基于STM32单片机及NB-IoT的智能快递包裹箱设计

孙 英，汤帅鹏，赵欢欢，朱 旭，贾增虎，刘 毅，邢庆国

基于STM32单片机及NB-IoT的智能快递包裹箱设计

孙 英，汤帅鹏，赵欢欢，朱 旭，贾增虎，刘 毅，邢庆国

（河北工业大学 电气工程学院，天津 300130）

为解决快递行业存在的包装物浪费、污染和保护个人隐私问题，设计了一款可重复使用的智能快递包裹箱。箱体内采用NB-IoT模块传送信息，采用GPS模块实时记录快递的地理位置，稳压模块用于给箱体提供稳定的直流电源；箱体上采用二维码记录收发件信息；箱体外采用无线方式充电。该设计可以帮助学生掌握通信、电路、电子设计和单片机等方面的知识，提升学生的工程实践能力和创新能力。

快递包裹箱；智能快递；单片机应用；NB-IoT；GPS；二维码

近年来，我国电子商务和物流技术快速发展和不断创新，促进了国民经济的发展、方便了人民的生 活[1-2]。但是，大量的快递废弃包装物给环境保护工作带来了沉重负担[3-4]。为此，国家邮政局下发了《快递业绿色包装指南(试行)》，要求快递业坚持“标准化、减量化和可循环”的绿色包装工作目标，加强与上下游协同，逐步实现包装材料的减量化和再利用[5]。此外，快递行业在服务过程中也存在泄露消费者个人信息的问题[6]。

为解决以上问题，文献[7]设计了一种使用新型可降解材料“有机硅塑”制造、可循环利用的快递箱；文献[8]设计了一种回收装置以解决快递包裹浪费的问题。为减少快递包装物对环境的影响并防止用户个人信息的泄露，本文提出可重复利用的、保护个人信息和减少资源浪费的智能快递包裹箱研究项目。本项目为2018年河北工业大学“大学生创新创业训练计划”项目并获得国家级立项，是本科生在学习了单片机后与其他专业学生共同设计的。该智能快递包裹箱是一款结合单片机以及NB-IoT模块来达到节能环保、循环使用、实时定位、便于装卸和分拣、保护隐私、无线充电等多功能的新型智能快递包裹箱。

1 系统总体设计方案

智能快递包裹箱实物图如图1所示。

1.1 智能快递包裹箱系统设计

智能快递包裹箱的系统设计包括实现数据采集的硬件电路部分和进行数据处理的软件部分。硬件电路设计采用模块化的设计思想，采用STM32单片机作为控制单元，功能模块包括供电电池模块、无线充电模块、稳压电源模块、GPS模块、ADC光敏模块、NB-IoT模块等。硬件电路设计框图如图2所示。

图2 硬件电路设计框图

GPS模块通过IIC协议与STM32单片机之间进行通信，将包裹箱的位置信息（经/纬度）发送给单片机；ADC光敏传感器模块通过SPI协议与单片机之间完成通信，将包裹箱的温度和湿度信息发送给单片机；单片机将包裹箱的信息进行整理后发送给NB-IoT模块，NB-IoT模块采用COAP协议与云端对接，将包裹箱的信息发送至云端并完成数据备份。当包裹箱到站后，系统将接收包裹的位置信息并自动向用户发送信息。每个包裹箱都配有无线充电模块，为包裹箱内的电池提供电能，以此保证对包裹箱电量的供给。

软件部分采用HTML CSS JAVASCRIPT进行编写，网络平台界面主要包括注册功能、GPS定位功能、查找功能、添加包裹、温湿度信息实时显示功能以及数据备份等功能。包裹信息的数据传送过程如下：

（1）将信息发送到PC端，串口助手将接收到的数据流转向文件；

（2）PC运行的中继程序实时监听数据文件内容的变化，将文件上传到网站根目录中；

（3）将上传到站点的数据文件分割，然后存入数据库中数据表的相关属性列；

（4）平台界面定时刷新数据并实时显示，由DBMS保证数据的可靠性。

1.2 智能快递包裹箱使用流程

智能快递包裹箱的使用流程如下：

（1）选取规格：快递公司按照物件的大小和客户要求选择规格适当的快递包裹箱；

（2）填写运单：客户按照要求填写电子运单，快递信息将会更新到指定包裹箱的二维码上（每个包裹箱都有唯一的二维码，箱体的6个面都可见）；

（3）获取单号：信息确定无误后，快递公司将运单号发给用户，用户可通过运单号随时查询快递件状态；

（4）包裹填充：快递公司员工将用户的物品放入包裹箱并放置填充物，填充物循环使用；

（5）分拣运送：分拣机将用户所寄包裹按不同城市进行分拣，然后向各地发送；因为每个包裹箱均可GPS定位，故用户可以实时、准确地了解自己邮件的位置信息；

（6）再分拣配送：包裹箱送达中转站后，中转站接收由包裹箱内NB-IoT模块发出的信号，此信号是包裹箱到达信号，用作信息收集与整理；包裹到达小站点后，接收器再次接收包裹箱内NB-IoT模块发出的射频信号，同时向收件方自动发送取件信息；

（7）凭号取件：用户凭手机上显示的运单号和本人手机号取件；

（8）开包验收：信息核对无误后，由站点工作人员打开包裹箱，将物品交收件人并回收包裹箱；

（9）包裹箱回收：将包裹箱回收和清理，通过扫码清除用户信息，准备再次利用。

2 硬件电路设计与测试

2.1 NB-IoT模块

窄带物联网技术（NB-IoT）属于低能耗且应用范围广的技术[9]。窄带物联网又被称为低功耗广域网。目前窄带物联网的带宽消耗已经降至180 kHz，具有大容量、高覆盖、低功耗和低成本的优点，因而在GSM网络、UMTS网络和LTE网络中都可以部署窄带物联网[10-11]。目前，移动通信已从人与人的连接扩展到人与物以及物与物的连接，万物互联已成为必然趋势[12]。本智能快递包裹箱通过NB-IoT技术将GPS模块所获得的快递包裹箱位置信息传送到后台，能耗低、环境适应能力强。NB-IoT模块采用5 V供电，每间隔15 min向外发射一次信号。STM32单片机通过串行口与NB-IoT模块相连，并控制NB-IoT模块；NB-IoT模块则与网络端相连，实现双向透明传输。NB-IoT模块接线端子如图3所示。

图3 NB-IoT模块端子图

2.2 STM32单片机

STM32单片机比市场上同种类的单片机价格低、功能强、使用简单、开发方便。本系统采用STM32L476RCT6新一代单片机，具有功耗低、抗干扰能力强的特点。利用单片机对采集到的快递包裹箱实时位置、箱内温湿度等信息进行处理后，将信息通过NB-IoT无线数据发送到网络平台。

2.3 无线充电

无线充电部分采用电磁感应式充电，其核心是通过一个振荡电路在发射线圈中产生一定频率变化的交流电，其变化的电流会在线圈周围的空间产生一个变化的磁场。该变化的磁场在接收端线圈中产生感生电动势，当接收线圈部分形成闭合回路时便可以产生交变电流，再将接收端的交流电经过整流稳压之后传输给电子产品，从而实现无线充电[13]。

电磁感应式充电器主要由2个金属绕线环组成，一个在快递包裹箱底部，一个在充电板上。采用输入12 V/1 A、输出5 V/2 A的无线充电模块，属于小功率充电方式。当快递箱放在充电板上，充电指示灯亮起，快递箱开始充电。无线充电部分实物如图4所示。

图4 无线充电部分实物图

2.4 二维码

二维码的广泛应用给人们的生活和生产活动带来了极大的便利[14]。二维码可以实现对产品各项信息的存储，并且具有高密度编码、信息量大、防伪保密性好、译码及纠错能力强、制作易、成本低等优点[15]。快递包裹箱用二维码来代替传统纸质的单据，能够节约运输成本和运输资源。每一个快递包裹箱上面都有唯一的二维码，每当快递包裹箱使用时，可以将收件人和发件人的信息置入二维码中。当需要了解包裹信息时，只需扫描二维码即可。

2.5 硬件电路测试

智能快递包裹箱设计完成后，对包裹箱硬件电路进行了测试，如图5所示。首先打开包裹箱的电源，包裹箱内部硬件设备开始向网络平台传送包裹箱内部的温湿度信息和包裹箱位置信息等数据。

图5 硬件电路测试图

3 软件设计及测试

软件的设计采用模块化思想，首先进行结构设计，然后进行过程设计。

软件的结构分为登录模块、包裹信息管理模块两部分。登录模块的功能细化为登录和注册两个子功能；包裹信息管理模块的功能细化为查找包裹和包裹信息查看两个子功能。

过程设计确定每个模块的处理过程。

在进行软件测试时，首先采用白盒测试方法，覆盖标准为基本路径测试，测试无误后进入黑盒测试环节，由测试人员从用户角度对软件进行测试。

快递包裹箱的位置信息、箱内温湿度的信息通过NB-IoT传输到网络平台，网络平台将数据进行处理与分析。快递包裹箱的位置信息显示界面如图6(a)所示，位置信息由地图搭载，直观明了；温度信息和湿度信息被绘制成折线图，以线图的形式提供给客户，让用户了解快递包裹箱内温度/湿度的变化情况，如图6(b)图6(c)所示。此外，软件系统配有数据备份功能，方便对信息的调取。

图6 快递包裹箱的信息显示界面

4 结语

本文设计的智能快递包裹箱使用二维码代替传统的纸质单据，不但能较好地保护用户的隐私，而且能在一定程度上减少快递包装物对环境保护的压力，提高快递的效率。箱体采用无线充电方式，也使得充电方式快捷、简单。

该设计项目应用于高校学生创新实践环节，充分利用STM32单片机和窄带物联网技术NB-IoT模块，将硬件和软件相结合，帮助学生掌握通信、电路、电子设计和单片机技术等方面的知识，激发学生的学习兴趣，提升学生的工程实践能力和创新能力。

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Design of intelligent express packing box based on STM32 SCM and NB-IoT

SUN Ying, TANG Shuaipeng, ZHAO Huanhuan, ZHU Xu, JIA Zenghu, LIU Yi, XING Qingguo

(School of Electrical Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300130, China)

In order to solve the problems of waste, pollution and privacy protection in the express industry, a reusable intelligent express package box is designed. The NB-IoT module is used to transmit information, GPS module is adopted to record the geographical position of express delivery in real time, and voltage stabilization module is used to provide the stable DC power supply for the box. The two-dimensional code is applied to record the sending and receiving information on the box body, and wireless charging is used outside the box body. This design can help students to master the knowledge of communication, circuit, electronic design, SCM, etc., and improve their engineering practice and innovation ability.

express package box; intelligent express; SCM application; NB-IoT; GPS; two-dimensional code

TP368.1

A

1002-4956(2019)10-0148-04

10.16791/j.cnki.sjg.2019.10.035

2019-04-02

2019-06-13

教育部高教司2018年第二批产学合作协同育人项目（201802022034）；2016-2017河北省高等教育教学改革研究与实践项目（2016GJJG022）；2018-2019河北省高等教育教学改革研究与实践项目（2018GJJG582）；河北工业大学教改项目（201704019）

孙英（1970—），女，河北乐亭，博士，副教授，主要从事电子技术教学以及电工理论与新技术研究。E-mail: sunying@hebut.edu.cn