一 设计需求分析

1.1 问题背景

         近年来，随着电子商务的蓬勃发展，快递业务成为现代社会不可或缺的一部分^[1]。人们越来越多地依赖快递服务来满足日常生活和工作的需求。无论是在线购物、文件传递还是礼物寄送，快递都扮演着重要的角色。然而，随着快递需求的增长，传统的快递驿站面临着管理和效率方面的巨大挑战。

         在大规模的快递运营中，快递驿站需要应对许多复杂的管理问题。首先，快递包裹的分发和取件流程需要高效而准确。驿站工作人员必须快速地将包裹分发到正确的柜子，并确保用户能够方便地取出自己的包裹。然而，由于快递量大、工作繁忙，分发和取件过程常常存在混乱和耗时的情况。其次，快递的存储和定位也是一个重要的问题。驿站通常有大量的柜子和货架，如何高效地存放和定位每一个包裹成为一项挑战。当前的解决方案是使用检索码来查找包裹，但这种方法需要用户逐一在柜子中搜索，耗费时间且不便捷。

         在研究中发现快递驿站与机房之间存在着惊人的相似性。无论是机房还是驿站，它们都有许多柜子，每个柜子上存放着一些物体。在机房中，这些物体是计算机设备；而在驿站中，这些物体则是各种各样的快递包裹。这个发现激发了我们的灵感，认为可以借鉴机房的分布式管理架构，将其应用于驿站的快递管理，以提高驿站的运营效率和用户体验^[2]。

         然而，当前许多用户在驿站取快递时仍然需要耗费大量时间。他们必须通过检索码在快递柜中寻找自己的包裹，而且由于快递柜内的摆放顺序通常是乱序的，这进一步增加了取件的困难和耗时。为了解决这个问题，决定设计一种创新的方案来优化寻找快递的过程。

1.2  解决方法

         目标是提高用户在驿站取件时的效率，减少他们的等待时间，并为驿站提供更高效的快递管理方法。快递行业作为电子商务发展的重要组成部分^[3]，面临着日益增长的快递量和用户需求的挑战^[4]。传统的快递管理方式已经难以满足快速、高效的需求，因此决定通过引入创新的技术和系统设计^[5]，以改变现有的管理方式，提升快递行业的效率和用户体验。

         为了实现这一目标，计划在每个快递包裹上加贴一个NFC标签，并通过BearPi来控制NFC读卡器的方式，实现对NFC感知范围的划分。这样一来，我们可以将整个货架划分为多个区域，从而进一步细化每个快递物品所在的位置。当用户需要取快递时，他们只需前往指定货架的某个区域，而无需逐一检索每个柜子，从而大幅提高检索效率。通过这种划分和定位的方式，驿站工作人员可以更快速地找到用户的包裹，并将其交付给用户，从而减少用户等待时间，提高取件效率。

         除了提升驿站内部的操作效率，还意识到许多用户需要远程访问快递信息，以便随时了解其包裹的状态和位置。为满足这一需求，计划设计一个数据显示查询平台。该平台将汇集BearPi所感知范围内的所有快递信息，并通过远程访问方式供用户使用。用户可以通过登录该平台，方便地获取自己所需的数据，包括包裹的当前状态、所在位置以及预计的送达时间等。这样，用户无需亲自前往驿站或与工作人员交流，就能随时掌握包裹的情况，从而更好地安排自己的时间和行程。

         在数据显示查询平台的设计中，注重了数据的安全性。为了确保用户的隐私和快递信息的保密，引入了堡垒机的概念。这意味着在数据汇总和传输的过程中，将采取一系列安全措施来保护数据的完整性和机密性。具体而言，我们计划将数据在本地局域网内进行汇总，通过华为云交付数据显示平台进行数据传输。这样一来，我们能够减少连接外部网络的设备数量，降低数据泄露和攻击的风险，提高系统的安全性。

         通过本项目的研究与实践，希望为快递行业带来积极的变革。相信通过创新的技术和系统设计，能够改变传统的快递管理方式，提升快递行业的效率和用户体验。通过提高快递驿站的运营效率和用户体验，为用户提供了更加便捷、可靠的快递服务，促进了电子商务的发展，并为社会经济的进步做出了贡献^[6]。

二 特色与创新

2.1 优势

2.1.1 提高效率和减少等待时间

         传统的快递驿站在取件过程中，用户需要通过检索码逐一寻找快递柜，耗费大量时间。而本项目通过在每个快递包裹上加贴NFC标签，并划分NFC感知范围，将货架细分为多个区域。用户只需前往指定区域，而无需逐一检索每个柜子，大幅提高了取件效率，减少了等待时间。这对于用户来说，意味着更快速、更便捷的取件体验。

2.1.2 提供精确定位和准确信息

         通过在每个快递包裹上加贴NFC标签，并将货架划分为多个区域，我们能够实现对每个快递物品位置的精确定位。这意味着驿站工作人员可以更准确地找到用户的包裹，减少了包裹丢失或错放的情况。基于华为云设计了一个数据显示查询平台，汇集了BearPi所感知范围内的所有快递信息。用户可以通过远程访问该平台，方便地获取自己包裹的状态和位置信息。这种精确定位和准确信息的提供，有助于提升用户对快递行业的信任度和满意度。

2.1.3 远程访问和便捷查询

         基于华为云，设计了一个数据显示查询平台，为用户提供了远程访问快递信息的便利。用户无需亲自前往驿站或与工作人员交流，只需通过登录平台，就能随时获取所需的快递信息。这对于那些经常在外地或工作繁忙的用户来说，极大地提高了查询的便捷性。用户可以根据自己的需要，查询包裹的当前状态、所在位置以及预计的送达时间等信息，更好地安排自己的时间和行程。

2.1.4 数据安全和隐私保护

         注重数据的安全性。通过引入堡垒机的概念，将数据在本地局域网内进行汇总，再通过华为云交付数据显示平台进行数据传输，减少了连接外部网络的设备数量，降低了数据泄露和攻击的风险，提高了系统的安全性。用户的快递信息将受到更好的保护，隐私得到更加有效的保障^[7]。

2.2 项目创新点

2.2.1 融合NFC技术

         通过借助NFC交互技术，可以让BearPi设备能够感知到贴取了NFC Tag的众多快递，实现了智能终端与快递之间的单向发现。在发现有关快递后，即可通过读取相应Tag中的信息获取该快递的有关检索码，而检索码作为快递的主码，与快递之间是唯一对应关系，从而可以精准对应到某个指定快递上，为后续的智能操作提供了数据基础。

2.2.2 HarmonyOS与华为云交互技术

         由于参考了机房的部署方式，整个项目在实际部署上呈现出的也是一种分布式架构。借助HarmonyOS与华为云，项目中的不同设备之间的分布式数据、控制交互将会变得非常轻松。

2.2.3 堡垒机设计

         现有互联网上对于物联网设备的攻击并不少见，而物联网设备由于性能较弱，在安全性上难有较好的保障。通过设置一台堡垒机，减少整个局域网内连接外部网络的设备数量，从物理角度上减少了被攻击的可能性，之后所有的安全措施只需在这台堡垒机上进行即可，从而在实现安全性的同时，避免了大量资源的浪费。

三 功能设计

3.1 快递包裹标签化

         在每个快递包裹上加贴一个NFC标签。这个标签将包含快递的相关信息，例如包裹检索码等。通过标签化，快递包裹可以被准确地识别和追踪，为后续的管理和操作提供基础数据。

3.2 NFC感知范围划分

        将利用BearPi设备来控制NFC读卡器，实现对NFC感知范围的划分。

         NFC感知范围划分的作用主要是提高取件的效率，减少用户等待时间，使快递驿站的运营更加高效。传统的快递驿站中，柜子上的快递通常按照某种随机或固定的方式进行摆放，用户往往需要耗费大量时间来搜索自己的包裹。然而，通过将货架划分为不同的区域并使用NFC技术，能够在物理上对快递进行定位和分类，进一步细化每个快递物品所在的位置，使用户在取件时只需前往指定区域即可快速找到自己的包裹而无需逐一检索每个快递上的有关信息。这样一来，取件过程将变得更加高效、便捷，并且能够大幅减少用户的等待时间。

3.3 数据显示查询平台

         为了满足用户远程访问快递信息的需求，我们计划设计一个数据显示查询平台。该平台将汇集BearPi所感知范围内的所有快递信息，并提供远程访问接口。用户可以通过该平台随时了解自己包裹的状态和位置，而无需亲自前往驿站。

         此外，平台将汇集BearPi所感知范围内的所有快递信息，实现了集中管理和统一展示。这样一来，用户无需登录多个不同的快递公司网站或使用多个手机应用，就可以通过一个统一的平台获取所有快递的信息，提供了更加一体化的快递查询体验。数据显示查询平台的作用是提供便捷的访问方式，增加用户的便利性和满意度。

3.4 分布式架构和HarmonyOS交互技术

        采用分布式架构，借助HarmonyOS交互技术实现设备之间的数据和控制交互。分布式架构和HarmonyOS交互技术的作用是提高系统的整体效率和灵活性，实现设备之间的无缝连接和协同工作。这种架构使得系统中的不同设备可以实现高效的协作和协调。例如，当用户在数据显示查询平台上选择要取的快递时，系统会通过HarmonyOS交互技术，获取有关的商品位置并返回给有关用户。

3.5 堡垒机设计

         引入了堡垒机的概念，将其作为系统的安全控制中心。堡垒机设计的作用是提供系统的安全保护，确保用户数据和系统的稳定性。其负责汇总、处理和管理系统中的安全数据，同时控制对外部网络的连接。这样一来，我们可以减少整个局域网内连接外部网络的设备数量，降低被攻击的风险。 

四 系统实现

        项目实现功能所采用的物联网技术架构，包括NFC与BearPi之间的数据交互、BearPi设备间的M2M交互、堡垒机与华为云的交互、华为云与显示端的数据交互等内容。

        本项目对应的系统架构如图4.1所示。

图4.1 系统架构图

         BearPi2作为堡垒机，主要负责与其他所有货架上的BearPi设备进行组网，借助BearPi堡垒机的存在，其余BearPi设备此时便不再需要联网即可完成与Display端的数据交互。

4.1 NFC与BearPi之间的数据交互

         首先，为了让Bearpi设备能够获取NFC信息，需要引入额外的NFC读取模块，此处采用的是Arduino Nano+NFC读取模块的设计。通过加入Arduino Nano，可以将读取到的NFC信息进行转写，Arduino硬件连接如图4.2所示。

图4.2 Arduino硬件连接图

         在NFC Tag中，本团队写入了货物代号：2023，Arduino端读取到该编号后，通过Serial串口转发给BearPi。Arduino端代码如图4.3所示。

图4.3 Arduino读取NFC信息图

         此时，与BearPi相连的电脑通过Serial串口即可获取到Arduino端传入过来的NFC信息，电脑端Python代码与数据获取结果如图4.4所示。

图4.4 Arduino数据接收图

         当电脑获取到NFC Tag中的信息后，需要将其转入到BearPi设备中。本团队为了能够模拟更加真实的环境，采用了本地局域网内的Socket连接进行数据的传输。在获取数据后，Python端通过ip、端口号创建BearPi端对应的Socket对象以连接BearPi，代码如图4.5所示。

图4.5 连接对象图

         为使用socket传输数据，本项目还需要在BearPi端代码中定义了server_sock对象，以便与电脑端建立连接，此后通过socket接收来自电脑端的数据并打印到屏幕上，代码如图4.6所示。

图4.6 BearPi获取socket信息代码

         之后即可借助Python端创建的client_socket与BearPi端的server_sock实现socket通信，并借助client_socket.sendall函数将Arduino端的数据推送至BearPi设备中，该代码如图4.4所示。

4.2 BearPi设备间的M2M交互

         BearPi设备间的M2M交互主要是设备端与堡垒机之间的通信，这一部分同样采用本地局域网内的Socket连接数据传输。BearPi硬件如图4.7所示。

图4.7 BearPi硬件图

         BearPi设备将从4.1中获取的NFC标签信息通过socket发送给堡垒机，设备端代码如图4.8所示。

图4.8 M2M设备端代码

         堡垒机接受设备端数据代码如图4.9所示。

图4.9 堡垒机接受设备端数据代码

         将设备端的代码通过build.py进行编译，编译过程如图4.10所示。

图4.10 设备端编译图

         完成编译后将编译所得的文件烧录至BearPi设备，烧录过程如图4.11所示。

图4.11 设备端烧录图

         设备端接收到数据“2023”后，通过M2M转发给堡垒机，如图4.12所示。

图4.12 设备端运行结果

4.3 堡垒机与华为云的交互

         堡垒机负责接受设备端传输过来的数据并通过MQTT协议转发至华为云，堡垒机交互华为云部分代码如图4.13所示。

图4.13 堡垒机交互华为云部分代码

         堡垒机编译与烧录过程与设备端一致，这里不再重复。完成烧录后通过串口工具监控堡垒机，如图4.14所示。

图4.14 堡垒机工作图

         可以看到堡垒机成功接受了设备端发送的NFC标签信息，并将其转发至华为云，华为云也接受到了堡垒机上传的数据，如图4.15所示。 

图4.15 华为云消息追踪图

4.4 华为云与显示端的数据交互

         华为云上获得BearPi设备的上行NFC数据后，需要将其流转至进行显示的Display端。这一点可以通过华为云上IOTDA中的M2M操作来进行实现。

         对堡垒机对应的Product创建自定义Topic：/user/up后，该Topic同时具有发布和订阅的权限。在Display端Subscribe该Topic后，作为堡垒机的BearPi向该Topic中写入数据。此时，订阅了该Topic的Display端即可收到相关的数据信息。

         在本项目中，为了演示效果，Display端由Python中的Tkinter库进行构写。主线程中运行着主窗口函数，子线程中运行着订阅华为云Topic的功能函数与callback函数。在未获得数据前，其运行结果如图4.16所示。

图4.16  原界面图

         当子线程中获得华为云下行的NFC数据后，其会将界面数据进行更新，如图4.17所示。此时，NFC数据信息已更新至展示端。

图4.17  最终结果图

五 其他内容

5.1 经济效益优势

5.1.1 提升快递行业效率

         通过引入物联网技术和智能化管理系统，可以大幅提高快递行业的运作效率。快递驿站可以更加精确地定位和管理快递包裹，减少了人工搜索和整理的时间，提高了取件效率和准确性。用户无需逐一检索每个快递，只需前往指定区域，极大地节省了等待时间和取件过程中的混乱和错误。

5.1.2 降低人力成本

         采用物联网技术和自动化系统可以减少对人力资源的依赖^[8]。传统的快递驿站通常需要大量的人力进行快递包裹的分拣、存储和管理，而本项目中的智能系统可以自动完成这些任务，减少了人力成本。驿站工作人员可以更专注于提供更优质的服务和解决用户的问题，提升工作效率和用户满意度。

5.1.3 减少取件错误和损失

         通过NFC标签和智能化系统的使用，可以减少快递取件过程中的错误和损失。每个快递包裹都附有NFC标签，使得快递包裹能够被准确地识别和追踪，避免了包裹的丢失或交错。用户可以通过查询平台随时了解包裹的状态和位置，减少了因信息不准确而造成的取错包裹的情况，提高了用户的满意度。

5.2 成本计算

         本项目的成本主要来自BearPi硬件与NFC标签。通过给快递增加NFC标签，便于项目后续地执行。而NFC标签价格低廉，每一个NFC标签的价格约为几角钱，落地所需经费较少，非常适合本项目的后续开展环节。 其次，对于BearPi硬件而言，单个成本为数百元，相比较其他例如Zynq板等硬件设备而言价格相对较低，且真实落地后，可以与相关厂商进行合作，改装成本将再次下降。使用这种改装方式，在初次部署之后再无额外的成本，一次付费后，相关服务终生可用，性价比较好。