基于NFC技術(shù)的自消毒快遞柜設計

在過(guò)去幾年，電子商務(wù)的持續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 )購物，使快遞行業(yè)不斷壯大。2022 年上半年快遞行業(yè)規模經(jīng)過(guò)短暫下降后又迅速回暖，呈正增長(cháng)趨勢，且超2021 年同期水平^[2]。但由于疫情的影響，快遞隱藏的危險也逐漸暴漏。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。

本文提出一種智能快遞柜的方案，基于NFC 傳輸技術(shù)，且帶有自消毒功能。該方案通過(guò)智能手機NFC功能與快遞柜的單片機實(shí)現數據交互，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)現自動(dòng)消毒。這種方案可以實(shí)現用戶(hù)取快遞時(shí)操作便捷、安全系數高、且快遞經(jīng)過(guò)消毒，減少疫情感染的可能。

1 系統總體方案設計

現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，我們設計的智能快遞柜，僅用手機在相應NFC 讀寫(xiě)區域掃過(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，對快遞經(jīng)行消毒。

對于以上功能的實(shí)現，根據成本和使用場(chǎng)景的考慮，設計了基于NFC 功能的自消毒智能快遞柜。本方案包含自動(dòng)消毒系統，柜門(mén)開(kāi)關(guān)系統，示意圖如下圖1 所示。自動(dòng)消毒系統包含水箱，微細水管，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)系統包含NFC 識別模塊，存儲模塊，WiFi 模塊等。

圖1 總體示意圖

2 硬件電路設計

為實(shí)現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，硬件設計是智能快遞柜的核心內容。本次設計采用Arduino Mega 2560 單片機作為智能快遞柜的中央處理器。該智能快遞柜的硬件設計結構框架如下圖2 示。

圖2 件設計結構框架

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）傳遞數據范圍較短，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)現快速鏈接。在運營(yíng)過(guò)程中，設備間的連結速度要快得多，而且有無(wú)電連結、不需要人工設置即可自動(dòng)連結，使得數據傳輸數據非常方便；

3）具有較高的安全性。NFC 技術(shù)提供了一定的安全保障，使信息數據在設備與設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數據交互的通道。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)模式下與讀卡機類(lèi)似，可對其他NFC設備進(jìn)行信息識別。NFC終端在被動(dòng)模式下與一張卡類(lèi)似，僅被動(dòng)響應其他裝置發(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，尋找智能手機的NFC信號，若具有NFC 功能的智能手機進(jìn)入該電磁場(chǎng)，PN532通過(guò)引腳（RQ）向處理器發(fā)送信號使發(fā)送電磁波行為停止，并拾取該智能手機的信息，拾取完畢后，再次通過(guò)引腳（SDA）進(jìn)行儲存，將儲存的手機數據與原數據對比，如對比成功，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讀取智能手機的信息時(shí)使用ISO14443A標準讀取，取得的數據儲存至主控板上的EEPROM（電可擦可編程只讀存儲器）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中原數據。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)之間任意轉換?？梢允勾谵D為太網(wǎng)和串口轉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，設置網(wǎng)絡(luò )參數后。由WiFi 模塊發(fā)射的數據可以被計算機或手機所接受。直接接入互聯(lián)網(wǎng)后, 則可直接向互聯(lián)網(wǎng)傳輸數據，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化為電壓信息直接輸出至Arduino主控芯片，主控芯片再根據算法計算得到具體重量^[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對繼電器直接驅動(dòng)，在接收到柜門(mén)關(guān)閉的電信號后，間接對水泵輸出信號進(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，再由繼電器對水泵進(jìn)行驅動(dòng)，對剛放入的快遞進(jìn)行噴灑酒精達到消毒的目的。

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，輸入口接入-10 引腳，GND 接地。當壓力傳感器檢測到水箱液體重量不足時(shí)，蜂鳴器接到信號開(kāi)始報警，提醒及時(shí)添加消毒液。

3 應用程序設計

該方案應用程序主要分為Android手機端APP設計和云端服務(wù)器設計。用戶(hù)通過(guò)手機APP可以生成獨一的身份信息，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)器主要為后端數據處理，將用戶(hù)信息發(fā)送給智能快遞柜并儲存，形成原數據。

3.1 Android手機端APP程序架構

智能快遞柜APP^[6]的作用主要有：

1）生成身份碼。根據用戶(hù)注冊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當中和上傳至服務(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掃描NFC 讀取區域，若身份驗證成功，則打開(kāi)柜門(mén)取出快遞，若身份驗證失敗，則提醒用戶(hù)暫無(wú)要取的快遞；

2）調用手機NFC 功能。通過(guò)程序調用手機NFC功能或將身份碼暫時(shí)儲存至手機內存，取出快遞后，APP接受服務(wù)器指令，關(guān)閉NFC 功能，來(lái)保護用戶(hù)隱私及安全；

3）查看快遞入柜。根據服務(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

云端服務(wù)器主要有用戶(hù)身份碼的儲存，向智能快遞柜傳輸數據，與手機端APP 數據互傳等功能。儲存的用戶(hù)身份碼將傳輸給智能快遞柜，并實(shí)時(shí)檢索快遞柜數據庫，更新身份碼?？爝f入柜后通過(guò)服務(wù)器向手機APP發(fā)送消息。

3.3 程序總流程

智能快遞柜通電后各系統進(jìn)行初始化設置，連接WiFi 網(wǎng)絡(luò )后，壓力傳感器感應水箱消毒液是否充足，若不充足蜂鳴器報警，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)碼數據，服務(wù)器在數據庫中檢索，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)身份碼數據，用戶(hù)注冊時(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)運行，對快遞進(jìn)行定時(shí)消毒。用戶(hù)取快遞時(shí)，打開(kāi)手機APP，點(diǎn)擊取快遞功能，將手機在NFC 讀取區域掃過(guò)，通過(guò)NFC 技術(shù)向單片機傳輸用戶(hù)信息碼，再經(jīng)比對，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識別子程序

圖10 服務(wù)器工作主流程

4 結束語(yǔ)

智能快遞柜是隨著(zhù)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)接觸取件加上對快遞的自主消毒，將能讓大家安全、放心的取件。

參考文獻：

[1] 李心萍.快遞行業(yè)發(fā)展態(tài)勢回暖向好[N].人民日報,2022,7,8(8).

[2] 吳風(fēng)雨.NFC技術(shù)應用領(lǐng)域的發(fā)展[J].電子技術(shù)與軟件工程,2017(12):33.

[3] 甘國霖,張德鑫,黃杰華,等.NFC的智能門(mén)鎖設計[J].電子技術(shù)與軟件工程,2021(5):64-66.

[4] 王怡貝,喻恒.基于A(yíng)rduino的多功能測量?jì)x的設計實(shí)現[J].信息與電腦(理論版),2021,33(7):163-166.

[5] 蔡雨宏,陳湘萍.基于STM32的智能快遞柜設計[J].智能計算機與應用,2020,10(1):227-230.

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年7月期）