郝琛，張睿智，張星，姚美菱

（石家莊郵電職業(yè)技術(shù)學院 智能工程系，河北石家莊，050021）

0 引言

近年來，中國快遞業(yè)發(fā)展迅速，快遞物流企業(yè)增加，業(yè)務規(guī)模擴大，在國民經(jīng)濟中發(fā)揮了積極作用，國家郵政局每年都會對包括郵政EMS、順豐速運、中通快遞等快遞企業(yè)的快遞業(yè)務，進行服務滿意度調(diào)查和時限準時率測試，暴力分揀、延誤、虛假簽收等問題成為用戶投訴的主要問題。傳統(tǒng)快遞服務測評方法實時性客觀性較差，本文利用5G 通信技術(shù)設計快遞服務測評裝置，能夠為快遞服務測評提供準確客觀地實時測試數(shù)據(jù)及科學有效的評價方法。

1 總體設計

如圖1 所示，基于5G 的快遞服務測評裝置放置于快遞包裹中，隨快遞包裹一同運輸，全過程跟蹤記錄震動（加速度）、位置（經(jīng)緯度）、時間、溫濕度等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，利用5G網(wǎng)絡實時上傳快遞收寄、運輸、投遞各環(huán)節(jié)的傳感器數(shù)據(jù)，后臺服務器程序接收、存儲、處理快遞包裹跟蹤數(shù)據(jù)?？爝f服務測評后臺模塊包括數(shù)據(jù)庫及數(shù)據(jù)接收處理程序，通過對多個快遞企業(yè)的快遞業(yè)務測試，對快遞企業(yè)的快遞服務質(zhì)量進行評價對比。也可用于快遞企業(yè)內(nèi)部快遞業(yè)務測試，查找快遞運輸過程中的薄弱環(huán)節(jié)，進而優(yōu)化流程，提升服務質(zhì)量。

圖1 基于5G 的快遞服務測評系統(tǒng)圖

2 系統(tǒng)硬件設計

如圖2 所示，本系統(tǒng)硬件組成主要包括：微控制器、多軸加速度傳感器、陀螺儀、溫濕度傳感器、氣壓傳感器、FLASH 存儲芯片、TF 卡讀寫存儲模塊、高精度時鐘、北斗GPS 雙模定位模塊、5G 通信模塊、電源模塊。

圖2 基于5G 的快遞服務測評裝置組成圖

微控制器采用STM32 系列單片機。電源模塊包括電池及供電控制電路，為單片機提供5V 供電，電池容量2000mAh，保證系統(tǒng)正常持續(xù)工作300 小時以上。

如圖3 所示，加速度及多軸重力加速度傳感器采用MPU-6050 模塊，該芯片整合了3 軸陀螺儀、3 軸加速器，微處理器通過IIC 接口接收加速度傳感器數(shù)據(jù)并結(jié)合位置、時鐘信息對快遞包裹所處的運輸狀態(tài)做出判斷。

圖3 陀螺儀加速度傳感器MPU-6050 電路原理圖

TF 卡讀寫存儲模塊與微控制器間使用SPI 接口通信，微控制器將各傳感器采集的原始數(shù)據(jù)存儲到TF 卡中。采用高精度晶體時鐘定時，利用衛(wèi)星授時信息校準，確保系統(tǒng)能夠長時間維持穩(wěn)定運行，時鐘與微控制器間使用IIC接口通信。

如圖4 所示，移遠通信的BC20 模塊是5G 標準NBIOT全網(wǎng)通模塊，支持中國三大運營商所有NB 網(wǎng)絡頻段，具備GPS、北斗、GHSS 多模定位功能，與微控制器間使用串口通信，定時向服務器上傳數(shù)據(jù)信息幀。 定位信息主要依靠北斗GPS 雙模定位，在室內(nèi)無衛(wèi)星信號時，利用通信網(wǎng)絡無線信號及加速度，陀螺儀信號估算位置信息。

圖4 通信模塊BC20 原理及實物圖

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件包括單片機控制程序和快遞服務測評后臺處理程序。

■3.1 單片機控制程序

使用C 語言開發(fā)，流程如圖5 所示，單片機系統(tǒng)上電后，對時鐘、加速度、溫濕度、氣壓傳感器進行初始化配置。對5G 模塊進行速率、注冊入網(wǎng)、服務器接口信息配置。初始化北斗GPS 雙模定位模塊，檢測衛(wèi)星信號是否正常，解析定位信號信息。

圖5 基于5G 的快遞服務測評裝置單片機程序流程圖

系統(tǒng)外設均正常初始化后，單片機配置為低功耗模式并監(jiān)聽內(nèi)外部中斷，當檢測到中斷產(chǎn)生時，采集傳感器數(shù)據(jù)及定位信息并將原始數(shù)據(jù)儲存至TF 卡。根據(jù)協(xié)商格式合成數(shù)據(jù)幀，暫存在FLASH 芯片指定存儲地址上，通過5G 網(wǎng)絡定時發(fā)送至服務器。各項任務完成后單片機進入休眠模式以節(jié)約功耗。

①陀螺儀加速度傳感器初始化

void I2C_MPU6050_Init(void){I2C_GPIO_Config();I2C_Mode_Config();}

先對STM32 單片機IIC 接口初始化設置，通過IIC 接口對MPU6050 進行設置。

void InitMPU6050(void){I2C_ByteWrite(PWR_MGMT_1,0x00);//解除休眠狀態(tài)

I2C_ByteWrite(SMPLRT_DIV,0x07);

I2C_ByteWrite(CONFIG,0x06);

I2C_ByteWrite(GYRO_CONFIG,0x18);

I2C_ByteWrite(ACCEL_CONFIG,0x01);}

MPU6050 配置完成后，定時向單片機發(fā)送3 個軸方向上電重力加速度、方位角數(shù)據(jù)，根據(jù)該數(shù)據(jù)估算綜合加速度、速度及運動方向。

②BC20 通信定位模塊初始化及數(shù)據(jù)上傳

BC20 通信定位模塊占用單片機串口2，在程序中配置STM32 單片機串口2 外設時鐘，設置通信速率，通過串口2 對BC20 模塊配置入網(wǎng)參數(shù)及服務器地址。通過POST 協(xié)議將采集的傳感器數(shù)據(jù)上傳到服務器中。BC20 模塊設置為透傳模式，發(fā)送數(shù)據(jù)通過BC20_http_post()函數(shù)實現(xiàn)。

char RES_BUF[5000]; 接收數(shù)據(jù)緩存

char HTTP_RES_BUF[5000];發(fā)送數(shù)據(jù)緩存

char * BC20_http_post(char * strUrl,char * strData){int count,maxLoop;char Command[200];count=0;

while(BC20_send_cmd(strUrl,"OK",2000)==0) {printf("HTTP URL ERROR ");delay_ms(1000);if(count++>5)return NULL; }

sprintf(Command,"AT+QHTTPPOST=%d,50,10 ",strlen(strData)-2);count=0;

while(BC20_send_cmd(Command, "CONNECT",2000)==0) {printf("HTTP POST ERROR ");delay_ms(1000);if(count++>5)return NULL; }

maxLoop=0;

while(BC20_send_cmd(strData,"OK",65000)==0) {printf("POST DATA ERROR ");delay_ms(1000);if(maxLoop++>5) return NULL; }

BC20_send_cmd("AT+QHTTPREAD=30 ","OK",2000);

printf("HTTP RESPONSE:%s ",BC20_http_response());

return BC20_http_response();}

回傳數(shù)據(jù)通過BC20_http_response()函數(shù)實現(xiàn)。將接收數(shù)據(jù)存儲在HTTP_RES_BUF 數(shù)組中，通過strstr 找到關(guān)鍵字"QHTTPREAD"，結(jié)束數(shù)據(jù)接收程序。

char * BC20_http_response(void){

int i;RES_BUF[0]=0;

if(strstr((const char*)HTTP_RES_BUF, "QHTTPREAD")!=0) {for(i=0; i<5000; i++) {if(HTTP_RES_BUF[i+28]==13) break;RES_BUF[i]=HTTP_RES_BUF[i+28]; }RES_BUF[i+1]=0;return RES_BUF; }return NULL;}

③原始數(shù)據(jù)存儲程序

由于采集的原始數(shù)量較大，不能全部通過網(wǎng)絡上傳的服務器中，以CSV 格式存儲在tf 卡中，文件以純文本形式存儲數(shù)據(jù)，字段間采用“，”作為分隔符，通過putString2Csv 函數(shù)實現(xiàn)。

int32 putString2Csv(char str[], char filename[], int mode){f_open(&fil,filename,FA_OPEN_ALWAYS|FA_WRITE );_mode = mode;switch (_mode){case ECWM_ONELINE:{f_lseek(&fil,fil.fsize);f_puts(str, &fil); // str 是采集的數(shù)據(jù)f_puts(“,”, &fil); // ，是單元格的分格符號}break;

■3.2 數(shù)據(jù)分析程序

使用PHP 構(gòu)建Web 服務器，監(jiān)聽8080 服務端口的HTTP 請求，接收數(shù)據(jù)并存儲到MySQL 數(shù)據(jù)庫中。使用Python 可視化工具庫對數(shù)據(jù)進行進一步分析處理。

①數(shù)據(jù)導入程序

程序需要用到Python 的folium、pandas、matplotlib等數(shù)據(jù)處理及可視化庫，通過read 函數(shù)導入數(shù)據(jù)文件。

import folium

import pandas as pd

import matplotlib.pyplot as plt

df = pd.read_csv('record_20221025.csv')

如圖6 所示，每0.5 秒采集存儲1 次數(shù)據(jù)，從快遞收寄到簽收的46 小時中，共采集存儲33 萬條數(shù)據(jù)。

圖6 快遞運輸過程中采集的數(shù)據(jù)

②數(shù)據(jù)可視化處理程序

根據(jù)數(shù)據(jù)中經(jīng)緯度信息，計算地圖中心坐標，并生成高德地圖背景。

location_center = [df[‘位置 緯度 : '].mean(),df['位置 經(jīng)度 : '].mean()]

tiles= 'https://wprd01.is.autonavi.com/appmaptile?x={x}&y={y}&z={z}&lang=zh_cn&size=1&scl=1&style=7'

m_1 = folium.Map(location=location_center,

tiles=tiles ,

attr='高德-常規(guī)圖',

zoom_start=10,

control_scale=True,

width='70%' )如圖7 所示，根據(jù)加速度、定位信息、經(jīng)緯度變化等數(shù)據(jù)，推算出快遞包裹在運輸過程中的關(guān)鍵事件?？爝f包裹在金屬密閉車廂中運輸時，定位模塊因無法獲得足夠強度、數(shù)量的衛(wèi)星導航信息而無法解析出經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，需要根據(jù)通信網(wǎng)絡、加速度、運動方向結(jié)合地圖估算快遞包裹軌跡。

圖7 關(guān)鍵事件點坐標

def Wgs84ToGcj02(lon, lat) :

dLat = transformLat(lon - 105.0, lat - 35.0);

dLon = transformLon(lon - 105.0, lat - 35.0);

radLat = lat / 180.0 * M_PI;

magic = math.sin(radLat);

magic = 1 - magic * magic * EE;

sqrtMagic = math.sqrt(magic);

dLat = (dLat*180.0)/((EARTH_RADIUS * 1000 * (1-EE))/(magic*sqrtMagic)*M_PI);

dLon = (dLon*180.0) / (EARTH_RADIUS* 1000/ sqrt Magic*math.cos(radLat)*M_PI);

Gcj02Lat = lat + dLat;

Gcj02Lon = lon + dLon;

return Gcj02Lat,Gcj02Lon

裝置采集的wgs84 格式的原始經(jīng)緯度信息需要轉(zhuǎn)換成Gcj02 格式，才能在地圖上正常顯示，坐標轉(zhuǎn)換功能由Wgs8ToGcj02(lon,lat)實現(xiàn)。如圖8 所示，將關(guān)鍵事件如暴力分揀、正常分揀、運輸途中等坐標標記在高德地圖中。

圖8 快遞服務測評后臺程序運行效果圖

4 結(jié)語

本文針對傳統(tǒng)快遞服務測評方法實時性差的問題，利用5G 低延時特性實現(xiàn)快遞服務測評數(shù)據(jù)的實時傳輸處理，為快遞服務測評提供準確客觀、科學有效的評價方法，通過對快遞包裹收寄、運輸、分揀、派送等環(huán)節(jié)傳感數(shù)據(jù)采集分析，對快遞服務質(zhì)量評估對比，查找快遞企業(yè)運輸過程中的薄弱環(huán)節(jié)，優(yōu)化業(yè)務流程，提升服務質(zhì)量。