智能快递柜的控制电路设计

任林

（深圳市丰巢科技有限公司，广东 深圳518000）

1 引言

由于电商的快速发展，快递量的增加，智能快递柜应运而生，解决了快递配送最后一公里的问题。近年来，在小区、写字楼和各种企事业单位等附近可以看到多种快递柜，为快递员提供了方便，提升了投送效率，也方便人们收发快递，临时存物品。传统快递柜分主柜和副柜，一个主柜含多个副柜，整个快递柜主要由安卓工控机、触摸液晶屏、安防监控和人脸识别摄像头、扫码打印、锁控板、LED 照明整条和电源部分组成，其中，锁控板主要是控制开锁，按功能需求，会控制部分电气件和传感器采集等功能。主副柜内部都安装有锁控板，主柜到副柜，副柜和副柜间经过电源线和信号控制线连接。主柜锁控板连接工控机，工控机通过RS485 总线控制主副柜锁控板，实现快递柜的开关门和信息采集[2]。

常见的快递柜是一个主柜配1～4 个副柜，很少有8 个以上副柜，一是因为可安装空间有限，二是电源供电不足和通信信号不稳定，存在风险。现有的设计无法实现副柜的增加，因为增加副柜，即增加电磁锁、灯条和监控摄像头等，就必须增大电源。如果电源配置不合理也无法满足要求，如照明灯暗，开门时闪烁，开门时摄像头不工作等问题。另外，由于增加副柜，导致通信距离长，信号存在干扰，导致开锁异常。

根据目前快递柜存在的缺陷，本设计从电源系统、锁控板主控和传感器3 个方面进行了改善提升：①配置两个开关电源，当副柜少时一个就可以满足，当有多个副柜时安装两个，增加电源分接板，分配电源。分接板两个开关电源两路隔离输出，将主柜内部电器件和主副柜锁与其他电器件分开供电。只用一个开关电源时，分接板上设置为单路输出。②锁控板采用高性能MCU。③增加光照检测、声音检测、物体和活物检测等传感器，使快递柜智能化。

2 智能快递柜的内部控制电路

2.1 电源分配

本设计为满足多副柜需求，增加了开关电源和电源控制板，对电源进行分配，主柜内部电器件、主副柜锁和风扇采用开关电源1 供电，接分接板的12V 输出1 接口。灯条、摄像头采用开关电源2 供电，接分接板接12V 输出2 接口。同时，电源分接板上带有温湿度传感器控制风扇启停。LED 灯条接锁控板上，其电源和锁控板电源隔离，但灯条依然受MCU 控制。同时也兼顾了少副柜的需求，只要一个开关电源，分接板上设置为单路输出。

2.2 控制板和控制电路

本设计的智能快递柜内部控制板包括DC12V 电源分接板和锁控板，电源分接板安装在主柜电箱内，主要起电源分配功能，锁控板安装在主副柜内。主柜锁控板连接工控机，主柜到副柜，副柜和副柜间经过电源线和信号控制线连接。工控机通过RS485 总线控制主副柜锁控板，实现快递柜的开关门和信息采集。主副柜锁控板是串联在一起，DC12V 和RS484 贯穿其中，RS484 采用专用双绞线，提升信号稳定性。

本设计电源分接板、锁控板、工控机和灯条等的供电系统和通信方式如图1 所示。

2.3 锁控板和电源分接板

2.3.1 锁控板电路

锁控板采用NXP 最新推出的跨界处理器i.MX RT 系列芯片，其基于Arm Cortex-M7 内核，使之兼具有MPU 的高性能和MCU 的低成本特点。市面上的Cortex-M 内核产品（包括M4 和M7）工作频率不到600MHz，而i.MX RT 是第一款频率600MHz 的Cortex-M 产品，比目前市场上竞争对手的性能高很多。i.MX RT 集成了AP（应用处理器）级的外设，包括显示、处理、马达/运动控制、接口等。i.MX RT的高集成度也保证了整个板级成本具有竞争性，性价比高[4]。

图1 本系统的供电系统和通信方式

图2 锁控板电路功能框架

考虑到成本和性能，采用i.MX RT 1020 系列芯片RT1021CAG4A，工业级、高性能符合快递柜需求。多串口，可转多路RS485 接口，工控机通过RS485 控制锁控板，锁控板上也接更多的设备，可以最大化地满足用户需求。

锁控板主要是控制格口开锁开门，同时检测门的状态。与工控机、电源分接板和传感器通信，控制照明灯条的开关。锁控板电路功能框架如图2 所示。

2.3.2 DC12V 分接板电路

电源分接板主要取电源分配功能，两路开关电源输入，分别设计多路输出。同时通过大电流二极管选焊，兼顾少副柜，用一个开关电源的场景。该电路板主控采用20Pin 小封装的STM32F070 芯片，RS485 和锁控板通信，同时主柜内的485 电表和加热器也接在分接板485 总线上。

另外，主柜内的散热风扇受温、湿度传感器的控制，当柜内温度达到设定值，如30℃，风扇开锁转，当低于这温度，风扇转动停止。电源分接板电路如图3 所示。

图4 声音和光照传感器电路

图3 电源分接板电路

3 传感器

3.1 环境光和声音检测

智能快递柜也配有各种传感器，其中采用光敏传感器来监测自然光的强弱和监测声音来控制照明灯的开关和调光，同时通过声音传感器采集声音，进一步进行语音识别，实现语音交互。

本设计光敏传感器采用BH1750FVI 芯片，6 脚WS0F61贴片小封装，测量范围1-65535LX。声音传感器采用硅麦而非咪头，使用了最新的硅麦传感器SPK0641HT4H-1，4x3x1mm贴片小封装，0～115db，频率20～20KHz。两个传感器都是I2C输出。传感器板主控采用STM32F070 芯片，RS485 和锁控板通信。

本传感器模块安装在主柜顶部，声音和光照分别开孔，防尘防水。声音和光照传感器电路如图4 所示。

3.2 物体和活物检测

智能快递柜需要测量格口内有无物体，底部大格口需要检测有无小孩和动物，小孩或动物误入情况下格口门不能关闭。

本传感器模块为STM32F070 和传感器采集电路，安装在快递柜底部大格口顶部，向下检测格口内有无物体、小孩或动物。模块主控STM32F070 通过RS485 总线和锁控板通信。检测物体采用TOF 测距技术，以测量距离来判断是否有物体，而非常规用对射光电二极管，需要多对二极管才能实现。本设计TOF 测距传感器VL53L0X，4.2mm×2.4mm 贴片小封装，I2C 通信。TOF 测距传感器测距如图5 所示。

图5 TOF 测距传感器测距

人和动物检测采用热释电红外传感器BS612，其是将数字智能控制电路与人体探测敏感元都集成在电磁屏蔽罩内的热释电红外传感器。当检测到有人或动物在其监测范围内时输出高电平信号。热释电红外传感器BS612 实物和电路如图6 所示。

图6 热释电红外传感器BS612 实物和电路

4 工控机中间层测试

智能快递柜功能测试包括出厂测试和投放安装后测试，只有每项测试都通过后才能完成验收。例如，格口门是否能正常开门关门，电磁锁开关状态读取是否正常；传感器是否采集正常，风扇和灯是否受控；打印机、扫描头、摄像头和喇叭等是否都正常。测试软件安装于工控机安卓系统，测试人员通过操作触摸液晶屏，打开测试软件APP 进行逐项测试。

5 结语

智能快递柜发展迅猛，竞争激烈。为满足客户需求，需要不断提升性能，提升客户体验感，让快递柜更智能。同时也要考虑快递柜整体成本和故障率，使用场景，使用效率等。本设计能兼顾多副柜场景，提升使用率，电源分配系统减少了电源不稳定和信号干扰等故障。高性能MCU 和多个传感器，提升和扩展了快递柜的功能和性能，为后期新功能的拓展做了坚固基础。