基于STM32F103 的智能快递分拣系统设计

杨 丽 范江波

(三门峡职业技术学院电气工程学院，河南三门峡 472000)

目前我国快递数量在逐年剧增，中小城市的小型快递公司也越来越多，各个快递公司业务中的首要环节就是快递分拣业务。而如何快速进行包裹的分拣，是快递公司提高效率的重中之重，为解决人工分拣中的速度慢、效率低、容易出错问题，现有很多智能快递分拣系统结构复杂、功能庞大，尤其是昂贵的价格导致很多小型快递公司无力购置[1-4]，本项目针对快递行业中中小城市的小型快递公司需求，设计了一款基于STM32F103 微处理器的智能快递分拣系统，主要实现包裹信息的识别、检测、自动分选功能，目的在于提高快递公司分拣快件的效率。

1 系统组成

小型智能快递分拣控制系统主要由主机控制系统和若干个分拣控制模块组成，主机控制系统包括STM32F103 处理器、迪文串口屏以及读码器、通信模块组成。分拣控制模块包括STM32F103 处理器、红外传感及快件分拣电机驱动电路组成，系统整体框图如图1 所示。

图1 智能快递分拣系统组成

本系统工作时由工作人员将快件放置在传送带上，由传送带将快件送至主机控制模块的读码器下方，读码器首先读取快件信息，然后将快件要分拣的信息进行记录并显示到串口彩色屏上，并利用通信模块将相应的快件信息发送至计算机主机进行记录和数据保存。该快件在传送带上继续移动，当经过快件分拣口时，红外感应传感器会将该快件的位置信息通过RS485 通信总线发送至主机控制模块，由主机控制模块对该快件的记录信息进行计算和分析，并给出是否由该分拣控制模块完成对应的分拣处理，如果是该分拣口的快件，主机控制发送信息给该分拣控制模块，驱动电机转动将该快件推送至该区域，如果不是该分拣口的快件，则该快件会继续前行，直至相应的分拣口完成分拣处理。在完成一个分拣处理后，对应分拣处理模块会将处理完成信息发送至主机控制模块以及计算机上位机系统。

2 智能快递分拣系统硬件电路设计

智能快递分拣系统硬件主要完成快件的信息检测以及采集信息、处理信息的显示和快件位置检测、快件分拣功能，快件信息扫描采用串口输出的二维码通用扫描器，利用RS232 接口将信息传送给主控制处理器，经过主控处理器的信息分析和处理后将信息发送至PC 主机和串口模式的彩色显示触摸屏及各个子控制模块实现快递分拣。

2.1 快件扫描识别模块

为方便系统功能扩展和信息识别方式选择，在本设计中选用了7200 二维码扫描平台。该扫描器可扫描各种一维/二维码，能够多种模式中进行切换，能够满足不同的扫描环境使用要求，自动感应且360 度扫描无盲区，保证在快递分拣时能够准确无误地完成快件信息的扫描，同时该扫描器的输出方式具备USB 和RS232 串口通信两种模式，可以方便地进行切换，为今后系统的升级改造预留接口。

2.2 串口屏显示模块

快件分拣系统的信息显示使用迪文公司的串口屏，主控处理器STM32F103C8T6 通过串行口TX、RX 与显示屏进行通信，通过交互数据完成显示屏上扫描快件的信息以及处理的信息显示，在本系统设计中通过迪文串口屏的电平跳线，设置通信接口方式为RS232 电平，波特率定义为115200bps，方便后期的系统集成使用。控制系统上的RS232 接口电路设计如图2 所示。

图2 RS232 通信电路

2.3 红外感应检测电路设计

在快递分拣系统中选用欧姆龙小型漫反射型E3Z-LS63 红外传感器完成快件的位置检测，该传感器抗干扰能力强、不受外界物体颜色和形状影响。当快件在流水线上移动到传感器检测范围内时，传感器返回低电平信号，传感器上的橙色指示灯被点亮，表明在该位置检测到快件。E3Z-LS63 传感器的内部结构如图3 所示，模块采用集电极开路输出方式，输出信号线通过上拉电阻，然后接到STM32F103C8T6 处理器的IO 口。

图3 红外感应检测电路

2.4 RS485 通信电路设计

快递件的位置信息通过各个子模块进行检测，并将检测到的信息传送到主控模块，由主控模块将快递件的信息合并后发送到各个控制输出的子模块，由各个子控制模块根据检测数据分拣各个快递件。在整个快递分拣系统中，为了便于通信和扩展快递分拣系统规模，系统的主控制器和各个分拣控制器之间通过RS485 进行通信，智能快递分拣系统采用这种分离的模块化设计，使整个快递分拣系统在小城市快递公司的分拣中更容易使用和推广。控制器采用MAX485CPA 芯片完成RS485 通信，RS485 通信的传输距离可以达到1000m 以上，传输最高速率可以达到10Mbps，接口采用差分接收和平衡驱动方式，具有很强的抗干扰性能，非常适合在快递分拣系统中建立通信[5]。系统各个控制器中的RS485 电路设计如图4 所示。

图4 RS485 通信电路

2.5 分拣驱动电路设计

模块化设计的整个系统中另一个重要环节是系统将检测到位的快递件通过电机或者气动装置推入分拣轨道，控制输出的子模块核心处理器仍然采用STM32F103C8T6 芯片，核心处理器电路不变，增加电机输出控制电路、LED 动作指示灯及继电器输出接口，便于后期选用不同的分拣模式。继电器输出电路采用光耦隔离，避免设备动作时产生的干扰信号影响处理器，电机控制及继电器输出驱动电路设计如图5 所示。

3 智能快递分拣系统软件设计

3.1 系统软件整体结构

智能快递分拣系统的程序包括主控模块程序和子控模块程序两个部分，两个程序之间通过RS485-Modbus 协议通信，协调完成快递分拣任务。主控模块程序主要实现快递件的信息扫描及扫描信息显示和数据输出发布，子控模块程序主要实现快递件位置检测，并将检测到信息发送给主控模块，提供主控模块对快递件位置信息的发布以及协调子控模块实现快递件的分配。

图5 分拣驱动电路

智能快递分拣系统的主模块主要是实现对快递件的条码进行识别，并根据识别的条码信息判断出该快递件应该分拣到哪个区域，然后根据各个子控模块发送回的快递件到位信息，分析并判断快递件的位置信息，然后修改快递件数组信息，并实时显示每个快递件已到达的位置。在快递件到达对应位置时，发送命令给对应子模块将快递件从传送带推送至相应的分拣区域，完成快递的分拣任务。主控程序首先针对STM32F103芯片内部资源进行初始化、LCD 显示屏初始化等，然后通过中断方式读取条码扫描器的串口数据生成数据库，将通过485 接收到的其他子模块发送的信息合成修改数据库数据。最终发送相应的命令给子模块。系统软件结构如图6 所示。

3.2 快件扫描识别程序设计

智能快递分拣系统中关键部分是准确获取快递件的相关信息，只有准确获取快递件信息和快递件在分拣通道的精确位置，主控才能发出将快递包裹推送到对应的分拣区域中。系统选用二维码与条形码一体化扫描器，扫描后串口直接输出条形码信息，条形码识别数据接收部分代码如下。

图6 系统软件结构框架

3.3 RS485 通信接口程序设计

一般工业现场情况复杂，尤其是电磁干扰及电源干扰现象严重，采用RS485 来进行通信可以有效解决共模干扰问题。工业现场Modbus 总线通信协议能较好地解决复杂情况下的通信稳定问题，Modbus 协议定义了请求访问的过程及回应方式、侦错机制和消息内容等[6]。Modbus 的通信方式有ASCII 模式和RTU 模式两种。在本系统中使用RTU 模式。其数据格式如表1 所示。

表1 Modbus 协议RTU 模式数据格式

3.4 串口屏驱动程序设计

迪文串口屏的DGUS 软件采用应用任务式管理，首先设计好串口屏上的快递分拣系统的数据显示内容格式及位置信息，在工作时串口屏从STM32F103 的串口获取相应的条形码信息及快递包裹位置信息存入数据对应位置中，DGUS 系统将数据刷新到LCD 屏相应的显示区域[7]。当工作人员在屏幕上操作时，LCD 通过串口将对应操作信息发送给微处理器，由微处理器对操作信息进行处理。

4 测试数据分析与处理

本项目对比分析了各类快递分拣系统实现方法的优劣，结合企业实际情况，认真筛选了项目所需元器件、测量传感器以及通信模块，设计完成了智能快递分拣系统，针对智能快递分拣系统测试进行了快递包裹识别、快递包裹分拣测试。测试界面如图7 所示。

图7 智能快递分拣系统测试界面

首先，利用计算机和主控系统模块，针对不同快递包裹进行条码读取和分析，并将对应的包裹信息及分拣目的地信息发送到计算机平台，在迪文串口屏上将对应信息进行显示，测试结果表明信息检测部分功能完全正常。其次利用小型传送带，模拟进行快递分拣，设置分拣区域4 个，快递包裹数量设置18 个，利用系统进行模拟测试，测试结果表明全部分拣正确，功能基本完成。

通过测试结果分析，该智能快递分拣系统基本实现了预定的设计目标，能够将快递包裹进行自动分拣。

5 结论

本项目从解决快递业急剧增加的快递分拣难题出发，就现有快递分拣系统的功能组成以及优缺点进行分析，结合本地快递业实际情况，走访了大量的快递公司和业务人员，根据目前中小城市小型快递公司对于快递分拣业务的实际需求，设计完成了智能快递分拣系统的硬件设计、软件设计及系统分析。实现了低成本、高性能的智能快递分拣包裹的功能。