基于ZigBee技术的快件寻找系统设计

陈崇辉　邓筠

摘 要： 针对快件派送环节，快递员从数量繁多的快件中难以寻找目标快件的问题，设计基于ZigBee技术的快件寻找系统，通过采用网状网络拓扑结构，构建包含快件终端节点、快递员节点、手机APP监控中心3个层次的系统架构，重点设计快件终端节点和快递员节点的CC2530无线通信模块和软件流程，并提出时间同步协议算法，实现全网节点的同步休眠和唤醒，降低整个系统的功耗，延长系统的工作时间。实验测试结果表明，系统能够准确地寻找目标快件，减少派送时间，实现设计效果。

关键词： 快递； ZigBee技术； 快件寻找； 快递员节点

中图分类号： TN911?34 文献标识码： A 文章编号： 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

随着电子商务的快速发展，通过网上购物的人越来越多，引发大量的快递业务，对于人口密集的高校校园和小区，快件经常堆积如山，等待派发。目前各家快递公司在校园和小区主要是设立“地摊式”派发点，即使是固定场所的收发室，数量繁多的快件依然让取件效率偏低，最突出的问题是难以找到快件。针对此问题各家快递公司各出奇招，比较典型有效的做法是在快件单上，用油性笔大字体标注收件人的姓名、手机号码后4位数字等关键信息，还有通过分若干个有编号的塑料筐等手段，尝试减少快递寻找和签收的时间，但庞大的快递数量，加上学生下课后收取快递导致时间相对集中，寻找快件仍然是快递派送签收中比较突出的问题之一。为此，本文设计了一种基于ZigBee技术的快件寻找系统，能够帮助快递员快速寻找快件，减少客户等待时间，从而提高快递派送的效率，改善快递服务质量。

1 系统总体方案设计

快件寻找系统由快件终端节点、快递员节点、手机APP监控中心3个层次组成[1]，系统总体结构如图1所示。最底层是快件终端节点，采用分布式结构，运用掉电非易失性存储器保存与收件人的手机号码对应的ID，通过蜂鸣器报警模块实现快件寻找后的提示，快件终端节点体积小，能够通过夹子或粘贴胶与待派送快件轻易地附着或分离，重复使用；中间层是快递员节点，通过蓝牙模块与手机APP监控中心保持数据的同步，同时负责建立收件人手机号码与快件的对应关系，向所有快件终端节点发出唯一ID进行快件的寻找，另外还要利用时间同步算法，实现全网节点的同步休眠和唤醒，降低系统的功耗；最上层是智能手机APP监控中心，通过人机交互界面实现对数据的处理、存储和分析等，可方便快递员对快件派发过程中数据的实时查看和备份[2]，在APP监控中心无连接的情况下，快递员节点和快件终端节点之间也能正常组网独立工作。

2 快件终端节点设计

2.1 快件终端节点硬件结构设计

本设计中，快件终端节点硬件结构如图2所示，它由CC2530无线通信模块、数据存储模块、电源及管理模块、实时时钟模块、声光报警模块告等部分组成[3]。CC2530无线通信模块完成快件终端节点和快递员节点网络的构建，使用TI公司的Z?Stack协议栈，并在此基础上设计了应用层软件实现相关数据的传输；数据存储模块用于存储客户快件联系手机号码所对应的代码ID；电池管理模块包括电量检测和充电管理两部分，前者负责检测锂电池电量，后者用于充电状态指示和控制；实时时钟模块用于提供实时时钟和同步时间；声音报警电路通过三极管驱动蜂鸣器实现；发光报警电路通过贴片0805封装的红色LED实现。

2.2 CC2530无线通信模块设计

CC2530无线通信模块的性能直接影响整个通信系统的可靠性。系统在快件终端节点和快递员节点处均设有CC2530无线通信模块，主要负责快件网络的组建。CC2530芯片符合2.4 GHz射频标准，内部集成微控制器、射频前端以及存储器，使用简单，有丰富的外设资源，只需很少的外围电路便可实现数据的传输。各节点的CC2530电路原理如图3所示。节点中的CC2530芯片采用+3.3 V电压供电，采用片内1.8 V稳压器为所需电路提供1.8 V电源，设计一个1 μF的去耦电容，提高电源工作的稳定性。CC2530的外围电路包括微控制器接口电路、射频I/O匹配电路和时钟振荡电路[4?5]，电路设计有32 MHz和32.768 kHz的石英晶体与芯片内部的振荡单元配合工作，为系统提供时钟频率；天线电路采用印制弯折倒F型天线，通过巴伦匹配电路进行射频收发信号的匹配，保证系统射频收发模块的稳定工作，提高系统通信性能[5?6]。CC2530的P0.2端口用于锂电池的输出电压采样，实现对锂电池电量的监管，在不进行数据传输时，芯片进入休眠状态，程序中可通过调用函数控制所有节点的休眠与唤醒，保证系统的低功耗，延长锂电池的使用时间。

2.3 快件终端节点流程设计

快件终端节点主程序流程如图4所示。快件终端节点初始化成功后，首先判断电池电量在充足的条件下，系统会处于休眠状态，直到接收到快递员节点唤醒命令，唤醒快件终端节点并接收快递员节点数据ID，并判断ID是否与之前存储一致。如果不相同则不作反应，延时后进入休眠状态。一旦相同表示该快件就是当前系统要寻找的目标，调用节点时间同步，并发出报警声音作为反应，完成此次寻找任务，延时后进入休眠状态。

3 快递员节点设计

3.1 快递员节点硬件结构设计

快递员节点硬件结构如图5所示。快递员节点一方面要与手机APP监控中心完成数据同步传输，但没有手机APP参与的情况下系统也能正常工作；另一方面还要响应快递员按键的操作指令，完成与所有快件终端节点数据通信的信息交换。快递员节点除了由CC2530组成的微控制器等基本模块外，还有按键模块，LCD12864液晶显示模块和蓝牙通信模块。通过按键输入，快递员可以通过ZigBee网络向整个网络的所有快件终端节点发送广播数据包，则对应快件上的快件终端节点接收数据包并提取相应的快件ID，与之前写入的代码ID做比较，匹配的快件终端节点将发出声光报警，提示快递员快件所在位置，从而快速找到相应的快件，给予客户签收，提高快递派送服务的质量。

3.2 快递员节点流程设计

快递员节点是手机APP监控中心和底层各快件终端节点进行数据交换的媒介。快递员节点需要对各快件终端节点进行全体控制，根据需要完成与手机APP监控中心的通信。快递员节点具有休眠和唤醒功能。快递员节点上电后首先初始化，检测电池电量是否充足，电池电量充足时，循环检测是否有按键按下。一旦按键输入要寻找的快件ID，即时唤醒全部快件终端节点，广播要寻找快件的ID，并调用时间同步程序，等待快件终端节点的反应。完成此次寻找任务后无按键操作一定时间后控制系统进入休眠状态。快递员节点主程序流程如图6所示。

3.3 快递员节点组网流程

快递员节点网络初始完成以后开始建立新的网络，对各信道进行能量扫描[7]。快递员节点在接收到快件终端节点发出的入网请求后，会给予应答，如果快件终端节点在5 s内收到应答信号，则表示入网成功，快递员节点将为其分配地址，之后便可以进行数据的传输。如果在规定时间内未收到应答信号，超过一定次数后，快递员节点组网流程结束。快递员节点组网流程如图7所示。

3.4 快递员节点离网流程

快递员节点首先扫描信道。快递员节点在检测到快件终端节点发出的离网请求后，会给予应答，如果快递员节点允许快件终端节点离开网络，快递员节点会为其清除已经分配的地址，快件终端节点离网成功，如果快递员节点不允许快件终端节点离开网络，快递员节点离网程序结束。快递员节点离网流程如图8所示。

4 时间同步算法协议设计

由此可见，逼近函数M决定了数据真实性，当M的值越小，数据的可靠性越高。在数学迭代优化M后，将过滤数据与Φmax进行对比，找出误差较大的同步时间戳的信息d1，d2，…，dh，并将它们滤除。系统开始工作后，首先构建网络拓扑结构，快递员节点作为根结点，开始广播邻节点请求报文，其他节点收到报文后随机发送自己的邻居表信息。在全网时间同步后，快递员节点发送给其子节点，即快件终端节点，实现全网的同步休眠和唤醒，降低整个系统的功耗，延长系统的工作时间。

5 实验测试

本系统实验调试采用武汉创维特信息技术有限公司CVT?IOT?V教学实验系统实验箱平台进行。该实验箱包含1个快递员节点，6个快件终端节点。通过组网实验测试，各个快件终端节点和快递员节点组成的网络能够实现数据的无线传输，满足快件寻找的功能。实验测试结果如表1所示。

实验结果表明：本文设计的快件寻找系统能够实现对快件的寻找功能，减少快件派送环节的时间，在快递行业具有非常实用的推广价值。

6 结 语

本文提出了基于ZigBee技术的快件寻找系统设计，采用组网方便的CC2530无线通信技术构建系统的无线网络，通过网状网络拓扑结构，可任意地增加或减少快件终端节点的数量；利用时间同步算法协议，实现所有节点的同时休眠和唤醒，大大降低了系统功耗，延长系统使用时间。实验证明快件寻找系统能够有效帮助快递员从数量繁多的快件中快速寻找目标快件，减少寻找快件的时间，提高快递员派送快件的效率，完善快递行业派送环节的客户体验，推动物流快递行业的健康发展。

参考文献

[1] 张全贵，李鑫，王普.基于ZigBee的工厂化水产养殖溶解氧在线监控系统设计的研究[J].中国农学通报，2012，28（11）：118?122.

[2] 赵小欢.基于WSN的水产养殖水质在线监测系统设计[D].哈尔滨：哈尔滨理工大学，2014.

[3] 王丽，秦正兵.无线防盗系统的开发与设计[J].电子产品世界，2014（10）：48?50.

[4] 甘素榕，邹涛，翁哲.基于CC2430的ZigBee无线通信设计[J].科技资讯，2007（22）：92.

[5] 杨子威.基于ZigBee技术的LED路灯节能控制系统的设计[J].现代电子技术，2014，37（8）：40?45.

[6] 刘辉，赵丽芬，孙番典，等.基于CC2530的ZigBee射频收发模块设计[J].云南民族大学学报（自然科学版），2012，21（6）：452?456.

[7] 饶毅，罗玉梅.ZigBee在无线抄表系统中的应用及实验[J].信息系统工程，2011（4）：107?108.

[8] 陆慧，沈庆宏，陈策，等.基于Imote2的WSN桥梁结构健康监测系统无线传输研究[J].现代电子技术，2010，33（21）：30?34.

[9] 郑均辉，褚龙现.基于无线传感网络的着火点智能识别系统设计[J].计算机测量与控制，2013（10）：2856?2858.

[10] 陈桂芬，王义君.无线传感器网络跨层服务优化时间同步机制[J].光学精密工程，2013（12）：3231?3238.