基于NFC技術(shù)的自消毒快遞柜設(shè)計

閆肅 陳志鵬

摘 要：在后疫情的大背景下，人們越來越依賴于網(wǎng)上購物。通過對傳統(tǒng)快遞柜進(jìn)行改造，可以實現(xiàn)不論老人小孩都可以輕松地取得快遞，且在取出之前快遞將進(jìn)行消毒，極大程度上避免由于快遞攜帶病毒造成的感染。

本文提出了一種基于NFC技術(shù)的自消毒快遞的設(shè)計方案，實現(xiàn)了快遞的消毒功能，簡便了取快遞的流程。本方案包括硬件電路設(shè)計和軟件設(shè)計兩方案。

關(guān)鍵詞：NFC技術(shù)；Arduino Mega 2560；智能快遞柜；消毒基金項目：沈陽航空航天大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新項目，項目編號D202203232045029185

在過去幾年，電子商務(wù)的持續(xù)繁榮和新冠疫情的影響，實體行業(yè)的發(fā)展收到影響，越來越多的人選擇網(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(guī)模經(jīng)過短暫下降后又迅速回暖，呈正增長趨勢，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(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?guī)в凶韵竟δ堋Ｔ摲桨竿ㄟ^智能手機(jī)NFC功能與快遞柜的單片機(jī)實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，來控制柜門的開關(guān)。柜門關(guān)閉消毒模塊線路閉合，實現(xiàn)自動消毒。這種方案可以實現(xiàn)用戶取快遞時操作便捷、安全系數(shù)高、且快遞經(jīng)過消毒，減少疫情感染的可能。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

現(xiàn)有的快遞柜往往需要使用微信小程序或掃碼，經(jīng)過較為繁瑣的操作才能打開，使得一些老年人和小孩使用起來很困難，我們設(shè)計的智能快遞柜，僅用手機(jī)在相應(yīng)NFC 讀寫區(qū)域掃過就可以打開柜門，大大減少了操作的步驟。同時，在快遞入柜后，消毒功能自動開啟，對快遞經(jīng)行消毒。

對于以上功能的實現(xiàn)，根據(jù)成本和使用場景的考慮，設(shè)計了基于NFC 功能的自消毒智能快遞柜。本方案包含自動消毒系統(tǒng)，柜門開關(guān)系統(tǒng)，示意圖如下圖1 所示。

自動消毒系統(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。柜門開關(guān)系統(tǒng)包含NFC 識別模塊，存儲模塊，WiFi 模塊等。

2 硬件電路設(shè)計

為實現(xiàn)本方案所擁有的自動消毒、定時關(guān)閉消毒、NFC 通信、WiFi 通信等功能，硬件設(shè)計是智能快遞柜的核心內(nèi)容。本次設(shè)計采用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)計結(jié)構(gòu)框架如下圖2 示。

2.1 NFC讀寫模塊

NFC（ 近場通信） 技術(shù)是由RFID（ 無線射頻識別）技術(shù)近年演變而來。NFC 不僅能像RFID 通過射頻無線傳輸信息，而且擁有以下特點：1）傳遞數(shù)據(jù)范圍較短，用戶使用時較為安全；2）無需多余配置和更改就可實現(xiàn)快速鏈接。在運(yùn)營過程中，設(shè)備間的連結(jié)速度要快得多，而且有無電連結(jié)、不需要人工設(shè)置即可自動連結(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安全得到保障；[3]NFC 讀寫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、被動兩種模式。NFC 終端在主動模式下與讀卡機(jī)類似，可對其他NFC 設(shè)備進(jìn)行信息識別。

NFC 終端在被動模式下與一張卡類似，僅被動響應(yīng)其他裝置發(fā)出的頻場。本方案中PN532 采用主動模式。由于PN532 芯片無自帶的存儲功能，該模塊由PN532 和主控板兩個元器件組成。引腳連接如圖3 示。

由PN532 向外主動發(fā)送電磁波，尋找智能手機(jī)的NFC 信號，若具有NFC 功能的智能手機(jī)進(jìn)入該電磁場，PN532 通過引腳（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(jī)的信息，拾取完畢后，再次通過引腳（SDA）進(jìn)行儲存，將儲存的手機(jī)數(shù)據(jù)與原數(shù)據(jù)對比，如對比成功，則打開快遞柜柜門，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)的信息時使用ISO14443A 標(biāo)準(zhǔn)讀取，取得的數(shù)據(jù)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)實時更新主控板EEPROM 中原數(shù)據(jù)。WiFi 是基于IEEE.802.11 的無線局域網(wǎng)通信協(xié)議的無線傳輸技術(shù)，該技術(shù)擁有普及性高，傳輸效率高，傳輸范圍廣等特點，本文將采用HLKRM04模塊，該模塊具有高性能集成度高的特點。

HLK-RM04 采用嵌入式的方法，可在以太網(wǎng)、串口、無線網(wǎng)之間任意轉(zhuǎn)換?？梢允勾谵D(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(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。

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。

2.4 水泵模塊

本方案采用Arduino 對繼電器直接驅(qū)動，在接收到柜門關(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，在柜門關(guān)閉后會給繼電器發(fā)送一個信號，再由繼電器對水泵進(jìn)行驅(qū)動，對剛放入的快遞進(jìn)行噴灑酒精達(dá)到消毒的目的。

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)壓力傳感器檢測到水箱液體重量不足時，蜂鳴器接到信號開始報警，提醒及時添加消毒液。

3 應(yīng)用程序設(shè)計

該方案應(yīng)用程序主要分為Android 手機(jī)端APP 設(shè)計和云端服務(wù)器設(shè)計。用戶通過手機(jī)APP 可以生成獨一的身份信息，通過NFC 技術(shù)傳輸給快遞柜，來開啟快遞柜柜門。云端服務(wù)器主要為后端數(shù)據(jù)處理，將用戶信息發(fā)送給智能快遞柜并儲存，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)用戶注冊信息生成唯一的身份信息碼，每個用戶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，取快遞時用戶通過使用保存有身份碼的手機(jī)掃描NFC 讀取區(qū)域，若身份驗證成功，則打開柜門取出快遞，若身份驗證失敗，則提醒用戶暫無要取的快遞；2）調(diào)用手機(jī)NFC 功能。通過程序調(diào)用手機(jī)NFC功能或?qū)⑸矸荽a暫時儲存至手機(jī)內(nèi)存，取出快遞后，APP 接受服務(wù)器指令，關(guān)閉NFC 功能，來保護(hù)用戶隱私及安全；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)器主要有用戶身份碼的儲存，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。儲存的用戶身份碼將傳輸給智能快遞柜，并實時檢索快遞柜數(shù)據(jù)庫，更新身份碼?？爝f入柜后通過服務(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)送用戶碼數(shù)據(jù)，服務(wù)器在數(shù)據(jù)庫中檢索，若無該用戶碼信息，則為新用戶，自動生成該用戶身份碼數(shù)據(jù)，用戶注冊時，直接將該用戶碼與該用戶信息綁定。同時，由服務(wù)器向手機(jī)APP 發(fā)送信息，通知快遞已入柜，提醒用戶取快遞?？爝f入柜后，消毒功能自動運(yùn)行，對快遞進(jìn)行定時消毒。用戶取快遞時，打開手機(jī)APP，點擊取快遞功能，將手機(jī)在NFC 讀取區(qū)域掃過，通過NFC 技術(shù)向單片機(jī)傳輸用戶信息碼，再經(jīng)比對，若一致則打開柜門，若不一致，則提示用戶暫無可取快遞?？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。

4 結(jié)束語

智能快遞柜是隨著快遞業(yè)快速發(fā)展起來的一種新事物，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化。而且快遞在入柜后，快遞柜的消毒功能自動開啟，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。