集红外传感与GSM模块于一体的智能快递包装回收箱设计

徐涛，朱金辰，孙月，王婷，李金豪，史道玲

（安徽新华学院电子工程学院，安徽合肥，230088）

0 引言

在物流行业飞速发展的背景下，“垃圾分类”已成为新时代的热点。根据相关法律法规要求，2025年底前全国地级及以上城市将基本建成垃圾分类处理系统。而快递包装带来的污染与浪费问题日益严峻[1]。因此，在分类回收背景下如何让快递包装“绿”起来，已成为亟待解决的问题。

基于此，为有效提高快递包装回收率，降低回收成本，实现快递包装绿色回收和循环利用，一款具备多功能区域的智能化回收的智能快递包装回收箱便应运而生。该智能快递包装回收箱由显示屏区、快递包装投放口、拆解胶带工作区、压缩区、存储区等五部分组成，其设计更符合当前结合“互联网+”模式的智能分类回收市场需求，遵循在可持续发展理念下发展绿色物流的原则。该智能快递包装回收箱功能区域分工明确，不仅能够有效实现快递包装分类回收，且工作效率高，无需用户花费很长时间去等待，实用性较强。该回收箱无论是用于快递回收站还是物流相关企业，都能够带来经济效益，促进快递业朝着“绿色、环保”的方向转型升级，其中蕴含的市场价值与前景不可估量[2-3]。

1 系统功能设计

智能快递包装回收箱通过融合红外传感器与GSM模块等多设备将工作区域分为显示屏区、快递包装投放口、拆解胶带工作区、压缩区、存储区五大功能区域。为达到智能化、自动化的管理运行效果，软、硬件设计相互协调、相辅相成。回收箱的硬件装置在电源供给条件下正常运作，再利用WIFI+GSM模块来实现用户和工作人员的实时登录及信息传递。用户在使用过程中通过RS485通信接口与WIFI模块的作用可以进行个人积分信息查询以及实现现金兑现等相关操作。同时LED系统的控制核心也利用微处理器来进行控制，实现智能化照明调节。系统组成框图如图1所示。

图1 智能快递包装回收箱系统设计框图

由于快递包装回收站的空间有限，将快递包装回收区与存储区设置成紧密分布的布局；为提高回收量，将投放口设置到拆解胶带区的正上方；根据右手就近原则将投放口及拆解胶带区设置在显示器区的右侧。回收箱可通过红外传感器、红外对管、PVC检测器与其他设备对用户投放的不同规格的快递包装进行拆解、压缩、分类。回收箱另外利用红外对管、STM32单片机、低电平信号接收器、GSM模块等器件组合成存储区域存储量监控系统，对智能快递包装回收箱存储情况进行实时监督，一旦存储区容量达到80%，则自动提醒工作人员对回收箱内的快递包装进行清理。

2 系统软硬件设计

智能快递包装回收箱为尽可能的容纳五个功能区域并提升存储利用率，其设计外形为长4米、宽1米、高2米的长方形。整体装置供电系统主要由单晶硅太阳能板、数显控制器及硅能蓄电池组成，其中数显控制器用来保护电瓶防止过充过放。阳光充足时，太阳能板通过控制器给蓄电池充电，同时蓄电池为系统各部件供电。夜间或阳光较弱时，则由蓄电池直接使用白天存储的电能进行供电，体现出了遵循节能、绿色创新设计理念。

智能快递包装回收箱采用模块化设计，日常工作中即使某模块出现问题，也只需针对性的进行修理或调换模块，不会影响其他子系统的工作状态。系统模块主要包括液晶显示屏、红外传感器、PVC检测器、STM32单片机、低电平信号接收器、红外对管、GSM模块、LED灯、步进电机、T型丝杆线性直线导轨滑台、光敏模块、4×4矩阵模块、分解传感器、压缩传感器等。为了区分用户与工作人员，智能快递包装回收箱工作区域的显示屏区界面有不同的登陆角色选项，用户登陆则可以进行相关操作积分累计或兑现现金等相关服务，而工作人员登陆则能够实现对回收箱的操作控制，方便其对存储区域快递包装的高效处理。系统装置内外观分别如图2、图3所示。

图2 智能快递包装回收箱外观

图3 智能快递包装回收箱内观

回收箱的电能主要由太阳能板供应，各项传感器对所投纸盒进行检测，将信号送给芯片以实现步进电机带动旋转装置、推拉装置实现快递的定向运动，使快递运转并准确分类到对应的存储箱中。其控制核心为STM32单片机，机电传动装置是回收箱运作的核心组成部分，丝杠选择带有42型步进电机，有效行程为400mm的T型丝杆线性直线导轨滑台。当投投放的快递包装经过红外传感器识别后，检测的低电平信号传输给STM32，再由STM32控制电机带动转盘运作到对应的桶位置，最后STM32控制电机转动带动丝杠将快递包装传送到下一功能区域处，之后丝杠将自动返回原来位置。通过对智能快递包装回收箱整体机械机构的合理设计，灵活的将对管红外传感器、PVC检测器与GSM模块的体积缩小，实现快递包装存储区域的容量最大化，同时结合存储区域监控系统，实时能与工作人员取得联系，达到高效率处理速度的智能化管理。

此外，回收箱还结合多个子系统来实现多区域的自动化。其中分类检测子系统使用PVC检测传感器来确定包装是否为聚氯乙烯材质的胶带及快递外包装袋，为后续拆解流程做准备；通过红外传感网来识别快递包装是否完整，以实现可利用与不可利用的分类存储；短信反馈子系统主要利用红外对管检测可利用与不可利用存储区域内的容量是否满80%，STM32端口负责接收低电平信号，GSM模块负责发送消息联系工作人员实现智能化管理；照明调节子系统主要由ARM系列微处理器STM32控制，解决光线不足情况下的补光效果；机械控制子系统的检测系统单片机通过串口通讯将检测的类别信息传输给驱动单片机 STM32，驱动单片机发送指令控制步进电机，配合电机驱动器提供良好的电流和细分来驱动电机工作。

回收箱工作流程如图4所示。用户投放快递包装先由分类检测子系统通过PVC检测传感器来确定快递是否为聚氯乙烯材质的胶带及快递外包装袋，当PVC检测器工作时，识别到该物体为塑料类物品，在拆解区时，会在自动化分解机的作用下将快递包装拆解为包装盒与胶带两部分，在步进电机的作用下，左传送带将其运往检测区域。随后进行红外传感网识别，若包装纸箱不可利用则经过左传送带送至不可利用区域，若识别可利用，则将在STM32端口的作用下使剩余的快递包装箱继续往前工作，当纸材包装接近红外传感器前方探头时，其内部的常开开关闭合，使继电器通电，其继电器常开开关闭合形成回路，经过 STM32 单片机处理，STM32 端口发出一个低电平信号。该端口连接一个低电平信号接收器，当低电平信号发出后，接收器接收到低电平信号，启动红外传感网，识别包装纸箱是否完好，若完好则在右传送带的作用下传至压缩区，近而进行压缩程序。反之，若包装纸箱识别破损或者不属于可利用快递包装材料则左传送带启动运作。这样则根据快递包装盒是否完好对其进行了分类，经过传送带右端则进入可利用区域，左端则进入不可利用区域。整个系统末端将会对应的通过足够大的传送带运往可利用存储区域与不可利用存储区域。

图4 智能快递包装回收箱主流程设计

当存储区域容量达到80%时，则压缩的快递包装会将红外对管遮挡，此时STM32 单片机将接收到一个低电平信号，经处理，向GSM模块发送一个信号，在GSM模块发送消息后由工作人员对回收站内快递包装进行清理。为了防止投放快递时，红外传感器的对射被挡住，发送一个错误讯息，所以设计时，红外传感器被挡住时间超多5秒，STM32单片机才会给GSM模块发出指令。

3 结束语

智能快递包装回收箱的设计是“绿色物流”新时代背景下的产物，相信本设计无论是在完善快递包装分类回收渠道上，还是在实现设备的自动化和智能化回收方面或多或少具备一定的参考价值。在国家政策支持与互联网、供应链理论发展的基础下，智能化分类回收必将是未来深入研究的对象之一[4-5]。所以，在快递包装带来的污染与浪费问题日益严峻的情形下，如何有效地引导人们参与到这场全民“垃圾分类”战役当中是决胜的关键！智能快递包装回收箱的设计或许只是个开端，但国家倡导的走可持续发展道路，主张促进绿色物流发展的新理念永远不会过时，我们每个人都应当努力开发自己的创新思维，为绿色物流的发展贡献自己的一份力量。