安會，馬紅靜，王津津，劉保慶，孟海波

（石家莊郵電職業(yè)技術(shù)學院，河北石家莊， 050021）

0 引言

在20世紀80年代，中國迎來了快遞產(chǎn)業(yè)，經(jīng)營的業(yè)務(wù)范圍也在擴大。20世紀90年代后，電商迅速發(fā)展，人們購買貨物的種類也從當初的單一化發(fā)展為多樣化，貴重、批量、個性的物品豐富了快遞寄托物的種類，并且對于貨物的送達時間有了更高的要求。

目前，在郵政快遞及網(wǎng)約配送行業(yè)快速發(fā)展的過程中，很多人非?？春每爝f業(yè)的發(fā)展前景，疏忽了快遞業(yè)服務(wù)人員在專業(yè)化、社會化方面的培訓，都存在著與企業(yè)經(jīng)營現(xiàn)實脫節(jié)、與用戶需求不匹配、配送交通安全等一系列人才素質(zhì)匱乏問題，人才培養(yǎng)遠遠不能滿足其快速發(fā)展的需要。由于快遞行業(yè)的發(fā)展不完善，在經(jīng)營過程中略顯艱難。為此，企業(yè)做出了降低快遞成本的對策，來提高利潤。人員素質(zhì)得不到提升、快遞及配送員培訓減少、運輸貨物得不到應(yīng)有的保護。在與購買者發(fā)生的糾紛中，送達不及時、包括丟失、投遞不到位、快遞損壞以及服務(wù)態(tài)度不端正的占了大多數(shù)。便捷尋貨自動派件系統(tǒng)可以很好地規(guī)避人員派件的這些問題。既節(jié)省了時間和成本又避免了人與人之間的沖突。

1 系統(tǒng)的分析與設(shè)計

■1.1 系統(tǒng)分析

實現(xiàn)的功能：通過控制終端輸入對應(yīng)的編號實現(xiàn)相應(yīng)的被控制節(jié)點發(fā)出聲光的提示。

控制終端：可以進行操作的顯示，相應(yīng)編碼的輸入與刪除和確認，可接入局域網(wǎng)絡(luò)進行通信。

控制節(jié)點：控制LED的亮滅，蜂鳴器發(fā)聲和停止，可以支持更改節(jié)點參數(shù)，可以接入局域網(wǎng)絡(luò)并接受局域網(wǎng)絡(luò)的信息。系統(tǒng)框架圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架圖

■1.2 系統(tǒng)設(shè)計

1.2.1 通信方式的選擇

常用的通信方式主要有WiFi，藍牙、ZigBee、LORA、NB-IoT、2G、4G、5G等蜂窩通信等。

WiFi具有無線電波覆蓋范圍廣、速度快、不需要布線、可不受布線條件的限制的特點，最大的缺點就是功耗高。故這樣的大功耗明顯是不適應(yīng)于尋貨系統(tǒng)設(shè)計的，并且也不需要如此高的功耗。

ZigBee技術(shù)主要應(yīng)用在短距離范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)傳輸速率不高的電子設(shè)備之間也可以使用ZigBee。具有短距離、低功耗、低成本、時延短、網(wǎng)絡(luò)容量大、可靠性以及安全性高等特點。ZigBee如果應(yīng)用本系統(tǒng)，成本高，網(wǎng)絡(luò)的連接數(shù)量比較少，想要增加數(shù)量十分的麻煩。

NB-IoT使萬物互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個重要的分支，它構(gòu)建與蜂窩網(wǎng)絡(luò)，大約消耗180kHz的帶寬，2G、3G、4G、5G網(wǎng)絡(luò)上實現(xiàn)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的服用，降低成本，平滑升級。相對于WiFi、ZigBee等技術(shù)，NB-IoT具有低功耗、低成本、強聯(lián)接、廣覆蓋的優(yōu)點。

隨著LORA的不斷發(fā)展，LORA設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)部署不斷增多，相互之間會出現(xiàn)一定的頻譜干擾；LORA在布設(shè)過程中，需要用戶自己組建網(wǎng)絡(luò)；LORA傳輸數(shù)據(jù)有效負載比較小，有字節(jié)限制。故LORA不適合本系統(tǒng)的設(shè)計。

藍牙模塊芯片體積較?。凰{牙模塊功耗較低；藍牙可以傳輸語音的同時傳輸數(shù)據(jù)，支持異步數(shù)據(jù)信道、三路語音信道以及異步數(shù)據(jù)與同步語音同時傳輸?shù)男诺?；藍牙的抗干擾能力很強；可以建立臨時性的對等聯(lián)接。

通過以上特點可以看出，藍牙相對于此系統(tǒng)來說是比較合適的，但是這個連接數(shù)量比較少，好在有藍牙Mesh網(wǎng)絡(luò)是用于建立多對多設(shè)備通信的低能耗藍牙（Bluetooth Low Energy，也稱為Bluetooth LE）新的網(wǎng)絡(luò)拓撲。理論上支持的連接最大數(shù)量是65536個。

1.2.2 芯片選型

芯片選型主要包括通信模塊的選擇和控制終端。

通信模塊的選擇：使用的是JDY-24M，價格合理，重要的是功能十分的強大，資料全面，提供了很多擴展的實例，支持后續(xù)上面的功能擴展。

控制終端的芯片選擇：使用的是STM32F103C8T6，它和藍牙模塊的電平兼容，是一款32位M3系列LQFP-48 單片機，性價比很高的ARM單片機，而且應(yīng)用廣泛，程序安全性高，功耗低。

■1.3 藍牙MESH網(wǎng)絡(luò)介紹

藍牙Mesh技術(shù)是一種組網(wǎng)方式。要了解藍牙Mesh，首先要了解Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。Mesh網(wǎng)絡(luò)也稱為“多跳網(wǎng)絡(luò)”，或者“網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)”。Mesh網(wǎng)絡(luò)的每一個節(jié)點都可以作為AP和路由器，通訊時，當某個節(jié)點損壞或者堵塞時，可以自動繞過該節(jié)點，重新選擇路徑達到目的地，可以讓網(wǎng)絡(luò)更高效可靠。

2 詳細設(shè)計與功能的實現(xiàn)

■2.1 被控制節(jié)點的制作

芯片的供電電壓為：1.8～3.6V，使用OUTPUT5進行輸出控制LED和蜂鳴器。不可將IO引腳直接驅(qū)動LED和蜂鳴器。由于使用的是插件三極管S8050，按照電路圖制作好被控制節(jié)點，引出串口，配置藍牙參數(shù)。實物圖中留有串口排插封裝，發(fā)送節(jié)點不需要在焊接在洞洞板上，焊接好排插后，直接使用杜邦線連接到USB轉(zhuǎn)TTL上面連接串口助手。被控節(jié)點原理圖和PCB圖如圖2和圖3所示。

圖2 被控節(jié)點原理圖

藍牙模塊：將串口引腳引出來，方便后期做出更改參數(shù)和升級固件，還能通過串口檢測異常情況。還stat引腳連接了出來方便查看配網(wǎng)情況。

示燈、蜂鳴器：IO引腳通過三極管放大驅(qū)動指示燈和蜂鳴器，預留外接LED的接口。

電源與接口電路：使用LS1117穩(wěn)壓三極管。為了使藍牙模塊工作在最穩(wěn)定的狀態(tài)，在電源的輸入、輸出端放置兩顆濾波電容，通過查閱手冊得知輸出電容要使用鉭電容。鉭電容的寄生電阻大，但是陶瓷電容的性能好，而LS1117是需要利用鉭電容的寄生電阻才能穩(wěn)定工作。如果需要使用大電流大功率的電源可以使用DCDC開關(guān)穩(wěn)壓電源，更高的效率，發(fā)熱更低。

■2.2 被控制節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)配置

將硬件建立好以后，接下來建立藍牙MESH網(wǎng)絡(luò)，嘗試著控制IO引腳。首先建立藍牙網(wǎng)絡(luò)，不使用中心機，主要是設(shè)置中心穩(wěn)定性比較差，在藍牙網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點都能控制網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點的IO引腳，發(fā)送命令之前勾選發(fā)送新行，模塊的波特率是9600或者115200，首先發(fā)送AT+RESET測試一下模塊是否工作正常。第一步，配置MESH組網(wǎng)模式，發(fā)送指令AT+ROLE5，再發(fā)AT+RESTET重啟生效。第二步，配置組網(wǎng)NEITID為1122：AT+NETID 1122。第三步，配置當前設(shè)備短地址0002～FFFF之中、對應(yīng)指令AT+MADDR 0005。第四步，配置設(shè)備為路由節(jié)點：AT+MCLSS0。最后測試，將串口助手發(fā)送設(shè)置成16進制，取消發(fā)送新行，發(fā)送41 54 2b 4d 45 53 48（幀頭） 01（發(fā)送IO無應(yīng)答） 00 05（被控制設(shè)備地址） 05（控制的IO口） 01(IO的狀態(tài)）0d 0a（幀尾）表示0005設(shè)備發(fā)送IO無應(yīng)答指令，不串口輸出，IO5為高電平。

■2.3 控制終端的制作

控制終端有四個部分組成，顯示部分（使用的是LCD-1602，同時還需要通過電位器調(diào)整液晶的偏置電壓）、矩陣鍵盤（用來輸入信息和控制信號）、核心板（用來實現(xiàn)邏輯功能及流程的控制）和藍牙模塊（和所有的被控制節(jié)點進行組建網(wǎng)絡(luò)，進行數(shù)據(jù)的通信）。

其中顯示部分使用了四根數(shù)據(jù)線和三根控制信號，將一個8bit的數(shù)據(jù)分兩次傳輸，減少了引腳的使用，降低了制作成本。矩陣鍵盤使用八根信號線，四條縱軸，四條橫軸。通過依次的掃描來實現(xiàn)識別按鍵，核心板和藍牙模塊通信使用的是串口1（PA9、PA10）。

■2.4 調(diào)試程序

主要分成四個部分LCD顯示、鍵盤掃描輸入、邏輯流程控制和藍牙發(fā)送。

LCD顯示：

將要顯示的內(nèi)容封裝在二維的字符類型數(shù)組里，方便靈活的顯示。

鍵盤掃描輸入：矩陣鍵盤使用的是逐行掃描，采用的是定時器4中斷定時掃描，掃描時間是5ms。

邏程控制：鍵盤輸入的信息進行處理后顯示在屏幕上主要顯示內(nèi)容有一級菜單（open和_add），_add的二級菜單（無，添加節(jié)點的功能暫時沒有），open的二級菜單（輸入數(shù)值）open的三級菜單（打開ON和關(guān)閉 OFF，控制終端節(jié)點的狀態(tài)的功能）。

藍牙發(fā)送：藍牙模塊和核心板是通過串口進行通信的。通過User_off_on_bluetooth_terminal(）函數(shù)發(fā)送指令的。

圖4 程序執(zhí)行流程圖

■2.5 系統(tǒng)通信過程

藍牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)，采用的是多對多。它并不是路由節(jié)點，只是簡單地將消息報文在中繼廣播給附近的設(shè)備節(jié)點，以便讓數(shù)據(jù)包可以傳播到全網(wǎng)所有節(jié)點。借助中繼節(jié)點，BLE MESH 消息報文傳播距離或范圍可以遠超過BLE 通信距離，每個消息的最大生存時間TTL 是127 跳，即每個數(shù)據(jù)包最遠可以傳送到127 倍的BLE 通信距離（假如BLE 傳輸距離為40m，BLE MESH 最大傳輸距離則為5 km），設(shè)置生存的時間的原因是防止產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)風暴。

圖5顯示了三個中繼節(jié)點：Q、R、S。支持Friend feature的三個節(jié)點：N、O、P，而N沒有任何friendships。因 此，只 有O和P是Friend節(jié) 點。有5個Low Power nodes:I、J、K、L和M。節(jié) 點I、J和K的friend是P；L和M的friend是O。Nodes T僅使用GATT bearer連接到mesh網(wǎng)絡(luò)。因此，S必須將所有消息轉(zhuǎn)發(fā)給T，并且轉(zhuǎn)發(fā)T的所有消息。

圖5 藍牙MESH網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的關(guān)系圖

通過藍牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)不斷的轉(zhuǎn)發(fā)和廣播，最終每個節(jié)點都將收到信息報文。通過報文中的數(shù)據(jù)知道節(jié)點自身是否做出相應(yīng)的動作。相應(yīng)的引腳會做出高低電平的變化。最后通過三極管的放大驅(qū)動LED燈亮和滅（蜂鳴器響不響）。

3 遇到的問題及解決方法

（1）在制作終端節(jié)點時，出現(xiàn)了發(fā)送指令沒有反應(yīng)的情況。改用PCB印刷電路板，使用電腦軟件AD2020繪制PCB送工廠進行加工，問題得到了改善。

（2）首先考慮使用無線充電，但是由于成本高和制作難度，最終選用磁吸充電的方式。

（3）在調(diào)試主控制器時，遇到了字符傳輸問題。由于使用printf輸出無法傳輸ascll碼值00，但是在與模塊通信中存在，不可避免，最后使用變量控制發(fā)送的數(shù)量，問題得到了解決。