智能快遞柜的控制電路設(shè)計(jì)

任林

（深圳市豐巢科技有限公司，廣東 深圳518000）

1 引言

由于電商的快速發(fā)展，快遞量的增加，智能快遞柜應(yīng)運(yùn)而生，解決了快遞配送最后一公里的問題。近年來，在小區(qū)、寫字樓和各種企事業(yè)單位等附近可以看到多種快遞柜，為快遞員提供了方便，提升了投送效率，也方便人們收發(fā)快遞，臨時(shí)存物品。傳統(tǒng)快遞柜分主柜和副柜，一個(gè)主柜含多個(gè)副柜，整個(gè)快遞柜主要由安卓工控機(jī)、觸摸液晶屏、安防監(jiān)控和人臉識別攝像頭、掃碼打印、鎖控板、LED 照明整條和電源部分組成，其中，鎖控板主要是控制開鎖，按功能需求，會控制部分電氣件和傳感器采集等功能。主副柜內(nèi)部都安裝有鎖控板，主柜到副柜，副柜和副柜間經(jīng)過電源線和信號控制線連接。主柜鎖控板連接工控機(jī)，工控機(jī)通過RS485 總線控制主副柜鎖控板，實(shí)現(xiàn)快遞柜的開關(guān)門和信息采集[2]。

常見的快遞柜是一個(gè)主柜配1～4 個(gè)副柜，很少有8 個(gè)以上副柜，一是因?yàn)榭砂惭b空間有限，二是電源供電不足和通信信號不穩(wěn)定，存在風(fēng)險(xiǎn)。現(xiàn)有的設(shè)計(jì)無法實(shí)現(xiàn)副柜的增加，因?yàn)樵黾痈惫瘢丛黾与姶沛i、燈條和監(jiān)控?cái)z像頭等，就必須增大電源。如果電源配置不合理也無法滿足要求，如照明燈暗，開門時(shí)閃爍，開門時(shí)攝像頭不工作等問題。另外，由于增加副柜，導(dǎo)致通信距離長，信號存在干擾，導(dǎo)致開鎖異常。

根據(jù)目前快遞柜存在的缺陷，本設(shè)計(jì)從電源系統(tǒng)、鎖控板主控和傳感器3 個(gè)方面進(jìn)行了改善提升：①配置兩個(gè)開關(guān)電源，當(dāng)副柜少時(shí)一個(gè)就可以滿足，當(dāng)有多個(gè)副柜時(shí)安裝兩個(gè)，增加電源分接板，分配電源。分接板兩個(gè)開關(guān)電源兩路隔離輸出，將主柜內(nèi)部電器件和主副柜鎖與其他電器件分開供電。只用一個(gè)開關(guān)電源時(shí)，分接板上設(shè)置為單路輸出。②鎖控板采用高性能MCU。③增加光照檢測、聲音檢測、物體和活物檢測等傳感器，使快遞柜智能化。

2 智能快遞柜的內(nèi)部控制電路

2.1 電源分配

本設(shè)計(jì)為滿足多副柜需求，增加了開關(guān)電源和電源控制板，對電源進(jìn)行分配，主柜內(nèi)部電器件、主副柜鎖和風(fēng)扇采用開關(guān)電源1 供電，接分接板的12V 輸出1 接口。燈條、攝像頭采用開關(guān)電源2 供電，接分接板接12V 輸出2 接口。同時(shí)，電源分接板上帶有溫濕度傳感器控制風(fēng)扇啟停。LED 燈條接鎖控板上，其電源和鎖控板電源隔離，但燈條依然受MCU 控制。同時(shí)也兼顧了少副柜的需求，只要一個(gè)開關(guān)電源，分接板上設(shè)置為單路輸出。

2.2 控制板和控制電路

本設(shè)計(jì)的智能快遞柜內(nèi)部控制板包括DC12V 電源分接板和鎖控板，電源分接板安裝在主柜電箱內(nèi)，主要起電源分配功能，鎖控板安裝在主副柜內(nèi)。主柜鎖控板連接工控機(jī)，主柜到副柜，副柜和副柜間經(jīng)過電源線和信號控制線連接。工控機(jī)通過RS485 總線控制主副柜鎖控板，實(shí)現(xiàn)快遞柜的開關(guān)門和信息采集。主副柜鎖控板是串聯(lián)在一起，DC12V 和RS484 貫穿其中，RS484 采用專用雙絞線，提升信號穩(wěn)定性。

本設(shè)計(jì)電源分接板、鎖控板、工控機(jī)和燈條等的供電系統(tǒng)和通信方式如圖1 所示。

2.3 鎖控板和電源分接板

2.3.1 鎖控板電路

鎖控板采用NXP 最新推出的跨界處理器i.MX RT 系列芯片，其基于Arm Cortex-M7 內(nèi)核，使之兼具有MPU 的高性能和MCU 的低成本特點(diǎn)。市面上的Cortex-M 內(nèi)核產(chǎn)品（包括M4 和M7）工作頻率不到600MHz，而i.MX RT 是第一款頻率600MHz 的Cortex-M 產(chǎn)品，比目前市場上競爭對手的性能高很多。i.MX RT 集成了AP（應(yīng)用處理器）級的外設(shè)，包括顯示、處理、馬達(dá)/運(yùn)動控制、接口等。i.MX RT的高集成度也保證了整個(gè)板級成本具有競爭性，性價(jià)比高[4]。

圖1 本系統(tǒng)的供電系統(tǒng)和通信方式

圖2 鎖控板電路功能框架

考慮到成本和性能，采用i.MX RT 1020 系列芯片RT1021CAG4A，工業(yè)級、高性能符合快遞柜需求。多串口，可轉(zhuǎn)多路RS485 接口，工控機(jī)通過RS485 控制鎖控板，鎖控板上也接更多的設(shè)備，可以最大化地滿足用戶需求。

鎖控板主要是控制格口開鎖開門，同時(shí)檢測門的狀態(tài)。與工控機(jī)、電源分接板和傳感器通信，控制照明燈條的開關(guān)。鎖控板電路功能框架如圖2 所示。

2.3.2 DC12V 分接板電路

電源分接板主要取電源分配功能，兩路開關(guān)電源輸入，分別設(shè)計(jì)多路輸出。同時(shí)通過大電流二極管選焊，兼顧少副柜，用一個(gè)開關(guān)電源的場景。該電路板主控采用20Pin 小封裝的STM32F070 芯片，RS485 和鎖控板通信，同時(shí)主柜內(nèi)的485 電表和加熱器也接在分接板485 總線上。

另外，主柜內(nèi)的散熱風(fēng)扇受溫、濕度傳感器的控制，當(dāng)柜內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)定值，如30℃，風(fēng)扇開鎖轉(zhuǎn)，當(dāng)?shù)陀谶@溫度，風(fēng)扇轉(zhuǎn)動停止。電源分接板電路如圖3 所示。

圖4 聲音和光照傳感器電路

圖3 電源分接板電路

3 傳感器

3.1 環(huán)境光和聲音檢測

智能快遞柜也配有各種傳感器，其中采用光敏傳感器來監(jiān)測自然光的強(qiáng)弱和監(jiān)測聲音來控制照明燈的開關(guān)和調(diào)光，同時(shí)通過聲音傳感器采集聲音，進(jìn)一步進(jìn)行語音識別，實(shí)現(xiàn)語音交互。

本設(shè)計(jì)光敏傳感器采用BH1750FVI 芯片，6 腳WS0F61貼片小封裝，測量范圍1-65535LX。聲音傳感器采用硅麥而非咪頭，使用了最新的硅麥傳感器SPK0641HT4H-1，4x3x1mm貼片小封裝，0～115db，頻率20～20KHz。兩個(gè)傳感器都是I2C輸出。傳感器板主控采用STM32F070 芯片，RS485 和鎖控板通信。

本傳感器模塊安裝在主柜頂部，聲音和光照分別開孔，防塵防水。聲音和光照傳感器電路如圖4 所示。

3.2 物體和活物檢測

智能快遞柜需要測量格口內(nèi)有無物體，底部大格口需要檢測有無小孩和動物，小孩或動物誤入情況下格口門不能關(guān)閉。

本傳感器模塊為STM32F070 和傳感器采集電路，安裝在快遞柜底部大格口頂部，向下檢測格口內(nèi)有無物體、小孩或動物。模塊主控STM32F070 通過RS485 總線和鎖控板通信。檢測物體采用TOF 測距技術(shù)，以測量距離來判斷是否有物體，而非常規(guī)用對射光電二極管，需要多對二極管才能實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)TOF 測距傳感器VL53L0X，4.2mm×2.4mm 貼片小封裝，I2C 通信。TOF 測距傳感器測距如圖5 所示。

圖5 TOF 測距傳感器測距

人和動物檢測采用熱釋電紅外傳感器BS612，其是將數(shù)字智能控制電路與人體探測敏感元都集成在電磁屏蔽罩內(nèi)的熱釋電紅外傳感器。當(dāng)檢測到有人或動物在其監(jiān)測范圍內(nèi)時(shí)輸出高電平信號。熱釋電紅外傳感器BS612 實(shí)物和電路如圖6 所示。

圖6 熱釋電紅外傳感器BS612 實(shí)物和電路

4 工控機(jī)中間層測試

智能快遞柜功能測試包括出廠測試和投放安裝后測試，只有每項(xiàng)測試都通過后才能完成驗(yàn)收。例如，格口門是否能正常開門關(guān)門，電磁鎖開關(guān)狀態(tài)讀取是否正常；傳感器是否采集正常，風(fēng)扇和燈是否受控；打印機(jī)、掃描頭、攝像頭和喇叭等是否都正常。測試軟件安裝于工控機(jī)安卓系統(tǒng)，測試人員通過操作觸摸液晶屏，打開測試軟件APP 進(jìn)行逐項(xiàng)測試。

5 結(jié)語

智能快遞柜發(fā)展迅猛，競爭激烈。為滿足客戶需求，需要不斷提升性能，提升客戶體驗(yàn)感，讓快遞柜更智能。同時(shí)也要考慮快遞柜整體成本和故障率，使用場景，使用效率等。本設(shè)計(jì)能兼顧多副柜場景，提升使用率，電源分配系統(tǒng)減少了電源不穩(wěn)定和信號干擾等故障。高性能MCU 和多個(gè)傳感器，提升和擴(kuò)展了快遞柜的功能和性能，為后期新功能的拓展做了堅(jiān)固基礎(chǔ)。