智能快遞柜的控制電路設計

任林

【摘 要】由于電商的快速發展，快遞量的增加，因應而生了智能快遞柜[1]。智能快遞柜主要有安卓工控機、觸摸液晶屏、安防監控和人臉識別攝像頭、掃碼打印、喇叭、鎖控板、LED照明整條和電源等組成。其中，鎖控板主要是控制格口開門，內部都安裝有鎖控板，柜與柜間經過電源線和信號線連接。主柜鎖控板連接工控機，工控機控制主副柜鎖控板，實現快遞柜的開關門和信息采集。本設計包括快遞柜電源分配系統、鎖控板控制電路和傳感器監測[3]等，提升和優化快遞柜性能，使其利用率更高，體驗更佳，更智能化。

【Abstract】Due to the rapid development of e-commerce and the increase in express delivery， intelligent express cabinets were created[1]. The

intelligent express cabinet mainly consists of an Android industrial controller， a touch liquid crystal screen， a security monitoring and face recognition camera， a sweep code printing， a horn， a lock control board， an LED lighting whole bar and a power supply. Among them， the lock control board is mainly a control grid door opening， and a lock control board is installed inside. The cabinet and the cabinet are connected by power lines and signal lines. The main cabinet lock control board connects the industrial control machine， the industrial control machine controls the main and secondary cabinet lock control board， and realizes the opening and closing of the express delivery cabinet and information collection. This design includes the power distribution system of the express cabinet， the control circuit of the lock control board and sensor monitoring and so on[3]， improve and optimize the performance of the express delivery cabinet， so that its higher utilization rate， better experience， more intelligent.

【關鍵詞】智能快遞柜;控制電路;電源分配;RS485：傳感器

【Keywords】intelligent express cabinet; control circuit; power-supply distribution; RS485; sensor

【中圖分類號】TN79 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標志碼】A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2019）07-0171-04

1 引言

由于電商的快速發展，快遞量的增加，智能快遞柜應運而生，解決了快遞配送最后一公里的問題。近年來，在小區、寫字樓和各種企事業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，也方便人們收發快遞，臨時存物品。傳統快遞柜分主柜和副柜，一個主柜含多個副柜，整個快遞柜主要由安卓工控機、觸摸液晶屏、安防監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。主副柜內部都安裝有鎖控板，主柜到副柜，副柜和副柜間經過電源線和信號控制線連接。主柜鎖控板連接工控機，工控機通過RS485總線控制主副柜鎖控板，實現快遞柜的開關門和信息采集[2]。

常見的快遞柜是一個主柜配1～4個副柜，很少有8個以上副柜，一是因為可安裝空間有限，二是電源供電不足和通信信號不穩定，存在風險。現有的設計無法實現副柜的增加，因為增加副柜，即增加電磁鎖、燈條和監控攝像頭等，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，開門時閃爍，開門時攝像頭不工作等問題。另外，由于增加副柜，導致通信距離長，信號存在干擾，導致開鎖異常。

根據目前快遞柜存在的缺陷，本設計從電源系統、鎖控板主控和傳感器3個方面進行了改善提升：①配置兩個開關電源，當副柜少時一個就可以滿足，當有多個副柜時安裝兩個，增加電源分接板，分配電源。分接板兩個開關電源兩路隔離輸出，將主柜內部電器件和主副柜鎖與其他電器件分開供電。只用一個開關電源時，分接板上設置為單路輸出。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 智能快遞柜的內部控制電路

2.1 電源分配

本設計為滿足多副柜需求，增加了開關電源和電源控制板，對電源進行分配，主柜內部電器件、主副柜鎖和風扇采用開關電源1供電，接分接板的12V輸出1接口。燈條、攝像頭采用開關電源2供電，接分接板接12V輸出2接口。同時，電源分接板上帶有溫濕度傳感器控制風扇啟停。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。同時也兼顧了少副柜的需求，只要一個開關電源，分接板上設置為單路輸出。

2.2 控制板和控制電路

本設計的智能快遞柜內部控制板包括DC12V電源分接板和鎖控板，電源分接板安裝在主柜電箱內，主要起電源分配功能，鎖控板安裝在主副柜內。主柜鎖控板連接工控機，主柜到副柜，副柜和副柜間經過電源線和信號控制線連接。工控機通過RS485總線控制主副柜鎖控板，實現快遞柜的開關門和信息采集。主副柜鎖控板是串聯在一起，DC12V和RS484貫穿其中，RS484采用專用雙絞線，提升信號穩定性。

本設計電源分接板、鎖控板、工控機和燈條等的供電系統和通信方式如圖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內核，使之兼具有MPU的高性能和MCU的低成本特點。市面上的Cortex-M內核產品（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（應用處理器）級的外設，包括顯示、處理、馬達/運動控制、接口等。i.MX RT的高集成度也保證了整個板級成本具有競爭性，性價比高[4]。

考慮到成本和性能，采用i.MX RT 1020系列芯片RT1021CAG4A，工業級、高性能符合快遞柜需求。多串口，可轉多路RS485接口，工控機通過RS485控制鎖控板，鎖控板上也接更多的設備，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，同時檢測門的狀態。與工控機、電源分接板和傳感器通信，控制照明燈條的開關。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，兩路開關電源輸入，分別設計多路輸出。同時通過大電流二極管選焊，兼顧少副柜，用一個開關電源的場景。該電路板主控采用20Pin小封裝的STM32F070芯片，RS485和鎖控板通信，同時主柜內的485電表和加熱器也接在分接板485總線上。

另外，主柜內的散熱風扇受溫、濕度傳感器的控制，當柜內溫度達到設定值，如30℃，風扇開鎖轉，當低于這溫度，風扇轉動停止。電源分接板電路如圖3所示。

3 傳感器

3.1 環境光和聲音檢測

智能快遞柜也配有各種傳感器，其中采用光敏傳感器來監測自然光的強弱和監測聲音來控制照明燈的開關和調光，同時通過聲音傳感器采集聲音，進一步進行語音識別，實現語音交互。

本設計光敏傳感器采用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，以測量距離來判斷是否有物體，而非常規用對射光電二極管，需要多對二極管才能實現。本設計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。

人和動物檢測采用熱釋電紅外傳感器BS612，其是將數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的熱釋電紅外傳感器。當檢測到有人或動物在其監測范圍內時輸出高電平信號。熱釋電紅外傳感器BS612實物和電路如圖6所示。

4 工控機中間層測試

智能快遞柜功能測試包括出廠測試和投放安裝后測試，只有每項測試都通過后才能完成驗收。例如，格口門是否能正常開門關門，電磁鎖開關狀態讀取是否正常;傳感器是

否采集正常，風扇和燈是否受控;打印機、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安卓系統，測試人員通過操作觸摸液晶屏，打開測試軟件APP進行逐項測試。

5 結語

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

【參考文獻】

【1】楊萌柯，周曉光，劉艷輝.智能快遞柜管理系統實訓[M].北京：北京大學出版社，2017.

【2】張余華.現代物流管理[M].北京：清華大學大學出版社，2017.

【3】杰拉德·梅杰.智能傳感器系統新興技術及其應用[M].北京：機械工業出版社，2018.

【4】王瑋.感悟設計電子設計的經驗與哲理[M].北京：北京航空航天大學出版社，2014.