基于嵌入式系统的智能快递柜设计

曾泽良，黄 兵，唐 涛，黄 涛

（桂林电子科技大学，广西 桂林 541004）

随着电子商务的发展，网购已成为人们主要的购物方式之一，并且发展势头迅猛。纵观现在的快递业，大体上由两种形式组成，即人工快递投取和快递柜自动投取[1]。本文基于嵌入式系统设计一种多功能智能快递柜，作为嵌入式技术在智能快递柜领域的探索性研究，可为以后建立大型的智能快递投递系统奠定基础。

1 电路硬件设计

智能快递柜的整体系统框如图1所示。

系统分为电源系统和控制系统两大部分。

电源系统部分主要包括太阳能电池板、电源管理模块和可充电电池。

1.1 太阳能电池板

基于绿色环保考虑，本文设计的智能快递柜电源部分增加了太阳能电池板，减少对市电的使用。太阳能电池板目前市面上主要有3种：晶体硅电池板、非晶硅电池板、柔性太阳能电池。

晶体硅电池板分为两种：单晶硅型和多晶硅型。单晶硅太阳能电池的光电转换效率为18%左右，最高的达到24%，转换效率最高但制作成本很大。多晶硅太阳电池的光电转换效率约16%左右。从制作成本上来讲，比单晶硅太阳能电池要便宜一些。此外，多晶硅太阳能电池的使用寿命也要比单晶硅太阳能电池短。从性能价格比来讲，单晶硅太阳能电池还略好。

非晶硅太阳电池的主要优点是在弱光条件也能发电。但非晶硅太阳电池存在的主要问题是光电转换效率偏低，国际先进水平为10%左右，且不够稳定，随着时间的延长，其转换效率衰减。

柔性薄膜太阳能电池不需要采用玻璃背板和盖板，重量比双层玻璃的太阳能电池片组件轻80%，可以任意弯曲，安装的时候也不需要特殊的支架。缺点是光电的转换效率要比常规的晶硅组件低。

在本文设计的智能快递柜电路系统中，太阳能电池板主要需考虑的方面为成本、发电功率和发电效率，因此可以考虑采用多晶硅太阳能电池板。但结合具体环境，在有些光照条件欠佳的地方可以采用非晶硅太阳能电池板[2]。

1.2 电源管理模块

稳定可靠的电源是电路系统稳定工作的基本条件，因而对电源模块的性能参数要求必然不低。在本文所设计智能快递柜电路结构中，电源管理模块的作用如下：（1）将市电转换为系统电路所需直流电。（2）将市电和太阳能电池板发电进行功率分配控制，尽可能减小市电的使用实现节能环保。（3）在供电正常时对可充电电池进行充电和维护，在断电时切换使用可充电电池作为电源，保证系统在断电后也能正常工作。

1.3 可充电电池

图1 智能快递柜整体系统框

在本文设计的智能快递柜电路系统中，可充电电池用于断电时为系统提供应急电源。锂电池轻巧且容量大，但基于成本考虑，可以采用铅蓄电池。

控制系统包括主控模块、GPRS模块、语音模块、触摸屏、键盘、摄像头模块和继电器模块。

1.3.1 主控模块

主控模块为本系统的核心，用于进行所有数据的处理。在本文设计的智能快递柜电路系统中，综合考虑开发成本、开发难度、芯片性能等，本文采用树莓派3B作为主控模块。

1.3.2 GPRS模块

在本文设计的智能快递柜电路系统中，GPRS模块用于网络通信，采用SIM800A模块。SIM800A是SIMCOM公司推出的一款高性能工业级GSM/GPRS模块，可以低功耗实现语音、DTMF、SMS（短信，彩信）、 GPRS 数据的传输。

1.3.3 语音模块

在本文设计的智能快递柜电路系统中，语音模块用于对用户进行引导和提示。由于树莓派上带有音频输出接口，所以为实现语音播报，只需外接功放和扬声器。

1.3.4 触摸屏

本文所述的触摸屏为带触摸功能的显示屏，即包括显示屏和触摸面板。

在本文所设计的智能快递柜电路系统中，显示屏重点在于可靠性，需在室外环境下长期使用。同时，尺寸也不要求很大，能满足软件界面的显示即可，因而可以考虑10.1寸以下的LCD显示器。由于树莓派上带有HDMI视频输出接口，因而可以采用HDMI接口的显示器。

触摸面板种类很多，对于本文所设计的智能快递柜电路系统，主要考虑的因素是成本和可靠性，因而可以采用五线电阻屏。关于硬件的连接，树莓派上带有USB接口，可以直接将电阻屏驱动板和树莓派通过USB直接连接，通过在树莓派上安装驱动实现触摸输入。

1.3.5 键盘

在本文所设计的智能快递柜电路系统中，键盘用于额外的输入设备，避免在触摸屏异常时用户无法输入。在本设计中用户的输入仅为数字，因而采用USB接口的数字键盘即可。

1.3.6 摄像头模块

随着技术的发展，用户的输入方式在很多场合已变为操作简易的“扫码”，在本文所设计的智能快递柜电路系统中，摄像头模块用于读取用户的二维码、条形码，可以直接通过“扫码”进行输入操作，使得系统的使用更为简便。

1.3.7 继电器模块

在本文所设计的智能快递柜电路系统中，继电器模块用于驱动快递柜各个货柜的电磁锁，继电器模块在电路上主要包括继电器驱动模块和继电器。

2 软件设计

本文所设计的智能快递柜软件设计包括界面设计、后台程序设计和数据库设计。

界面设计可通过QT实现，界面并不复杂，根据用户操作流程可分页设计为欢迎界面、登录界面、寄件收件界面。同时，可嵌入多媒体播放器用于播放广告。

后台程序主要包括底层驱动程序和后台数据处理程序。底层驱动程序用于树莓派对硬件电路进行操作，包括GPRS模块的串口驱动程序和继电器模块的驱动程序。后台数据处理程序可以通过中断和顺序执行结合的方式，通过中断检测键盘、触摸屏和摄像头模块，当有用户输入时进入输入界面，将用户输入的数据与数据库进行对比，根据结果通过继电器模块控制相应的柜门打开，过程中通过语音引导用户操作。在系统闲时通过GPRS模块与服务器端通信，更新本地数据库。

3 结语

智能快递柜的开发，是快递行业向互联网转型升级的重要实践，在一定程度上解决了末端配送的问题，并且可有效降低物流成本，因此，智能快递柜的发展是未来智慧社区、智慧社会发展的趋势[3]。本文所设计的基于嵌入式系统的智能快递柜，通过太阳能电池板实现节能环保，具有多种交互方式，具有一定的便利性，可为以后建立大型智能快递投递系统提供技术参考。