韓晶晶

（山西工商學(xué)院計(jì)算機(jī)信息工程學(xué)院 山西省太原市 030006）

在當(dāng)下的發(fā)展中，快遞市場(chǎng)已經(jīng)在發(fā)展中形成了三級(jí)市場(chǎng)的分化和細(xì)化，以此形成外資、國(guó)有以及民營(yíng)這三種不同的經(jīng)營(yíng)區(qū)塊。其中民營(yíng)的快遞企業(yè)在發(fā)展中，所提供的各種傳統(tǒng)郵政服務(wù)，并不符合當(dāng)下的商業(yè)發(fā)展，在包裹的遞送過(guò)程中，采用的門(mén)對(duì)門(mén)的運(yùn)輸方式，這樣靈活的運(yùn)作機(jī)制，成本投入的相對(duì)也較低，深深的受到人們的喜愛(ài)。

1 研究背景

在當(dāng)下經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的背景下，使得各大快遞都進(jìn)入到了中國(guó)市場(chǎng)當(dāng)中，而民營(yíng)的企業(yè)也不斷的出現(xiàn)，以此形成了競(jìng)爭(zhēng)較為激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)情況。其中智能快遞箱的研發(fā)，正是在這樣較為激烈的背景下，出現(xiàn)的一種自助快遞的服務(wù)設(shè)備。在快遞到智能快遞箱之后，收件人就可以通過(guò)取貨碼的識(shí)別，以此讓其進(jìn)行自主的取件，由于并不需要人工的參與，使得極大的提升了取件的安全性和準(zhǔn)確性。另外，這種智能快遞箱的研發(fā)，使得直接改變了人們的日常習(xí)慣，成為高效率的快遞方式。

在工業(yè)4.0 時(shí)代到來(lái)之后，使得市場(chǎng)當(dāng)中出現(xiàn)了越來(lái)越多的智能化的機(jī)器人。在智能快遞機(jī)器人的基本理論上，使得極大的推動(dòng)了當(dāng)下快遞行業(yè)的發(fā)展。伴隨著信息技術(shù)的普及，讓人們?cè)谥悄芸爝f箱的研發(fā)上有著良好的技術(shù)基礎(chǔ)。但是，為了能夠更好的推動(dòng)當(dāng)下快遞行業(yè)的發(fā)展，就需要研發(fā)出一套高效率的智能快遞箱的系統(tǒng)，本文的研究中，主要基于單片機(jī)的智能快遞貨柜進(jìn)行設(shè)計(jì)與研究。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

在本文的設(shè)計(jì)中，其智能快遞機(jī)器人的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，主要由硬件與軟件這兩個(gè)部分所構(gòu)成。其中主控模塊直接控制硬件。而在軟件部分，則是由紅外尋跡程序所構(gòu)成。

在該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，其硬件上主要由系統(tǒng)時(shí)鐘、矩陣按鍵、蜂鳴器、GSM 模塊、電控鎖快遞箱等設(shè)備構(gòu)成，并基于單片機(jī)為最小的控制系統(tǒng)，在實(shí)際的使用中，快遞員就可以利用鍵盤(pán)進(jìn)行開(kāi)鎖，同時(shí)也可以利用鍵盤(pán)進(jìn)行短信息的發(fā)送，同時(shí)用戶(hù)可以進(jìn)行取件。在這種系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，輸入的密碼以及取件碼的識(shí)別，都需要單片機(jī)進(jìn)行密碼的判斷。在密碼或者取貨碼正確的情況下，箱門(mén)就會(huì)自動(dòng)打開(kāi)，順利完成取件。

3 設(shè)計(jì)方案重難點(diǎn)與關(guān)鍵技術(shù)

3.1 難點(diǎn)

在進(jìn)行矩陣鍵盤(pán)的設(shè)計(jì)中，需要對(duì)驗(yàn)證碼，或者對(duì)11 位的手機(jī)號(hào)進(jìn)行輸入。同時(shí)，還需要對(duì)取件人的號(hào)碼，利用GSM 模式，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的取貨碼發(fā)出。而在輸入完成了驗(yàn)證碼之后，則需要讓單片機(jī)控制電鎖箱，進(jìn)行準(zhǔn)確的打開(kāi)箱子。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)

首先在單片機(jī)與GSM 模塊的接口電路設(shè)計(jì)中，要設(shè)計(jì)出合理的GSM 網(wǎng)絡(luò)的短消息發(fā)送程序。而在外部存儲(chǔ)設(shè)備與單片機(jī)的設(shè)計(jì)接線位置，需要實(shí)現(xiàn)信息的必要寫(xiě)入與保存。在驗(yàn)證碼方面，要形成生成、記錄、核對(duì)與消除功能。而在單片機(jī)的內(nèi)部程序編制過(guò)程中，則要保障對(duì)各個(gè)界面能夠?qū)崿F(xiàn)順利的切換，這樣的操作中要保障精簡(jiǎn)效率較高。

最后在用戶(hù)的輸入模塊設(shè)計(jì)中，則要盡可能的降低需要進(jìn)行的按鍵需求，這樣才可以充分的滿足輸入方面的設(shè)計(jì)需求。

4 硬件設(shè)計(jì)

在本文的分析中，其硬件方面的設(shè)計(jì)，主要是利用Altium designer13 軟件，構(gòu)成智能快遞機(jī)器人的硬件系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)。

4.1 主控模塊電路設(shè)計(jì)

在當(dāng)下的主控制模塊的使用中，其編程較為的簡(jiǎn)單，同時(shí)價(jià)格方面也有著較高性?xún)r(jià)比的單邊機(jī)可以成為最小的系統(tǒng)構(gòu)成。在實(shí)際的使用過(guò)程中，可以得到良好的效果。

4.2 步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)當(dāng)中采用的步進(jìn)電機(jī)，是一種有效的將脈沖信號(hào)，高效率的轉(zhuǎn)變成角位移的開(kāi)環(huán)控制元件。而在實(shí)際的轉(zhuǎn)速頻率方面，僅僅受到電脈沖信號(hào)方面的控制，因此就需要使用L293D 當(dāng)做驅(qū)動(dòng)模塊，對(duì)其步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制。在L293D 當(dāng)中的VCC 管腳接電源正極，而同時(shí)在VCC2 接入7.4V 的電壓，并讓四個(gè)不同的GND 管腳實(shí)現(xiàn)接地的效果，這樣就可以構(gòu)成較為完整的驅(qū)動(dòng)電路。

4.3 紅外尋跡模塊電路設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)當(dāng)中的紅外尋跡模塊的設(shè)計(jì)，主要是當(dāng)做控制系統(tǒng)當(dāng)中最為復(fù)雜的一個(gè)模塊。在其中設(shè)置了紅外對(duì)管，因此在系統(tǒng)當(dāng)中就構(gòu)建了紅外線分色管與光敏接收管，這樣就可以在將其設(shè)備進(jìn)行集成之后，可以形成紅外線接收頭的配合系統(tǒng)，在紅外尋跡模塊當(dāng)中，同時(shí)也包含著運(yùn)算放大器LM324，以此在單電源的試用下，將其電壓范圍控制在了3.0-4.0V 之間，以此發(fā)揮出良好的效果。

4.4 電源模塊設(shè)計(jì)

在本文的設(shè)計(jì)中，其控制系統(tǒng)采用的是7805 芯片的穩(wěn)壓輸出電壓。而在7805 的OUT3 號(hào)的管腳處理上，需要接入熔斷器與電容，同時(shí)讓GND 直接接地，在IN 斷則需要接入到電源與電容上。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

為了保障在系統(tǒng)的運(yùn)行中，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)尋跡與投擲的效果，在本文設(shè)計(jì)中，就對(duì)其系統(tǒng)軟件進(jìn)行紅外尋跡程序以及投擲進(jìn)行動(dòng)作程序的設(shè)計(jì)。

5.1 紅外尋跡程序

在控制系統(tǒng)當(dāng)中，主要是通過(guò)對(duì)不同顏色障礙物，在受到紅外光的照射之后，會(huì)基于不同的反射能力，以此實(shí)現(xiàn)紅外尋跡的功能。在尋跡模塊的運(yùn)行中，在黑線上換色的指示燈滅掉之后，混跡模塊就不會(huì)在黑線上的之后，讓黃指示燈亮起。而在偏離到黑線的時(shí)候，就會(huì)左邊的黃色指示燈亮起，而讓右邊的指示燈滅掉。這樣就形成了完整的紅外尋跡操作。

5.2 投擲動(dòng)作程序

在該程序的設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要是利用紅外尋跡程序完成了相應(yīng)的尋跡操作之后，可以讓智能快遞到達(dá)指定的位置，完成投擲操作。

6 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

6.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)分析

在進(jìn)行快遞機(jī)器人的設(shè)計(jì)過(guò)程中，其底盤(pán)結(jié)構(gòu)上需要設(shè)計(jì)出4個(gè)輪結(jié)構(gòu)，以此保障快遞機(jī)器人在移動(dòng)的過(guò)程中，有著較強(qiáng)的移動(dòng)靈活性，并實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的專(zhuān)項(xiàng)操作。在本文的設(shè)計(jì)中，采用了2 個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的結(jié)構(gòu)類(lèi)型。同時(shí)，在驅(qū)動(dòng)輪的運(yùn)行中，保持著較高的運(yùn)行獨(dú)立性，并讓兩個(gè)方向輪可以自由靈活的進(jìn)行擺動(dòng)，這樣就可以充分的保障快遞機(jī)器人可以穩(wěn)定的運(yùn)行。而為了便于快遞機(jī)器人的定位，就需要讓底盤(pán)中心點(diǎn)，當(dāng)做移動(dòng)當(dāng)中的坐標(biāo)記錄點(diǎn)。

6.2 移動(dòng)方式

在當(dāng)下的移動(dòng)方式設(shè)計(jì)中，其快遞機(jī)器人在移動(dòng)的過(guò)程中，可以選擇的類(lèi)型較多，例如可以選擇履帶式、步行式以及輪式的結(jié)構(gòu)類(lèi)型。在本文的設(shè)計(jì)中，則基于輪式的移動(dòng)方式，在實(shí)際的運(yùn)行過(guò)程中，4 個(gè)輪子的運(yùn)行獨(dú)立性較強(qiáng)，同時(shí)具備著較高的靈活性。

而在驅(qū)動(dòng)方面，則選擇3 輪驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向的方式，并讓2 個(gè)驅(qū)動(dòng)獨(dú)立進(jìn)行工作。在實(shí)際的運(yùn)行過(guò)程中，可以讓驅(qū)動(dòng)輪提供前進(jìn)的動(dòng)力，并伴隨著動(dòng)輪進(jìn)行方向的調(diào)整，以此讓運(yùn)送人物可以順利的前行。

7 傳感系統(tǒng)設(shè)計(jì)

7.1 紅外傳感器

在當(dāng)下的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，為了讓智能快遞機(jī)器人可以滿足各種情況的使用，急需要在設(shè)計(jì)當(dāng)中安裝紅外傳感器，以此可以對(duì)前方的紅外信息進(jìn)行采集，并可以及時(shí)的識(shí)別出一些危險(xiǎn)信息，例如火源等信息，進(jìn)一步的提升快遞系統(tǒng)的安全性。在實(shí)際的設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以有效的利用紅外頻率，產(chǎn)生一定的電路，這個(gè)時(shí)候同時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)3.8kHz 的紅外管。而在模塊接收到紅外管之后，還會(huì)馬上對(duì)其進(jìn)行信息的處理，以此明確出紅外光的實(shí)際強(qiáng)度，并對(duì)其進(jìn)行信息的識(shí)別，以此明確自然光還是明火。同時(shí)，也可以將其信息提交給主系統(tǒng)，進(jìn)行信息方面的重新規(guī)劃，進(jìn)一步的提升信息行駛路徑的安全性。

7.2 光敏傳感器

不僅僅可以感知熱源，智能快遞機(jī)器人在運(yùn)行的過(guò)程中，還要具備著較高的光感性。一般情況下，其智能機(jī)器人當(dāng)中可以安裝一定的光敏電阻，并基于光照的實(shí)際強(qiáng)度，進(jìn)行電阻值的變化。同時(shí)，為了保障系統(tǒng)當(dāng)中有著較高的安全性，而且光敏電阻則在無(wú)光的狀態(tài)下，其電阻需要達(dá)到幾十萬(wàn)Ω。同時(shí)在普通的室內(nèi)光線下，其電阻僅僅為幾千Ω，而在受到強(qiáng)光的照射下，就會(huì)使得僅僅幾十Ω。因此，就可以充分的利用光敏電阻的這一特征，在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，讓智能快遞機(jī)器人實(shí)現(xiàn)行駛情況的分析，并充分的結(jié)合起其他的數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)較為精確的信息定位，充分的提升機(jī)器人的工作狀態(tài)穩(wěn)定性。

7.3 超聲波傳感器

在當(dāng)下智能快遞機(jī)器人的設(shè)計(jì)中，其移動(dòng)過(guò)程中可能會(huì)遇到一定的阻礙，例如石頭、欄桿等物體。因此，為了有效的解決這樣的問(wèn)題，就需要在實(shí)際的設(shè)計(jì)中，能夠利用超聲波的方式，對(duì)各種障礙物進(jìn)行處理，以此形成路線的重新規(guī)劃與設(shè)計(jì)。而在對(duì)超聲波傳感器的電路設(shè)計(jì)過(guò)程中，其中信號(hào)發(fā)射電路的設(shè)計(jì)上，可以采用74HC04 型號(hào)的反向器。另外，在信號(hào)的接收需要采用接收電路。對(duì)于這種信號(hào)的接受與采集，還要結(jié)合起單片機(jī)的信息采集方式。

單片機(jī)在運(yùn)行的過(guò)程中，可以發(fā)出一定的超聲波信號(hào)，以此在遇到障礙物的時(shí)候，其信號(hào)波長(zhǎng)就會(huì)反彈回來(lái)。在這個(gè)時(shí)候，就可以有效的基于信號(hào)指示，對(duì)障礙物之間的距離以及障礙物實(shí)現(xiàn)針對(duì)性的調(diào)整。

8 控制器硬件設(shè)計(jì)

8.1 硬件平臺(tái)系統(tǒng)

在當(dāng)下的智能快遞機(jī)器人的硬件平臺(tái)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，主要由主控制芯片，當(dāng)做系統(tǒng)的核心位置。其次，還要對(duì)程序進(jìn)行充分的調(diào)試，并采用JTAG 接口類(lèi)型，以此智慧程序控制機(jī)器人的動(dòng)作。最后，在顯示模塊當(dāng)中，其人機(jī)交互的數(shù)據(jù)可以充分的 通過(guò)數(shù)據(jù)顯示屏進(jìn)行操作。而在系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)上，主要涉及到電源控制線、紅外控制電路以及超聲控制電路這幾個(gè)不同的電路。

8.2 最小系統(tǒng)電路

在當(dāng)下對(duì)于智能快遞進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，其最小系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)，往往首先要設(shè)計(jì)好時(shí)鐘電路，同時(shí)時(shí)鐘電路上可以分為有源與無(wú)源這兩種不同的類(lèi)型。相比較無(wú)源晶振而言，有源晶振在使用的過(guò)程中，可以提供更高之來(lái)那個(gè)的時(shí)鐘之來(lái)那個(gè)。其次，在進(jìn)行電源模塊的設(shè)計(jì)中，需要采用直接供電與轉(zhuǎn)換供電的著兩種不同供電類(lèi)型。直接供電的過(guò)程中，主要是利用9V 電池，當(dāng)做系統(tǒng)的供電基礎(chǔ)，而在轉(zhuǎn)換電源的使用中，則是將標(biāo)準(zhǔn)電壓轉(zhuǎn)變成9V 的電源類(lèi)型。

8.3 系統(tǒng)軟件

在進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，需要首先建立出系統(tǒng)的軟件框架。同時(shí)，在設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，還要充分的保障其系統(tǒng)的可靠性以及兼容性。這樣就可以在日后的設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以讓智能快遞實(shí)現(xiàn)全面的升級(jí)與完善。而基于單片機(jī)的結(jié)構(gòu)特征，還要開(kāi)發(fā)出相應(yīng)的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具，例如一些編譯器、仿真器以及集成環(huán)境當(dāng)中，都需要得到全面的研發(fā)，以此充分的保障系統(tǒng)軟件平臺(tái)的穩(wěn)定運(yùn)行，沒(méi)讓智能快遞機(jī)器人可以穩(wěn)定的運(yùn)行下去。

8.4 系統(tǒng)主程序

在系統(tǒng)主程序的設(shè)計(jì)過(guò)程中，首先需要基于標(biāo)準(zhǔn)流程進(jìn)行設(shè)計(jì)，之后再完成相應(yīng)的常規(guī)性的設(shè)計(jì)任務(wù)。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，首先要做好系統(tǒng)的初始化工作，例如開(kāi)展IO 初始化，以此結(jié)合起原系統(tǒng)的內(nèi)存。在系統(tǒng)的初始化處理的過(guò)程中，就要對(duì)其完成全面的配置，以此盡可能的降低一些為引入IO 引腳存在的干擾性，讓系統(tǒng)可以高效率的運(yùn)行下去。其次，在系統(tǒng)出現(xiàn)終端初始化之后，就要馬上對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)操作，一旦出現(xiàn)了系統(tǒng)故障問(wèn)題，就需要馬上對(duì)程序進(jìn)行終端處理，并對(duì)主控制系統(tǒng)發(fā)出預(yù)警信息，以此最大程度上降低損失的程度。

8.5 電機(jī)控制程序

在對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制程序的設(shè)計(jì)中，首先需要進(jìn)行PWM 程序的設(shè)計(jì)工作，這樣的設(shè)計(jì)工作主要是采用動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)電機(jī)的方式，形成良好的運(yùn)行轉(zhuǎn)速，以此發(fā)揮出控制智能快遞機(jī)器人位移移速的效果。其次，還要在電機(jī)的運(yùn)行過(guò)程中，能夠形成動(dòng)態(tài)的檢測(cè)，充分的保障電機(jī)的高效率運(yùn)行。最后，為了保障在系統(tǒng)的運(yùn)行中，還要明確出設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，這樣就可以進(jìn)一步的保障在實(shí)際的設(shè)計(jì)過(guò)程中，其設(shè)計(jì)的合理性和效率性，最大化系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性。

9 總結(jié)

綜上所述，在我國(guó)當(dāng)下的社會(huì)發(fā)展下，使得人們更多的會(huì)選擇網(wǎng)上購(gòu)物，這樣就對(duì)當(dāng)下的快遞行業(yè)提出了較大的挑戰(zhàn)，本文所設(shè)計(jì)出的智能化的快遞系統(tǒng)，可以有效的提升快遞的效率與安全性，也是未來(lái)快遞行業(yè)發(fā)展的重要趨勢(shì)，可以盡可能的滿足人們對(duì)于快遞的需求，同時(shí)伴隨著相關(guān)技術(shù)的完善，該技術(shù)也會(huì)得到相應(yīng)的完善。