楊 麗 范江波

(三門峽職業(yè)技術(shù)學院電氣工程學院，河南三門峽 472000)

目前我國快遞數(shù)量在逐年劇增，中小城市的小型快遞公司也越來越多，各個快遞公司業(yè)務中的首要環(huán)節(jié)就是快遞分揀業(yè)務。而如何快速進行包裹的分揀，是快遞公司提高效率的重中之重，為解決人工分揀中的速度慢、效率低、容易出錯問題，現(xiàn)有很多智能快遞分揀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜、功能龐大，尤其是昂貴的價格導致很多小型快遞公司無力購置[1-4]，本項目針對快遞行業(yè)中中小城市的小型快遞公司需求，設(shè)計了一款基于STM32F103 微處理器的智能快遞分揀系統(tǒng)，主要實現(xiàn)包裹信息的識別、檢測、自動分選功能，目的在于提高快遞公司分揀快件的效率。

1 系統(tǒng)組成

小型智能快遞分揀控制系統(tǒng)主要由主機控制系統(tǒng)和若干個分揀控制模塊組成，主機控制系統(tǒng)包括STM32F103 處理器、迪文串口屏以及讀碼器、通信模塊組成。分揀控制模塊包括STM32F103 處理器、紅外傳感及快件分揀電機驅(qū)動電路組成，系統(tǒng)整體框圖如圖1 所示。

圖1 智能快遞分揀系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)工作時由工作人員將快件放置在傳送帶上，由傳送帶將快件送至主機控制模塊的讀碼器下方，讀碼器首先讀取快件信息，然后將快件要分揀的信息進行記錄并顯示到串口彩色屏上，并利用通信模塊將相應的快件信息發(fā)送至計算機主機進行記錄和數(shù)據(jù)保存。該快件在傳送帶上繼續(xù)移動，當經(jīng)過快件分揀口時，紅外感應傳感器會將該快件的位置信息通過RS485 通信總線發(fā)送至主機控制模塊，由主機控制模塊對該快件的記錄信息進行計算和分析，并給出是否由該分揀控制模塊完成對應的分揀處理，如果是該分揀口的快件，主機控制發(fā)送信息給該分揀控制模塊，驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動將該快件推送至該區(qū)域，如果不是該分揀口的快件，則該快件會繼續(xù)前行，直至相應的分揀口完成分揀處理。在完成一個分揀處理后，對應分揀處理模塊會將處理完成信息發(fā)送至主機控制模塊以及計算機上位機系統(tǒng)。

2 智能快遞分揀系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

智能快遞分揀系統(tǒng)硬件主要完成快件的信息檢測以及采集信息、處理信息的顯示和快件位置檢測、快件分揀功能，快件信息掃描采用串口輸出的二維碼通用掃描器，利用RS232 接口將信息傳送給主控制處理器，經(jīng)過主控處理器的信息分析和處理后將信息發(fā)送至PC 主機和串口模式的彩色顯示觸摸屏及各個子控制模塊實現(xiàn)快遞分揀。

2.1 快件掃描識別模塊

為方便系統(tǒng)功能擴展和信息識別方式選擇，在本設(shè)計中選用了7200 二維碼掃描平臺。該掃描器可掃描各種一維/二維碼，能夠多種模式中進行切換，能夠滿足不同的掃描環(huán)境使用要求，自動感應且360 度掃描無盲區(qū)，保證在快遞分揀時能夠準確無誤地完成快件信息的掃描，同時該掃描器的輸出方式具備USB 和RS232 串口通信兩種模式，可以方便地進行切換，為今后系統(tǒng)的升級改造預留接口。

2.2 串口屏顯示模塊

快件分揀系統(tǒng)的信息顯示使用迪文公司的串口屏，主控處理器STM32F103C8T6 通過串行口TX、RX 與顯示屏進行通信，通過交互數(shù)據(jù)完成顯示屏上掃描快件的信息以及處理的信息顯示，在本系統(tǒng)設(shè)計中通過迪文串口屏的電平跳線，設(shè)置通信接口方式為RS232 電平，波特率定義為115200bps，方便后期的系統(tǒng)集成使用?？刂葡到y(tǒng)上的RS232 接口電路設(shè)計如圖2 所示。

圖2 RS232 通信電路

2.3 紅外感應檢測電路設(shè)計

在快遞分揀系統(tǒng)中選用歐姆龍小型漫反射型E3Z-LS63 紅外傳感器完成快件的位置檢測，該傳感器抗干擾能力強、不受外界物體顏色和形狀影響。當快件在流水線上移動到傳感器檢測范圍內(nèi)時，傳感器返回低電平信號，傳感器上的橙色指示燈被點亮，表明在該位置檢測到快件。E3Z-LS63 傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3 所示，模塊采用集電極開路輸出方式，輸出信號線通過上拉電阻，然后接到STM32F103C8T6 處理器的IO 口。

圖3 紅外感應檢測電路

2.4 RS485 通信電路設(shè)計

快遞件的位置信息通過各個子模塊進行檢測，并將檢測到的信息傳送到主控模塊，由主控模塊將快遞件的信息合并后發(fā)送到各個控制輸出的子模塊，由各個子控制模塊根據(jù)檢測數(shù)據(jù)分揀各個快遞件。在整個快遞分揀系統(tǒng)中，為了便于通信和擴展快遞分揀系統(tǒng)規(guī)模，系統(tǒng)的主控制器和各個分揀控制器之間通過RS485 進行通信，智能快遞分揀系統(tǒng)采用這種分離的模塊化設(shè)計，使整個快遞分揀系統(tǒng)在小城市快遞公司的分揀中更容易使用和推廣?？刂破鞑捎肕AX485CPA 芯片完成RS485 通信，RS485 通信的傳輸距離可以達到1000m 以上，傳輸最高速率可以達到10Mbps，接口采用差分接收和平衡驅(qū)動方式，具有很強的抗干擾性能，非常適合在快遞分揀系統(tǒng)中建立通信[5]。系統(tǒng)各個控制器中的RS485 電路設(shè)計如圖4 所示。

圖4 RS485 通信電路

2.5 分揀驅(qū)動電路設(shè)計

模塊化設(shè)計的整個系統(tǒng)中另一個重要環(huán)節(jié)是系統(tǒng)將檢測到位的快遞件通過電機或者氣動裝置推入分揀軌道，控制輸出的子模塊核心處理器仍然采用STM32F103C8T6 芯片，核心處理器電路不變，增加電機輸出控制電路、LED 動作指示燈及繼電器輸出接口，便于后期選用不同的分揀模式。繼電器輸出電路采用光耦隔離，避免設(shè)備動作時產(chǎn)生的干擾信號影響處理器，電機控制及繼電器輸出驅(qū)動電路設(shè)計如圖5 所示。

3 智能快遞分揀系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)軟件整體結(jié)構(gòu)

智能快遞分揀系統(tǒng)的程序包括主控模塊程序和子控模塊程序兩個部分，兩個程序之間通過RS485-Modbus 協(xié)議通信，協(xié)調(diào)完成快遞分揀任務。主控模塊程序主要實現(xiàn)快遞件的信息掃描及掃描信息顯示和數(shù)據(jù)輸出發(fā)布，子控模塊程序主要實現(xiàn)快遞件位置檢測，并將檢測到信息發(fā)送給主控模塊，提供主控模塊對快遞件位置信息的發(fā)布以及協(xié)調(diào)子控模塊實現(xiàn)快遞件的分配。

圖5 分揀驅(qū)動電路

智能快遞分揀系統(tǒng)的主模塊主要是實現(xiàn)對快遞件的條碼進行識別，并根據(jù)識別的條碼信息判斷出該快遞件應該分揀到哪個區(qū)域，然后根據(jù)各個子控模塊發(fā)送回的快遞件到位信息，分析并判斷快遞件的位置信息，然后修改快遞件數(shù)組信息，并實時顯示每個快遞件已到達的位置。在快遞件到達對應位置時，發(fā)送命令給對應子模塊將快遞件從傳送帶推送至相應的分揀區(qū)域，完成快遞的分揀任務。主控程序首先針對STM32F103芯片內(nèi)部資源進行初始化、LCD 顯示屏初始化等，然后通過中斷方式讀取條碼掃描器的串口數(shù)據(jù)生成數(shù)據(jù)庫，將通過485 接收到的其他子模塊發(fā)送的信息合成修改數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)。最終發(fā)送相應的命令給子模塊。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

3.2 快件掃描識別程序設(shè)計

智能快遞分揀系統(tǒng)中關(guān)鍵部分是準確獲取快遞件的相關(guān)信息，只有準確獲取快遞件信息和快遞件在分揀通道的精確位置，主控才能發(fā)出將快遞包裹推送到對應的分揀區(qū)域中。系統(tǒng)選用二維碼與條形碼一體化掃描器，掃描后串口直接輸出條形碼信息，條形碼識別數(shù)據(jù)接收部分代碼如下。

圖6 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框架

3.3 RS485 通信接口程序設(shè)計

一般工業(yè)現(xiàn)場情況復雜，尤其是電磁干擾及電源干擾現(xiàn)象嚴重，采用RS485 來進行通信可以有效解決共模干擾問題。工業(yè)現(xiàn)場Modbus 總線通信協(xié)議能較好地解決復雜情況下的通信穩(wěn)定問題，Modbus 協(xié)議定義了請求訪問的過程及回應方式、偵錯機制和消息內(nèi)容等[6]。Modbus 的通信方式有ASCII 模式和RTU 模式兩種。在本系統(tǒng)中使用RTU 模式。其數(shù)據(jù)格式如表1 所示。

表1 Modbus 協(xié)議RTU 模式數(shù)據(jù)格式

3.4 串口屏驅(qū)動程序設(shè)計

迪文串口屏的DGUS 軟件采用應用任務式管理，首先設(shè)計好串口屏上的快遞分揀系統(tǒng)的數(shù)據(jù)顯示內(nèi)容格式及位置信息，在工作時串口屏從STM32F103 的串口獲取相應的條形碼信息及快遞包裹位置信息存入數(shù)據(jù)對應位置中，DGUS 系統(tǒng)將數(shù)據(jù)刷新到LCD 屏相應的顯示區(qū)域[7]。當工作人員在屏幕上操作時，LCD 通過串口將對應操作信息發(fā)送給微處理器，由微處理器對操作信息進行處理。

4 測試數(shù)據(jù)分析與處理

本項目對比分析了各類快遞分揀系統(tǒng)實現(xiàn)方法的優(yōu)劣，結(jié)合企業(yè)實際情況，認真篩選了項目所需元器件、測量傳感器以及通信模塊，設(shè)計完成了智能快遞分揀系統(tǒng)，針對智能快遞分揀系統(tǒng)測試進行了快遞包裹識別、快遞包裹分揀測試。測試界面如圖7 所示。

圖7 智能快遞分揀系統(tǒng)測試界面

首先，利用計算機和主控系統(tǒng)模塊，針對不同快遞包裹進行條碼讀取和分析，并將對應的包裹信息及分揀目的地信息發(fā)送到計算機平臺，在迪文串口屏上將對應信息進行顯示，測試結(jié)果表明信息檢測部分功能完全正常。其次利用小型傳送帶，模擬進行快遞分揀，設(shè)置分揀區(qū)域4 個，快遞包裹數(shù)量設(shè)置18 個，利用系統(tǒng)進行模擬測試，測試結(jié)果表明全部分揀正確，功能基本完成。

通過測試結(jié)果分析，該智能快遞分揀系統(tǒng)基本實現(xiàn)了預定的設(shè)計目標，能夠?qū)⒖爝f包裹進行自動分揀。

5 結(jié)論

本項目從解決快遞業(yè)急劇增加的快遞分揀難題出發(fā)，就現(xiàn)有快遞分揀系統(tǒng)的功能組成以及優(yōu)缺點進行分析，結(jié)合本地快遞業(yè)實際情況，走訪了大量的快遞公司和業(yè)務人員，根據(jù)目前中小城市小型快遞公司對于快遞分揀業(yè)務的實際需求，設(shè)計完成了智能快遞分揀系統(tǒng)的硬件設(shè)計、軟件設(shè)計及系統(tǒng)分析。實現(xiàn)了低成本、高性能的智能快遞分揀包裹的功能。