楊振宇，劉燕，張萬(wàn)堯，寇凌峰，劉源

（甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，甘肅蘭州，730070）

0 引言

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，人們的生活觀念以及對(duì)生活品質(zhì)的要求也發(fā)生了根本性變化。目前，快遞行業(yè)已成為城市及農(nóng)村發(fā)展中又一新興市場(chǎng)[1]，然而隨著各類(lèi)病毒與流感的傳播，使我們不得不關(guān)注于如何有效阻止和降低快遞投遞過(guò)程中病毒的傳播。針對(duì)這一情況，本設(shè)計(jì)對(duì)快遞柜做了如下改進(jìn)：第一，設(shè)計(jì)了短信發(fā)送功能，用戶可以在手機(jī)上就看到自己的快遞狀態(tài)，節(jié)省了時(shí)間；第二，柜體加裝機(jī)械控制的紫外線消毒燈，從根本上切斷病毒流感的傳播途徑、減小感染風(fēng)險(xiǎn)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

■1.1 系統(tǒng)方案

本方案以STM32 單片機(jī)為主要控制單元，同時(shí)還包含GSM 短信發(fā)送部分、OLED 顯示部分、繼電器控制部分、LED 聲光報(bào)警系統(tǒng)、供電部分以及機(jī)械消毒部分八大部分。單片機(jī)系統(tǒng)主要處理內(nèi)外數(shù)據(jù)，對(duì)按鍵指令進(jìn)行分析處理，并作出響應(yīng)[2]；OLED 顯示主要將單片機(jī)的響應(yīng)進(jìn)行顯示；矩陣鍵盤(pán)可以用于切換界面、輸入號(hào)碼、輸入驗(yàn)證碼、刪除、選擇儲(chǔ)物柜、確認(rèn)等；繼電器部分主要根據(jù)單片機(jī)指令進(jìn)行開(kāi)關(guān)閉柜門(mén)；GSM 模塊主要用于發(fā)送驗(yàn)證碼，實(shí)現(xiàn)用戶取快遞；LED 聲光報(bào)警是為了快遞的安全設(shè)計(jì)，當(dāng)三次輸錯(cuò)驗(yàn)證碼，聲光報(bào)警則啟動(dòng)，返回主界面，一分鐘之內(nèi)不進(jìn)行存取件；供電部分則為整個(gè)存取件系統(tǒng)和消毒模塊進(jìn)行供電；機(jī)械消毒模塊則是通過(guò)紫外線消毒燈對(duì)快遞實(shí)現(xiàn)消殺工作。

圖1 系統(tǒng)框圖

■1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.2.1 柜格與消毒模塊設(shè)計(jì)

柜格具備放置快遞及消毒的雙重功能。為避免包裝腐蝕等問(wèn)題，柜體采用紫外線消毒方式。同時(shí)為防止紫外線及臭氧外泄，柜格應(yīng)具有良好密閉特性，在每一個(gè)柜格中按安裝三根紫外線消毒燈并加裝保護(hù)罩，進(jìn)行消毒[3]，效果圖如圖2 所示。

圖2 消毒柜體設(shè)計(jì)

1.2.2 消毒燈的控制

由于紫外線消毒燈不可以照射人體[4]，所以在消毒燈的開(kāi)關(guān)控制上選擇采用機(jī)械控制，在柜格內(nèi)安裝消毒燈的觸動(dòng)開(kāi)關(guān)，在柜門(mén)關(guān)閉的瞬間連接電路，消毒燈打開(kāi)并進(jìn)行消毒，取件時(shí)柜門(mén)打開(kāi)、電路斷開(kāi)，消毒燈隨即關(guān)閉、防止對(duì)人體造成傷害，確保使用者安全，電路如圖3 所示。

圖3 消毒燈控制電路設(shè)計(jì)

2 硬件電路設(shè)計(jì)

■2.1 單片機(jī)主控部分

STM32 單片機(jī)主要功能是通過(guò)不斷掃描矩陣按鍵獲取輸入數(shù)據(jù)[5]，當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸給單片機(jī)時(shí)，單片機(jī)對(duì)其進(jìn)行分析處理、輸出指令。輸入數(shù)據(jù)主要由按鍵進(jìn)行控制，通過(guò)程序設(shè)計(jì)，按鍵可以完成存取的所有步驟，包括：“選擇存取界面、輸入號(hào)碼、輸入驗(yàn)證碼、刪除、選擇儲(chǔ)物柜、確認(rèn)等功能模塊”；單片機(jī)輸出指令主要通過(guò)顯示模塊對(duì)用戶的操作進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示、對(duì)繼電器傳輸指令控制繼電器開(kāi)關(guān)、單片機(jī)若連續(xù)收到三次錯(cuò)誤驗(yàn)證碼信息進(jìn)行聲光報(bào)警、當(dāng)有快遞員完成存件時(shí)，系統(tǒng)控制GSM 模塊給收件人手機(jī)發(fā)送驗(yàn)證碼[6]。單片機(jī)電路如圖4 所示。

圖4 單片機(jī)主控系統(tǒng)

■2.2 OLED 顯示部分

OLED 顯示屏采用嵌入式設(shè)計(jì)，主要用于對(duì)快遞柜的運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示[7]，顯示用戶輸入號(hào)碼、輸入驗(yàn)證碼、刪除、選擇儲(chǔ)物柜、確認(rèn)、身份選擇界面、顯示快遞員拿/取選擇界面、用戶拿/取選擇界面、顯示存儲(chǔ)箱型號(hào)、空/滿、顯示“請(qǐng)輸入驗(yàn)證碼”、顯示“請(qǐng)輸入手機(jī)號(hào)”、顯示“快遞已存好”等情況，并將單片機(jī)分析處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出顯示，對(duì)用戶動(dòng)作進(jìn)行提示。

■2.3 矩陣鍵盤(pán)

快遞柜存取系統(tǒng)由于所需輸入指令較多，為滿足操作人員需要，本系統(tǒng)采用了4×4 矩陣式鍵盤(pán)，系統(tǒng)提前將每個(gè)按鍵的功能進(jìn)行設(shè)定，矩陣鍵盤(pán)工作方式是通過(guò)系統(tǒng)編輯的軟件不間斷地掃描矩陣鍵盤(pán)按下情況，以保證系統(tǒng)不會(huì)錯(cuò)過(guò)按鍵輸入數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)的主要工作思路為：?jiǎn)纹瑱C(jī)系統(tǒng)不斷給行線傳輸?shù)碗娖叫盘?hào)，每次保證其中一行為低電平信號(hào)，其余都為高電平信號(hào)，然后系統(tǒng)立即檢測(cè)列線是否有低電平信號(hào)，從而就可判斷出是哪個(gè)按鍵被按下，系統(tǒng)用同樣的方法給其他行線輸出低電平信號(hào)，同時(shí)檢測(cè)各列線電平信號(hào)。通過(guò)掃描按鍵判斷按鍵按下情況，STM32 單片機(jī)通過(guò)給按鍵設(shè)置不同鍵值，系統(tǒng)根據(jù)鍵值執(zhí)行不同的子程序。系統(tǒng)提供了“確定”“清除”“我是快遞員”“我是用戶”“存”“取”六個(gè)功能鍵和0～9 十個(gè)數(shù)字鍵，共十六個(gè)按鍵來(lái)完成用戶必要信息的輸入。矩陣鍵盤(pán)需要用到8 個(gè)I/O 口，將單片機(jī)PB 口上的PB.8～PB.15 分配給鍵盤(pán)模塊。如圖5 所示。

圖5 矩陣按鍵

■2.4 繼電器控制

繼電器模塊之間與單片機(jī)連接使用，無(wú)需搭建外部電路，單片機(jī)的VCC、GND、IN口接入程序中定義的單片機(jī)的I/O口。繼電器工作時(shí)，電磁鐵通電，產(chǎn)生磁力，電路斷開(kāi)時(shí)，磁力消失，利用這一原理可以更好的控制快遞柜門(mén)開(kāi)關(guān)[8]，當(dāng)柜門(mén)關(guān)了后啟動(dòng)消毒功能。繼電器控制電路如圖6 所示。

圖6 繼電器控制模塊

■2.5 GSM 發(fā)送部分

SIM800C 是一種廣泛使用的GSM 模塊，帶有串行接口調(diào)制解調(diào)器，可在3.4V～4.4V 電壓等級(jí)之間運(yùn)行。SIM800C是一款四頻GSM/GPRS 模塊，可用作對(duì)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)那度胧綉?yīng)用。SIM800C 工作在850/900/1800/1900MHz，它還可以低功耗接收和發(fā)送語(yǔ)音電話、短信。該模塊通過(guò)AT指令控制，支持一個(gè)SIM 卡接口，并具有UART(TX 和RX)引腳以及一個(gè)RS232 串行協(xié)議，可用于與嵌入式應(yīng)用中的不同微控制器接口。將SIM 卡接入SIM800C 模塊中，則可以實(shí)現(xiàn)短信發(fā)送功能。

■2.6 LED 聲光報(bào)警

當(dāng)取界面輸入的驗(yàn)證碼與系統(tǒng)中箱柜儲(chǔ)存的驗(yàn)證碼均不相同時(shí)，就會(huì)進(jìn)入密碼錯(cuò)誤界面，提示用戶重新輸入密碼，稍作延時(shí)后，系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)返回取件界面，如若用戶連續(xù)三次輸錯(cuò)驗(yàn)證碼[9]，系統(tǒng)會(huì)將用戶操作識(shí)別為非法操作，進(jìn)入報(bào)警界面，揚(yáng)聲器報(bào)警，紅色LED 燈亮，一段時(shí)間內(nèi)，鍵盤(pán)將不接受任何操作，報(bào)警結(jié)束后自動(dòng)返回主界面。

3 軟件設(shè)計(jì)

■3.1 主程序設(shè)計(jì)主要思想

在軟件開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，主程序最先進(jìn)行顯示模塊內(nèi)部程序的初始化，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)中的各子程序進(jìn)行相應(yīng)初始化，之后系統(tǒng)開(kāi)始不間斷掃描矩陣鍵盤(pán)，檢測(cè)是否有電平信號(hào)輸入，并根據(jù)不同的電平信號(hào)輸入數(shù)據(jù)從而執(zhí)行相對(duì)應(yīng)的子程序模塊。

當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到“存件鍵”按下時(shí)，系統(tǒng)將首先在數(shù)據(jù)庫(kù)中查看剩余空柜數(shù)量，并在顯示界面進(jìn)行顯示，若檢測(cè)到有空柜剩余，系統(tǒng)則提示可以進(jìn)行存件操作，用戶可以通過(guò)輸入取件人的手機(jī)號(hào)碼進(jìn)行存件。該程序設(shè)計(jì)中同時(shí)設(shè)有清除和確定指令，可以滿足用戶輸錯(cuò)或輸入信息完成時(shí)可以按下使用，信息輸入完成后系統(tǒng)對(duì)輸入信息進(jìn)行處理，并自動(dòng)生成六位隨機(jī)驗(yàn)證碼，系統(tǒng)給繼電器發(fā)出信號(hào)，繼電器工作柜門(mén)打開(kāi)，在用戶放入物件并關(guān)閉儲(chǔ)物柜后，系統(tǒng)收到柜門(mén)關(guān)閉信息，隨即GSM 模塊向取件人發(fā)送生成的六位驗(yàn)證碼，發(fā)送成功后顯示模塊進(jìn)行顯示，之后系統(tǒng)回到主界面，存件過(guò)程進(jìn)行完畢，紫外線開(kāi)始消毒[10]。

當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到“取件鍵”按下時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入取件界面，顯示界面提示用戶輸入六位驗(yàn)證碼。該程序設(shè)計(jì)中同時(shí)設(shè)有清除和確定指令，可以滿足用戶輸入錯(cuò)誤和輸入完成時(shí)操作使用，系統(tǒng)接收到輸入的驗(yàn)證碼后，根據(jù)提供的驗(yàn)證碼與系統(tǒng)內(nèi)部存儲(chǔ)的信息進(jìn)行比對(duì)找到相應(yīng)信息，若核實(shí)正確則繼電器工作，柜門(mén)打開(kāi)，隨即對(duì)應(yīng)的LED 燈點(diǎn)亮，用戶可將物品取走，取件后關(guān)上快遞柜門(mén)，系統(tǒng)則返回主界面，若系統(tǒng)內(nèi)部沒(méi)有和驗(yàn)證碼相同的密碼信息，則顯示模塊顯示錯(cuò)誤提示，并返回上一界面，用戶可進(jìn)行重新輸入。如果用戶連續(xù)三次輸入錯(cuò)誤，系統(tǒng)程序?qū)⒂脩舨僮髯R(shí)別為非法操作，聲光報(bào)警系統(tǒng)啟動(dòng)發(fā)出報(bào)警，短期內(nèi)系統(tǒng)將不掃描鍵盤(pán)按下信號(hào)。成功取件后將在系統(tǒng)內(nèi)部將會(huì)得到對(duì)應(yīng)物件已被取走的信息，系統(tǒng)會(huì)對(duì)之前的存儲(chǔ)信息進(jìn)行清除，確保后續(xù)取件順利進(jìn)行。由此完成了一個(gè)取件過(guò)程。系統(tǒng)總體流程圖如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)總體流程圖

■3.2 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

在main.c 中，先寫(xiě)入其他.c 的頭文件，接著是定義用到的全局變量和用到的子程序，然后就進(jìn)入到主程序中[11]。在主程序中，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，然后按照順序循環(huán)子程序，主系統(tǒng)程序中有：按鍵子程序、顯示子程序、監(jiān)測(cè)子程序和處理子程序。程序中的按鍵子程序用于切換模式、選擇快遞柜、輸入取件碼、手機(jī)號(hào)碼等；監(jiān)測(cè)子程序獲得100000～999999 之間的隨機(jī)數(shù)；顯示子程序通過(guò)OLED 顯示身份、拿/取快遞界面、快遞柜是否已滿、輸入的手機(jī)號(hào)、驗(yàn)證碼等；在處理子程序中，若有快遞員寄快遞/用戶存快遞，GSM 發(fā)送驗(yàn)證碼。

3.2.1 按鍵子程序

系統(tǒng)對(duì)按鍵不斷進(jìn)行掃描判斷是否有按鍵按下，如果按下的數(shù)字鍵是1～9，則可進(jìn)行輸入號(hào)碼、選擇快遞柜、輸入驗(yàn)證碼等操作；如果按鍵4 被按下，則進(jìn)行快遞員存快遞模式；如果按鍵8 被按下，切換用戶存取快遞模式；如果按鍵12 被按下，切換選擇快遞柜模式；如果按鍵13被按下，確定驗(yàn)證碼；如果按鍵15 被按下，刪除輸入數(shù)據(jù)或者返回上一步；如果按鍵16 被按下，直接輸入驗(yàn)證碼進(jìn)行取件[12]。

3.2.2 顯示子程序

根據(jù)不同的系統(tǒng)指令顯示不同界面。在顯示界面0 時(shí)，界面0，顯示身份選擇界面；界面1，顯示快遞員拿/取選擇界面；界面2，用戶拿/取選擇界面。在空箱選擇界面，顯示存儲(chǔ)箱型號(hào)、空/滿。在輸入驗(yàn)證碼界面，顯示“請(qǐng)輸入驗(yàn)證碼”。在輸入手機(jī)號(hào)碼界面，顯示“請(qǐng)輸入手機(jī)號(hào)”。在成功界面，顯示“快遞已存好”。

4 結(jié)語(yǔ)

本快遞儲(chǔ)物柜在原先快遞柜的存取方式下，新增聲光報(bào)警和柜內(nèi)自動(dòng)消毒功能，該技術(shù)融合了傳統(tǒng)快遞存取模式和消毒控制，實(shí)現(xiàn)了更加安全化、人性化的存取件方式。使用這種集體無(wú)差別消殺后進(jìn)行的逐一消毒，在最大程度上杜絕了快遞柜成為疫情源或中轉(zhuǎn)點(diǎn)的可能性，在快遞的最后運(yùn)輸環(huán)節(jié)豎起了一道科技的“銅墻鐵壁”；同時(shí)，這種設(shè)計(jì)增強(qiáng)了人們對(duì)快遞取件點(diǎn)的信任度，加之以消毒模塊的使用，這種讓人耳目一新的人性化設(shè)計(jì)。在后期項(xiàng)目會(huì)升級(jí)系統(tǒng)，逐步實(shí)現(xiàn)人臉識(shí)別存取件，運(yùn)用科技的力量，實(shí)現(xiàn)更和諧、美好、安全、進(jìn)步的生活體驗(yàn)。