基于NFC技術(shù)的自消毒快遞柜設(shè)計(jì)

在過(guò)去幾年，電子商務(wù)的持續(xù)繁榮和新冠疫情的影響，實(shí)體行業(yè)的發(fā)展收到影響，越來(lái)越多的人選擇網(wǎng)絡(luò)購(gòu)物，使快遞行業(yè)不斷壯大。2022 年上半年快遞行業(yè)規(guī)模經(jīng)過(guò)短暫下降后又迅速回暖，呈正增長(zhǎng)趨勢(shì)，且超2021 年同期水平^[2]。但由于疫情的影響，快遞隱藏的危險(xiǎn)也逐漸暴漏。因此，一款智能快遞柜帶有消毒功能顯得尤為重要。智能快遞柜的應(yīng)用與推廣，不僅可以進(jìn)一步促進(jìn)快遞行業(yè)的發(fā)展，使得人們更為方便地取快遞，更能降低因快遞帶來(lái)的病毒傳播的風(fēng)險(xiǎn)。

本文提出一種智能快遞柜的方案，基于NFC 傳輸技術(shù)，且?guī)в凶?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/消毒">消毒功能。該方案通過(guò)智能手機(jī)NFC功能與快遞柜的單片機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，來(lái)控制柜門(mén)的開(kāi)關(guān)。柜門(mén)關(guān)閉消毒模塊線(xiàn)路閉合，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)消毒。這種方案可以實(shí)現(xiàn)用戶(hù)取快遞時(shí)操作便捷、安全系數(shù)高、且快遞經(jīng)過(guò)消毒，減少疫情感染的可能。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

現(xiàn)有的快遞柜往往需要使用微信小程序或掃碼，經(jīng)過(guò)較為繁瑣的操作才能打開(kāi)，使得一些老年人和小孩使用起來(lái)很困難，我們?cè)O(shè)計(jì)的智能快遞柜，僅用手機(jī)在相應(yīng)NFC 讀寫(xiě)區(qū)域掃過(guò)就可以打開(kāi)柜門(mén)，大大減少了操作的步驟。同時(shí)，在快遞入柜后，消毒功能自動(dòng)開(kāi)啟，對(duì)快遞經(jīng)行消毒。

對(duì)于以上功能的實(shí)現(xiàn)，根據(jù)成本和使用場(chǎng)景的考慮，設(shè)計(jì)了基于NFC 功能的自消毒智能快遞柜。本方案包含自動(dòng)消毒系統(tǒng)，柜門(mén)開(kāi)關(guān)系統(tǒng)，示意圖如下圖1 所示。自動(dòng)消毒系統(tǒng)包含水箱，微細(xì)水管，壓力傳感模塊，水泵模塊，蜂鳴器模塊等。使用酒精作為消毒劑。柜門(mén)開(kāi)關(guān)系統(tǒng)包含NFC 識(shí)別模塊，存儲(chǔ)模塊，WiFi 模塊等。

圖1 總體示意圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)本方案所擁有的自動(dòng)消毒、定時(shí)關(guān)閉消毒、NFC通信、WiFi通信等功能，硬件設(shè)計(jì)是智能快遞柜的核心內(nèi)容。本次設(shè)計(jì)采用Arduino Mega 2560 單片機(jī)作為智能快遞柜的中央處理器。該智能快遞柜的硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框架如下圖2 示。

圖2 件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框架

2.1 NFC讀寫(xiě)模塊

NFC(近場(chǎng)通信) 技術(shù)是由RFID(無(wú)線(xiàn)射頻識(shí)別)技術(shù)近年演變而來(lái)。NFC不僅能像RFID通過(guò)射頻無(wú)線(xiàn)傳輸信息，而且擁有以下特點(diǎn)：

1）傳遞數(shù)據(jù)范圍較短，用戶(hù)使用時(shí)較為安全；

2）無(wú)需多余配置和更改就可實(shí)現(xiàn)快速鏈接。在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，設(shè)備間的連結(jié)速度要快得多，而且有無(wú)電連結(jié)、不需要人工設(shè)置即可自動(dòng)連結(jié)，使得數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)非常方便；

3）具有較高的安全性。NFC 技術(shù)提供了一定的安全保障，使信息數(shù)據(jù)在設(shè)備與設(shè)備之間傳遞和共享時(shí)安全得到保障。^[3]

NFC讀寫(xiě)模塊是快遞柜與智能手機(jī)數(shù)據(jù)交互的通道。本方案將采用NFC-PN532模塊。NFC傳輸方式有主動(dòng)、被動(dòng)兩種模式。NFC終端在主動(dòng)模式下與讀卡機(jī)類(lèi)似，可對(duì)其他NFC設(shè)備進(jìn)行信息識(shí)別。NFC終端在被動(dòng)模式下與一張卡類(lèi)似，僅被動(dòng)響應(yīng)其他裝置發(fā)出的頻場(chǎng)。本方案中PN532采用主動(dòng)模式。由于PN532芯片無(wú)自帶的存儲(chǔ)功能，該模塊由PN532和主控板兩個(gè)元器件組成。引腳連接如圖3示。

圖3 PN532和主控板引腳連接

由PN532向外主動(dòng)發(fā)送電磁波，尋找智能手機(jī)的NFC信號(hào)，若具有NFC 功能的智能手機(jī)進(jìn)入該電磁場(chǎng)，PN532通過(guò)引腳（RQ）向處理器發(fā)送信號(hào)使發(fā)送電磁波行為停止，并拾取該智能手機(jī)的信息，拾取完畢后，再次通過(guò)引腳（SDA）進(jìn)行儲(chǔ)存，將儲(chǔ)存的手機(jī)數(shù)據(jù)與原數(shù)據(jù)對(duì)比，如對(duì)比成功，則打開(kāi)快遞柜柜門(mén)，若失敗則返回向外發(fā)送電磁波的程序。

PN532讀取智能手機(jī)的信息時(shí)使用ISO14443A標(biāo)準(zhǔn)讀取，取得的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存至主控板上的EEPROM（電可擦可編程只讀存儲(chǔ)器）中。^[4]

2.2 WiFi模塊

本方案使用WiFi 模塊連接互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)更新主控板EEPROM中原數(shù)據(jù)。WiFi是基于IEEE.802.11的無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)通信協(xié)議的無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)，該技術(shù)擁有普及性高，傳輸效率高，傳輸范圍廣等特點(diǎn)，本文將采用HLKRM04模塊，該模塊具有高性能集成度高的特點(diǎn)。

HLK-RM04采用嵌入式的方法，可在以太網(wǎng)、串口、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)之間任意轉(zhuǎn)換。可以使串口轉(zhuǎn)為太網(wǎng)和串口轉(zhuǎn)Client 或AP，使聯(lián)網(wǎng)直接連接因特網(wǎng)，無(wú)需網(wǎng)絡(luò)配置。并且該模塊的優(yōu)勢(shì)在于成本低廉，功能健全。在與電腦相連后，WiFi 模塊選取“WirelessAP”工作模式，并采用“TCPServer”，以帶有WIFI 功能的路由器控制為基礎(chǔ)，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)后。由WiFi 模塊發(fā)射的數(shù)據(jù)可以被計(jì)算機(jī)或手機(jī)所接受。直接接入互聯(lián)網(wǎng)后, 則可直接向互聯(lián)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)，WiFi模塊與主控板各引腳連接如圖4 示。

圖4 WiFi模塊和主控板引腳連接

2.3 壓力傳感模塊

本方案采用HX711 放大器傳感器，該傳感器自帶電源且集成度高，無(wú)需接入多余元器件就可以接入使用。壓力傳感器先將水箱中消毒液重量轉(zhuǎn)化為電壓信息直接輸出至Arduino主控芯片，主控芯片再根據(jù)算法計(jì)算得到具體重量^[5]。主控芯片與壓力傳感器連接電路圖如下圖5。

圖5 主控板和壓力傳感器連接電路圖

2.4 水泵模塊

本方案采用Arduino對(duì)繼電器直接驅(qū)動(dòng)，在接收到柜門(mén)關(guān)閉的電信號(hào)后，間接對(duì)水泵輸出信號(hào)進(jìn)行控制，原理如圖6 所示。其中IN引腳與Arduino主控芯片的D8引腳相連，在柜門(mén)關(guān)閉后會(huì)給繼電器發(fā)送一個(gè)信號(hào)，再由繼電器對(duì)水泵進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，對(duì)剛放入的快遞進(jìn)行噴灑酒精達(dá)到消毒的目的。

圖6 水泵模塊原理圖

2.5 蜂鳴器模塊

本方案將蜂鳴器模塊直接接入Arduino 單片機(jī)，輸入口接入-10 引腳，GND 接地。當(dāng)壓力傳感器檢測(cè)到水箱液體重量不足時(shí)，蜂鳴器接到信號(hào)開(kāi)始報(bào)警，提醒及時(shí)添加消毒液。

3 應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

該方案應(yīng)用程序主要分為Android手機(jī)端APP設(shè)計(jì)和云端服務(wù)器設(shè)計(jì)。用戶(hù)通過(guò)手機(jī)APP可以生成獨(dú)一的身份信息，通過(guò)NFC 技術(shù)傳輸給快遞柜，來(lái)開(kāi)啟快遞柜柜門(mén)。云端服務(wù)器主要為后端數(shù)據(jù)處理，將用戶(hù)信息發(fā)送給智能快遞柜并儲(chǔ)存，形成原數(shù)據(jù)。

3.1 Android手機(jī)端APP程序架構(gòu)

智能快遞柜APP^[6]的作用主要有：

1）生成身份碼。根據(jù)用戶(hù)注冊(cè)信息生成唯一的身份信息碼，每個(gè)用戶(hù)可將該身份碼保存至智能手機(jī)當(dāng)中和上傳至服務(wù)器中，取快遞時(shí)用戶(hù)通過(guò)使用保存有身份碼的手機(jī)掃描NFC 讀取區(qū)域，若身份驗(yàn)證成功，則打開(kāi)柜門(mén)取出快遞，若身份驗(yàn)證失敗，則提醒用戶(hù)暫無(wú)要取的快遞；

2）調(diào)用手機(jī)NFC 功能。通過(guò)程序調(diào)用手機(jī)NFC功能或?qū)⑸矸荽a暫時(shí)儲(chǔ)存至手機(jī)內(nèi)存，取出快遞后，APP接受服務(wù)器指令，關(guān)閉NFC 功能，來(lái)保護(hù)用戶(hù)隱私及安全；

3）查看快遞入柜。根據(jù)服務(wù)器下發(fā)的消息，查看快遞入柜情況。

3.2 服務(wù)器端程序架構(gòu)

云端服務(wù)器主要有用戶(hù)身份碼的儲(chǔ)存，向智能快遞柜傳輸數(shù)據(jù)，與手機(jī)端APP 數(shù)據(jù)互傳等功能。儲(chǔ)存的用戶(hù)身份碼將傳輸給智能快遞柜，并實(shí)時(shí)檢索快遞柜數(shù)據(jù)庫(kù)，更新身份碼?？爝f入柜后通過(guò)服務(wù)器向手機(jī)APP發(fā)送消息。

3.3 程序總流程

智能快遞柜通電后各系統(tǒng)進(jìn)行初始化設(shè)置，連接WiFi 網(wǎng)絡(luò)后，壓力傳感器感應(yīng)水箱消毒液是否充足，若不充足蜂鳴器報(bào)警，提醒添加消毒液。有快遞入柜后，智能快遞柜向服務(wù)器發(fā)送用戶(hù)碼數(shù)據(jù)，服務(wù)器在數(shù)據(jù)庫(kù)中檢索，若無(wú)該用戶(hù)碼信息，則為新用戶(hù)，自動(dòng)生成該用戶(hù)身份碼數(shù)據(jù)，用戶(hù)注冊(cè)時(shí)，直接將該用戶(hù)碼與該用戶(hù)信息綁定。同時(shí)，由服務(wù)器向手機(jī)APP 發(fā)送信息，通知快遞已入柜，提醒用戶(hù)取快遞?？爝f入柜后，消毒功能自動(dòng)運(yùn)行，對(duì)快遞進(jìn)行定時(shí)消毒。用戶(hù)取快遞時(shí)，打開(kāi)手機(jī)APP，點(diǎn)擊取快遞功能，將手機(jī)在NFC 讀取區(qū)域掃過(guò)，通過(guò)NFC 技術(shù)向單片機(jī)傳輸用戶(hù)信息碼，再經(jīng)比對(duì)，若一致則打開(kāi)柜門(mén)，若不一致，則提示用戶(hù)暫無(wú)可取快遞?？爝f柜工作主流程如下圖7所示，消毒子程序流程如下圖8所示，NFC識(shí)別子程序如下圖9所示，服務(wù)器工作主流程如圖10所示。

圖7 快遞柜工作主流程

圖8 消毒子程序流程

圖9 NFC識(shí)別子程序

圖10 服務(wù)器工作主流程

4 結(jié)束語(yǔ)

智能快遞柜是隨著快遞業(yè)快速發(fā)展起來(lái)的一種新事物，擁有良好的發(fā)展前景，該方案快遞柜不僅在取件流程上大幅簡(jiǎn)化。而且快遞在入柜后，快遞柜的消毒功能自動(dòng)開(kāi)啟，對(duì)快遞進(jìn)行全方位的消毒。在新冠疫情的大背景下，快捷的無(wú)接觸取件加上對(duì)快遞的自主消毒，將能讓大家安全、放心的取件。

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年7月期）