基于NFC技術的自消毒快遞柜設計

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上購物。通過對傳統快遞柜進行改造，可以實現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技術的自消毒快遞的設計方案，實現了快遞的消毒功能，簡便了取快遞的流程。本方案包括硬件電路設計和軟件設計兩方案。

關鍵詞：NFC技術；Arduino Mega 2560；智能快遞柜；消毒基金項目：沈陽航空航天大學大學生創新項目，項目編號D202203232045029185

在過去幾年，電子商務的持續繁榮和新冠疫情的影響，實體行業的發展收到影響，越來越多的人選擇網絡購物，使快遞行業不斷壯大。2022 年上半年快遞行業規模經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。智能快遞柜的應用與推廣，不僅可以進一步促進快遞行業的發展，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險。

本文提出一種智能快遞柜的方案，基于NFC 傳輸技術，且帶有自消毒功能。該方案通過智能手機NFC功能與快遞柜的單片機實現數據交互，來控制柜門的開關。柜門關閉消毒模塊線路閉合，實現自動消毒。這種方案可以實現用戶取快遞時操作便捷、安全系數高、且快遞經過消毒，減少疫情感染的可能。

1 系統總體方案設計

現有的快遞柜往往需要使用微信小程序或掃碼，經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，我們設計的智能快遞柜，僅用手機在相應NFC 讀寫區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，對快遞經行消毒。

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

自動消毒系統包含水箱，微細水管，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。柜門開關系統包含NFC 識別模塊，存儲模塊，WiFi 模塊等。

2 硬件電路設計

為實現本方案所擁有的自動消毒、定時關閉消毒、NFC 通信、WiFi 通信等功能，硬件設計是智能快遞柜的核心內容。本次設計采用Arduino Mega 2560 單片機作為智能快遞柜的中央處理器。該智能快遞柜的硬件設計結構框架如下圖2 示。

2.1 NFC讀寫模塊

NFC（ 近場通信） 技術是由RFID（ 無線射頻識別）技術近年演變而來。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）傳遞數據范圍較短，用戶使用時較為安全；2）無需多余配置和更改就可實現快速鏈接。在運營過程中，設備間的連結速度要快得多，而且有無電連結、不需要人工設置即可自動連結，使得數據傳輸數據非常方便；3）具有較高的安全性。NFC 技術提供了一定的安全保障，使信息數據在設備與設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數據交互的通道。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類似，可對其他NFC 設備進行信息識別。

NFC 終端在被動模式下與一張卡類似，僅被動響應其他裝置發出的頻場。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 向外主動發送電磁波，尋找智能手機的NFC 信號，若具有NFC 功能的智能手機進入該電磁場，PN532 通過引腳（RQ）向處理器發送信號使發送電磁波行為停止，并拾取該智能手機的信息，拾取完畢后，再次通過引腳（SDA）進行儲存，將儲存的手機數據與原數據對比，如對比成功，則打開快遞柜柜門，若失敗則返回向外發送電磁波的程序。

PN532 讀取智能手機的信息時使用ISO14443A 標準讀取，取得的數據儲存至主控板上的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 模塊連接互聯網實時更新主控板EEPROM 中原數據。WiFi 是基于IEEE.802.11 的無線局域網通信協議的無線傳輸技術，該技術擁有普及性高，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、串口、無線網之間任意轉換。可以使串口轉為太網和串口轉Client 或AP，使聯網直接連接因特網，無需網絡配置。

并且該模塊的優勢在于成本低廉，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，設置網絡參數后。由WiFi 模塊發射的數據可以被計算機或手機所接受。直接接入互聯網后， 則可直接向互聯網傳輸數據，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化為電壓信息直接輸出至Arduino 主控芯片，主控芯片再根據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 對繼電器直接驅動，在接收到柜門關閉的電信號后，間接對水泵輸出信號進行控制，原理如圖6 所示。其中IN 引腳與Arduino 主控芯片的D8 引腳相連，在柜門關閉后會給繼電器發送一個信號，再由繼電器對水泵進行驅動，對剛放入的快遞進行噴灑酒精達到消毒的目的。

2.5 蜂鳴器模塊

本方案將蜂鳴器模塊直接接入Arduino 單片機，輸入口接入-10 引腳，GND 接地。當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 應用程序設計

該方案應用程序主要分為Android 手機端APP 設計和云端服務器設計。用戶通過手機APP 可以生成獨一的身份信息，通過NFC 技術傳輸給快遞柜，來開啟快遞柜柜門。云端服務器主要為后端數據處理，將用戶信息發送給智能快遞柜并儲存，形成原數據。

3.1 Android手機端APP程序架構

智能快遞柜APP[6] 的作用主要有：1）生成身份碼。根據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當中和上傳至服務器中，取快遞時用戶通過使用保存有身份碼的手機掃描NFC 讀取區域，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）調用手機NFC 功能。通過程序調用手機NFC功能或將身份碼暫時儲存至手機內存，取出快遞后，APP 接受服務器指令，關閉NFC 功能，來保護用戶隱私及安全；3）查看快遞入柜。根據服務器下發的消息，查看快遞入柜情況。

3.2 服務器端程序架構

云端服務器主要有用戶身份碼的儲存，向智能快遞柜傳輸數據，與手機端APP 數據互傳等功能。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據庫，更新身份碼。快遞入柜后通過服務器向手機APP發送消息。

3.3 程序總流程

智能快遞柜通電后各系統進行初始化設置，連接WiFi 網絡后，壓力傳感器感應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，智能快遞柜向服務器發送用戶碼數據，服務器在數據庫中檢索，若無該用戶碼信息，則為新用戶，自動生成該用戶身份碼數據，用戶注冊時，直接將該用戶碼與該用戶信息綁定。同時，由服務器向手機APP 發送信息，通知快遞已入柜，提醒用戶取快遞。快遞入柜后，消毒功能自動運行，對快遞進行定時消毒。用戶取快遞時，打開手機APP，點擊取快遞功能，將手機在NFC 讀取區域掃過，通過NFC 技術向單片機傳輸用戶信息碼，再經比對，若一致則打開柜門，若不一致，則提示用戶暫無可取快遞。快遞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，服務器工作主流程如圖10 所示。

4 結束語

智能快遞柜是隨著快遞業快速發展起來的一種新事物，擁有良好的發展前景，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。