基于NFC技术的自消毒快递柜设计_闫肃.pdf

2023.7电子产品世界设计应用消费类电子Design&Application基于NFC技术的自消毒快递柜设计Design of self disinfection express cabinet based on NFC technology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)摘 要：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。关键词：NFC技术；Arduino Mega 2560；智能快递柜；消毒基金项目：沈阳航空航天大学大学生创新项目，项目编号D202203232045029185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、60ELECTRONIC ENGINEERING&PRODUCT WORLD 2023.7$消费类电子电子产品世界Design设计应用&ApplicationNFC 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；3NFC 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。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。42.2 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 HLK-RM04 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3 PN532和主控板引脚连接图4 WiFi模块和主控板引脚连接 2023.7电子产品世界设计应用消费类电子Design&Application2.3 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 APP6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62ELECTRONIC ENGINEERING&PRODUCT WORLD 2023.7$消费类电子电子产品世界Design设计应用&Application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。图7 快递柜工作主流程图8 消毒子程序流程图9 NFC识别子程序图10 服务器工作主流程4 结束语智能快递柜是随着快递业快速发展起来的一种新事物,拥有良好的发展前景,该方案快递柜不仅在取件流程上大幅简化。而且快递在入柜后,快递柜的消毒功能自动开启,对快递进行全方位的消毒。在新冠疫情的大背景下,快捷的无接触取件加上对快递的自主消毒,将能让大家安全、放心的取件。参考文献：1 李心萍.快递行业发展态势回暖向好N.人民日报,2022,7,8(8).2 吴风雨.NFC技术应用领域的发展J.电子技术与软件工程,2017(12):33.3 甘国霖,张德鑫,黄杰华,等.NFC的智能门锁设计J.电子技术与软件工程,2021(5):64-66.4 王怡贝,喻恒.基于Arduino的多功能测量仪的设计实现J.信息与电脑(理论版),2021,33(7):163-166.5 蔡雨宏,陈湘萍.基于STM32的智能快递柜设计J.智能计算机与应用,2020,10(1):227-230.