統(tǒng)提供時(shí)鐘頻率；天線電路采用印制彎折倒F型天線，通過(guò)巴倫匹配電路進(jìn)行射頻收發(fā)信號(hào)的匹配，保證系統(tǒng)射頻收發(fā)模塊的穩(wěn)定工作，提高系統(tǒng)通信性能[5?6]。CC2530的P0.2端口用于鋰電池的輸出電壓采樣，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰電池電量的監(jiān)管，在不進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，芯片進(jìn)入休眠狀態(tài)，程序中可通過(guò)調(diào)用函數(shù)控制所有節(jié)點(diǎn)的休眠與喚醒，保證系統(tǒng)的低功耗，延長(zhǎng)鋰電池的使用時(shí)間。

2.3 快件終端節(jié)點(diǎn)流程設(shè)計(jì)

快件終端節(jié)點(diǎn)主程序流程如圖4所示?？旒K端節(jié)點(diǎn)初始化成功后，首先判斷電池電量在充足的條件下，系統(tǒng)會(huì)處于休眠狀態(tài)，直到接收到快遞員節(jié)點(diǎn)喚醒命令，喚醒快件終端節(jié)點(diǎn)并接收快遞員節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)ID，并判斷ID是否與之前存儲(chǔ)一致。如果不相同則不作反應(yīng)，延時(shí)后進(jìn)入休眠狀態(tài)。一旦相同表示該快件就是當(dāng)前系統(tǒng)要尋找的目標(biāo)，調(diào)用節(jié)點(diǎn)時(shí)間同步，并發(fā)出報(bào)警聲音作為反應(yīng)，完成此次尋找任務(wù)，延時(shí)后進(jìn)入休眠狀態(tài)。

3 快遞員節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

3.1 快遞員節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

快遞員節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)如圖5所示。快遞員節(jié)點(diǎn)一方面要與手機(jī)APP監(jiān)控中心完成數(shù)據(jù)同步傳輸，但沒(méi)有手機(jī)APP參與的情況下系統(tǒng)也能正常工作；另一方面還要響應(yīng)快遞員按鍵的操作指令，完成與所有快件終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)通信的信息交換?？爝f員節(jié)點(diǎn)除了由CC2530組成的微控制器等基本模塊外，還有按鍵模塊，LCD12864液晶顯示模塊和藍(lán)牙通信模塊。通過(guò)按鍵輸入，快遞員可以通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)向整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的所有快件終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送廣播數(shù)據(jù)包，則對(duì)應(yīng)快件上的快件終端節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)包并提取相應(yīng)的快件ID，與之前寫(xiě)入的代碼ID做比較，匹配的快件終端節(jié)點(diǎn)將發(fā)出聲光報(bào)警，提示快遞員快件所在位置，從而快速找到相應(yīng)的快件，給予客戶簽收，提高快遞派送服務(wù)的質(zhì)量。

3.2 快遞員節(jié)點(diǎn)流程設(shè)計(jì)

快遞員節(jié)點(diǎn)是手機(jī)APP監(jiān)控中心和底層各快件終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的媒介。快遞員節(jié)點(diǎn)需要對(duì)各快件終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行全體控制，根據(jù)需要完成與手機(jī)APP監(jiān)控中心的通信?？爝f員節(jié)點(diǎn)具有休眠和喚醒功能?？爝f員節(jié)點(diǎn)上電后首先初始化，檢測(cè)電池電量是否充足，電池電量充足時(shí)，循環(huán)檢測(cè)是否有按鍵按下。一旦按鍵輸入要尋找的快件ID，即時(shí)喚醒全部快件終端節(jié)點(diǎn)，廣播要尋找快件的ID，并調(diào)用時(shí)間同步程序，等待快件終端節(jié)點(diǎn)的反應(yīng)。完成此次尋找任務(wù)后無(wú)按鍵操作一定時(shí)間后控制系統(tǒng)進(jìn)入休眠狀態(tài)。快遞員節(jié)點(diǎn)主程序流程如圖6所示。

3.3 快遞員節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)流程

快遞員節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)初始完成以后開(kāi)始建立新的網(wǎng)絡(luò)，對(duì)各信道進(jìn)行能量掃描[7]?？爝f員節(jié)點(diǎn)在接收到快件終端節(jié)點(diǎn)發(fā)出的入網(wǎng)請(qǐng)求后，會(huì)給予應(yīng)答，如果快件終端節(jié)點(diǎn)在5 s內(nèi)收到應(yīng)答信號(hào)，則表示入網(wǎng)成功，快遞員節(jié)點(diǎn)將為其分配地址，之后便可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。如果在規(guī)定時(shí)間內(nèi)未收到應(yīng)答信號(hào)，超過(guò)一定次數(shù)后，快遞員節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)流程結(jié)束?？爝f員節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)流程如圖7所示。

3.4 快遞員節(jié)點(diǎn)離網(wǎng)流程

快遞員節(jié)點(diǎn)首先掃描信道。快遞員節(jié)點(diǎn)在檢測(cè)到快件終端節(jié)點(diǎn)發(fā)出的離網(wǎng)請(qǐng)求后，會(huì)給予應(yīng)答，如果快遞員節(jié)點(diǎn)允許快件終端節(jié)點(diǎn)離開(kāi)網(wǎng)絡(luò)，快遞員節(jié)點(diǎn)會(huì)為其清除已經(jīng)分配的地址，快件終端節(jié)點(diǎn)離網(wǎng)成功，如果快遞員節(jié)點(diǎn)不允許快件終端節(jié)點(diǎn)離開(kāi)網(wǎng)絡(luò)，快遞員節(jié)點(diǎn)離網(wǎng)程序結(jié)束。快遞員節(jié)點(diǎn)離網(wǎng)流程如圖8所示。

4 時(shí)間同步算法協(xié)議設(shè)計(jì)

由此可見(jiàn)，逼近函數(shù)M決定了數(shù)據(jù)真實(shí)性，當(dāng)M的值越小，數(shù)據(jù)的可靠性越高。在數(shù)學(xué)迭代優(yōu)化M后，將過(guò)濾數(shù)據(jù)與Φmax進(jìn)行對(duì)比，找出誤差較大的同步時(shí)間戳的信息d1，d2，…，dh，并將它們?yōu)V除。系統(tǒng)開(kāi)始工作后，首先構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，快遞員節(jié)點(diǎn)作為根結(jié)點(diǎn)，開(kāi)始廣播鄰節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求報(bào)文，其他節(jié)點(diǎn)收到報(bào)文后隨機(jī)發(fā)送自己的鄰居表信息。在全網(wǎng)時(shí)間同步后，快遞員節(jié)點(diǎn)發(fā)送給其子節(jié)點(diǎn)，即快件終端節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)的同步休眠和喚醒，降低整個(gè)系統(tǒng)的功耗，延長(zhǎng)系統(tǒng)的工作時(shí)間。

5 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

本系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)調(diào)試采用武漢創(chuàng)維特信息技術(shù)有限公司CVT?IOT?V教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱平臺(tái)進(jìn)行。該實(shí)驗(yàn)箱包含1個(gè)快遞員節(jié)點(diǎn)，6個(gè)快件終端節(jié)點(diǎn)。通過(guò)組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，各個(gè)快件終端節(jié)點(diǎn)和快遞員節(jié)點(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸，滿足快件尋找的功能。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如表1所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：本文設(shè)計(jì)的快件尋找系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)快件的尋找功能，減少快件派送環(huán)節(jié)的時(shí)間，在快遞行業(yè)具有非常實(shí)用的推廣價(jià)值。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了基于ZigBee技術(shù)的快件尋找系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用組網(wǎng)方便的CC2530無(wú)線通信技術(shù)構(gòu)建系統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可任意地增加或減少快件終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)量；利用時(shí)間同步算法協(xié)議，實(shí)現(xiàn)所有節(jié)點(diǎn)的同時(shí)休眠和喚醒，大大降低了系統(tǒng)功耗，延長(zhǎng)系統(tǒng)使用時(shí)間。實(shí)驗(yàn)證明快件尋找系統(tǒng)能夠有效幫助快遞員從數(shù)量繁多的快件中快速尋找目標(biāo)快件，減少尋找快件的時(shí)間，提高快遞員派送快件的效率，完善快遞行業(yè)派送環(huán)節(jié)的客戶體驗(yàn)，推動(dòng)物流快遞行業(yè)的健康發(fā)展。

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