基于NFC技术的自消毒快递柜设计

作者：闫肃1,陈志鹏2(1.沈阳航空航天大学国际工程师学院,沈阳 110036;2.沈阳航空航天大学国际工程师学院,沈阳 110036)时间：2023-08-02来源：电子产品世界收藏

编者按：在后疫情的大背景下，人们越来越依赖于网上购物。通过对传统快递柜进行改造，可以实现不论老人小孩都可以轻松地取得快递，且在取出之前快递将进行消毒，极大程度上避免由于快递携带病毒造成的感染。本文提出了一种基于NFC技术的自消毒快递的设计方案，实现了快递的消毒功能，简便了取快递的流程。本方案包括硬件电路设计和软件设计两方案。

在过去几年，电子商务的持续繁荣和新冠疫情的影响，实体行业的发展收到影响，越来越多的人选择网络购物，使快递行业不断壮大。2022 年上半年快递行业规模经过短暂下降后又迅速回暖，呈正增长趋势，且超2021 年同期水平^[2]。但由于疫情的影响，快递隐藏的危险也逐渐暴漏。因此，一款智能快递柜带有消毒功能显得尤为重要。智能快递柜的应用与推广，不仅可以进一步促进快递行业的发展，使得人们更为方便地取快递，更能降低因快递带来的病毒传播的风险。

本文引用地址：http://www.amcfsurvey.com/article/202308/449227.htm

本文提出一种智能快递柜的方案，基于NFC 传输技术，且带有自消毒功能。该方案通过智能手机NFC功能与快递柜的单片机实现数据交互，来控制柜门的开关。柜门关闭消毒模块线路闭合，实现自动消毒。这种方案可以实现用户取快递时操作便捷、安全系数高、且快递经过消毒，减少疫情感染的可能。

1 系统总体方案设计

现有的快递柜往往需要使用微信小程序或扫码，经过较为繁琐的操作才能打开，使得一些老年人和小孩使用起来很困难，我们设计的智能快递柜，仅用手机在相应NFC 读写区域扫过就可以打开柜门，大大减少了操作的步骤。同时，在快递入柜后，消毒功能自动开启，对快递经行消毒。

对于以上功能的实现，根据成本和使用场景的考虑，设计了基于NFC 功能的自消毒智能快递柜。本方案包含自动消毒系统，柜门开关系统，示意图如下图1 所示。自动消毒系统包含水箱，微细水管，压力传感模块，水泵模块，蜂鸣器模块等。使用酒精作为消毒剂。柜门开关系统包含NFC 识别模块，存储模块，WiFi 模块等。

图1 总体示意图

2 硬件电路设计

为实现本方案所拥有的自动消毒、定时关闭消毒、NFC通信、WiFi通信等功能，硬件设计是智能快递柜的核心内容。本次设计采用Arduino Mega 2560 单片机作为智能快递柜的中央处理器。该智能快递柜的硬件设计结构框架如下图2 示。

图2 件设计结构框架

2.1 NFC读写模块

NFC(近场通信) 技术是由RFID(无线射频识别)技术近年演变而来。NFC不仅能像RFID通过射频无线传输信息，而且拥有以下特点：

1）传递数据范围较短，用户使用时较为安全；

2）无需多余配置和更改就可实现快速链接。在运营过程中，设备间的连结速度要快得多，而且有无电连结、不需要人工设置即可自动连结，使得数据传输数据非常方便；

3）具有较高的安全性。NFC 技术提供了一定的安全保障，使信息数据在设备与设备之间传递和共享时安全得到保障。^[3]

NFC读写模块是快递柜与智能手机数据交互的通道。本方案将采用NFC-PN532模块。NFC传输方式有主动、被动两种模式。NFC终端在主动模式下与读卡机类似，可对其他NFC设备进行信息识别。NFC终端在被动模式下与一张卡类似，仅被动响应其他装置发出的频场。本方案中PN532采用主动模式。由于PN532芯片无自带的存储功能，该模块由PN532和主控板两个元器件组成。引脚连接如图3示。

图3 PN532和主控板引脚连接

由PN532向外主动发送电磁波，寻找智能手机的NFC信号，若具有NFC 功能的智能手机进入该电磁场，PN532通过引脚（RQ）向处理器发送信号使发送电磁波行为停止，并拾取该智能手机的信息，拾取完毕后，再次通过引脚（SDA）进行储存，将储存的手机数据与原数据对比，如对比成功，则打开快递柜柜门，若失败则返回向外发送电磁波的程序。

PN532读取智能手机的信息时使用ISO14443A标准读取，取得的数据储存至主控板上的EEPROM（电可擦可编程只读存储器）中。^[4]

2.2 WiFi模块

本方案使用WiFi 模块连接互联网实时更新主控板EEPROM中原数据。WiFi是基于IEEE.802.11的无线局域网通信协议的无线传输技术，该技术拥有普及性高，传输效率高，传输范围广等特点，本文将采用HLKRM04模块，该模块具有高性能集成度高的特点。

HLK-RM04采用嵌入式的方法，可在以太网、串口、无线网之间任意转换。可以使串口转为太网和串口转Client 或AP，使联网直接连接因特网，无需网络配置。并且该模块的优势在于成本低廉，功能健全。在与电脑相连后，WiFi 模块选取“WirelessAP”工作模式，并采用“TCPServer”，以带有WIFI 功能的路由器控制为基础，设置网络参数后。由WiFi 模块发射的数据可以被计算机或手机所接受。直接接入互联网后, 则可直接向互联网传输数据，WiFi模块与主控板各引脚连接如图4 示。

图4 WiFi模块和主控板引脚连接

2.3 压力传感模块

本方案采用HX711 放大器传感器，该传感器自带电源且集成度高，无需接入多余元器件就可以接入使用。压力传感器先将水箱中消毒液重量转化为电压信息直接输出至Arduino主控芯片，主控芯片再根据算法计算得到具体重量^[5]。主控芯片与压力传感器连接电路图如下图5。

图5 主控板和压力传感器连接电路图

2.4 水泵模块

本方案采用Arduino对继电器直接驱动，在接收到柜门关闭的电信号后，间接对水泵输出信号进行控制，原理如图6 所示。其中IN引脚与Arduino主控芯片的D8引脚相连，在柜门关闭后会给继电器发送一个信号，再由继电器对水泵进行驱动，对刚放入的快递进行喷洒酒精达到消毒的目的。

图6 水泵模块原理图

2.5 蜂鸣器模块

本方案将蜂鸣器模块直接接入Arduino 单片机，输入口接入-10 引脚，GND 接地。当压力传感器检测到水箱液体重量不足时，蜂鸣器接到信号开始报警，提醒及时添加消毒液。

3 应用程序设计

该方案应用程序主要分为Android手机端APP设计和云端服务器设计。用户通过手机APP可以生成独一的身份信息，通过NFC 技术传输给快递柜，来开启快递柜柜门。云端服务器主要为后端数据处理，将用户信息发送给智能快递柜并储存，形成原数据。

3.1 Android手机端APP程序架构

智能快递柜APP^[6]的作用主要有：

1）生成身份码。根据用户注册信息生成唯一的身份信息码，每个用户可将该身份码保存至智能手机当中和上传至服务器中，取快递时用户通过使用保存有身份码的手机扫描NFC 读取区域，若身份验证成功，则打开柜门取出快递，若身份验证失败，则提醒用户暂无要取的快递；

2）调用手机NFC 功能。通过程序调用手机NFC功能或将身份码暂时储存至手机内存，取出快递后，APP接受服务器指令，关闭NFC 功能，来保护用户隐私及安全；

3）查看快递入柜。根据服务器下发的消息，查看快递入柜情况。

3.2 服务器端程序架构

云端服务器主要有用户身份码的储存，向智能快递柜传输数据，与手机端APP 数据互传等功能。储存的用户身份码将传输给智能快递柜，并实时检索快递柜数据库，更新身份码。快递入柜后通过服务器向手机APP发送消息。

3.3 程序总流程

智能快递柜通电后各系统进行初始化设置，连接WiFi 网络后，压力传感器感应水箱消毒液是否充足，若不充足蜂鸣器报警，提醒添加消毒液。有快递入柜后，智能快递柜向服务器发送用户码数据，服务器在数据库中检索，若无该用户码信息，则为新用户，自动生成该用户身份码数据，用户注册时，直接将该用户码与该用户信息绑定。同时，由服务器向手机APP 发送信息，通知快递已入柜，提醒用户取快递。快递入柜后，消毒功能自动运行，对快递进行定时消毒。用户取快递时，打开手机APP，点击取快递功能，将手机在NFC 读取区域扫过，通过NFC 技术向单片机传输用户信息码，再经比对，若一致则打开柜门，若不一致，则提示用户暂无可取快递。快递柜工作主流程如下图7所示，消毒子程序流程如下图8所示，NFC识别子程序如下图9所示，服务器工作主流程如图10所示。