楊柏松，鄭景星，劉 美，陳金鵬

（1.廣東石油化工學(xué)院 自動(dòng)化學(xué)院，廣東 茂名 525000；2.廣東石油化工學(xué)院教務(wù)處，廣東茂名 525000）

特種貨物運(yùn)輸在現(xiàn)代日常生活中比較常見(jiàn)，然而，當(dāng)前的特種貨物運(yùn)輸條件、相關(guān)技術(shù)以及工作人員素質(zhì)、安全意識(shí)無(wú)法與近年來(lái)快速增長(zhǎng)的特種貨物運(yùn)輸量和需求相匹配，導(dǎo)致特種貨物在運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程中出現(xiàn)諸多問(wèn)題，如貨物損壞，在嚴(yán)重的情況下，可能會(huì)引起交通事故，造成傷亡、交通癱瘓和財(cái)產(chǎn)損失[1]。如何確保貨物運(yùn)輸安全、提高消費(fèi)者信任度成為了各物流運(yùn)輸公司關(guān)注的焦點(diǎn)。

常規(guī)特種貨物監(jiān)測(cè)裝置存在無(wú)法記錄貨物溫度、濕度、振動(dòng)狀態(tài)等環(huán)境參數(shù)的缺點(diǎn)，且傳統(tǒng)設(shè)備監(jiān)測(cè)的對(duì)象大多不是特種貨物本身[2]，因而無(wú)法準(zhǔn)確判斷是否因運(yùn)輸過(guò)程中不規(guī)范操作而造成貨物損壞，配送方與客戶也經(jīng)常發(fā)生糾紛。

設(shè)計(jì)的系統(tǒng)針對(duì)貨物運(yùn)輸過(guò)程所處環(huán)境，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)模塊、電源模塊、傳感器模塊、存儲(chǔ)單元等實(shí)現(xiàn)對(duì)特種貨物運(yùn)輸?shù)谋O(jiān)測(cè)，并且提供一系列對(duì)特種貨物實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的服務(wù)，友情提示運(yùn)輸人員要注意保護(hù)運(yùn)輸物品。小型化、智能化、多功能化、低功耗等設(shè)計(jì)定位將在物流運(yùn)輸領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

由于設(shè)計(jì)的系統(tǒng)功能較多，考慮到系統(tǒng)整體功能實(shí)現(xiàn)和芯片引腳數(shù)量、處理器運(yùn)算效率、處理器內(nèi)部資源、成本等因素，特種貨物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以意法半導(dǎo)體集團(tuán)的STM32F103RCT6 作為硬件主控，根據(jù)系統(tǒng)整體功能需求，對(duì)芯片引腳進(jìn)行合理分配，搭載相應(yīng)的電源穩(wěn)壓電路、ST_LINK 程序下載調(diào)試接口、蜂鳴器報(bào)警電路、振動(dòng)檢測(cè)模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元、ADC 數(shù)據(jù)采集接口、復(fù)位電路、溫濕度檢測(cè)電路、顯示模塊、晶振電路以及通信模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體功能。系統(tǒng)框架圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)框架圖

1.2 MCU微控制器單元

STM32F103RCT6 是一款以Cortex-M3 為核心的32 位處理器，該系列MCU 專為高性能和低功耗應(yīng)用而設(shè)計(jì)[3]，其芯片具有64 個(gè)功能引腳，可滿足系統(tǒng)功能要求，最高工作頻率可達(dá)72 MHz，運(yùn)算速度非?？?，在所有外設(shè)（如ADC、I2C、RTC、SPI 等）正常工作時(shí)，在滿速72 MHz 主頻的情況下也僅消耗36 mA 的電流，工作溫度和供電范圍非常廣，且在低功耗模式下可以喚醒，具有較高的穩(wěn)定性。ROM 容量為256 kB、RAM 容量為48 K，內(nèi)部資源豐富，因其集成各種接口，因此基本不需要外部的硬件進(jìn)行擴(kuò)展。

1.3 溫度檢測(cè)單元

DHT11 模塊為三線制,分別為VCC、GND、DATA,在進(jìn)行硬件原理圖設(shè)計(jì)時(shí)，通常將一個(gè)電容器連接至電源的VCC 引腳用于去耦濾波，從而減少干擾并提高模塊穩(wěn)定性。該模塊采用單總線控制，并且以數(shù)據(jù)形式輸出采集的溫濕度參數(shù)，單片機(jī)I/O 口與模塊數(shù)據(jù)線相連即可獲得當(dāng)前模塊所處環(huán)境的溫濕度參數(shù)，電路設(shè)計(jì)如圖2 所示。

圖2 溫濕度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

1.4 振動(dòng)檢測(cè)單元

系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用MPU6050 模塊獲取特種貨物的加速度和陀螺儀參數(shù)，通過(guò)姿態(tài)解算來(lái)判斷貨物是否損壞。MPU6050 模塊配置和數(shù)據(jù)傳輸都是通過(guò)IIC 進(jìn)行的，IIC 對(duì)通信時(shí)序要求較高，在硬件進(jìn)行PCB 布線時(shí)，應(yīng)盡量減少IIC 布線距離，以減小通信干擾。振動(dòng)檢測(cè)單元設(shè)計(jì)如圖3 所示。

圖3 振動(dòng)檢測(cè)單元設(shè)計(jì)

1.5 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元設(shè)計(jì)

為了實(shí)時(shí)記錄運(yùn)輸特種貨物環(huán)境參數(shù)和姿態(tài)，在設(shè)計(jì)中采用了AT24C02 存儲(chǔ)芯片，電路圖如圖4所示。

圖4 存儲(chǔ)單元設(shè)計(jì)電路圖

1.6 通信模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)的交互是通過(guò)GSM 物聯(lián)網(wǎng)模塊[4]進(jìn)行的，GSM 通信模塊采用高效調(diào)制器，具有寬傳輸帶寬和高頻譜通信效率，與ZigBee、藍(lán)牙通信相比，GSM 通信只需插入一張手機(jī)卡，然后通過(guò)軟件配置即可實(shí)現(xiàn)短信功能。此外，GSM 模塊與單片機(jī)之間的通信是通過(guò)串口的方式進(jìn)行的，通信方式配置比較簡(jiǎn)單。隨著三大運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)基站的建設(shè)，GSM 模塊通信盲區(qū)、通信信號(hào)、抗干擾能力等方面都得到了很大的改善，并且通信距離不受環(huán)境因素的影響，因此，GSM 模塊被廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。

1.7 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

為了實(shí)時(shí)直觀地顯示傳感器數(shù)據(jù)并實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)交互界面，在系統(tǒng)中搭載了0.96 寸OLED 顯示屏。該OLED 顯示屏模塊具有多種驅(qū)動(dòng)接口，分別為IIC、SPI、6800、8080。OLED 顯 示 屏 內(nèi) 部 采 用SSD1306 IC 驅(qū)動(dòng)，由于此款I(lǐng)C 內(nèi)部具有升壓功能，因此在設(shè)計(jì)系統(tǒng)原理圖時(shí)不需要設(shè)計(jì)專門的升壓電路。所以硬件上只需保證SPI 通訊正常，OLED 的時(shí)鐘線和其數(shù)據(jù)線接口都是基于STM32 芯片的資源及本系統(tǒng)所需的芯片引腳進(jìn)行分配，將其連接到相應(yīng)的芯片I/O 即可。OLED 顯示內(nèi)容、格式、顏色、字體等只需在軟件進(jìn)行配置，較為簡(jiǎn)單。人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)如圖5 所示。

圖5 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

為了減少系統(tǒng)功耗，在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，設(shè)計(jì)一個(gè)按鍵控制OLED 顯示屏工作狀態(tài)，其原理為通過(guò)檢測(cè)單片機(jī)引腳電平，判斷按鍵是否按下，然后調(diào)用OLED 功能函數(shù)控制其是否顯示。按鍵控制電路如圖6 所示。

圖6 按鍵控制電路

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)交互協(xié)議

為了保證發(fā)送端與接收端對(duì)數(shù)據(jù)含義的解析和數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，通信雙方約定了一種通信協(xié)議。幀頭和幀尾為固定的十六進(jìn)制數(shù)，數(shù)據(jù)是一個(gè)數(shù)據(jù)包，包括設(shè)備號(hào)、貨物狀態(tài)等信息，通過(guò)該通訊協(xié)議，能夠簡(jiǎn)單準(zhǔn)確地進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送和校驗(yàn)。數(shù)據(jù)交互協(xié)議如表1 所示。

表1 數(shù)據(jù)交互協(xié)議

數(shù)據(jù)內(nèi)容01327700 含義：設(shè)備號(hào)01；溫度32 ℃；濕度77%；貨物狀態(tài)00。

2.2 數(shù)據(jù)處理分析

在現(xiàn)代化工業(yè)中，傳感器相當(dāng)于人的五官，能夠?qū)I(yè)環(huán)境和生產(chǎn)機(jī)器狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并且能自動(dòng)控制和調(diào)節(jié)生產(chǎn)過(guò)程的各種參數(shù)，使設(shè)備處于最佳工作狀態(tài)，傳感器是現(xiàn)代化生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)調(diào)節(jié)和閉環(huán)控制的重要器件。

特種貨物狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)源于多個(gè)傳感器，這些傳感器數(shù)據(jù)是非線性的、時(shí)變的和復(fù)雜的。因此，為了保證系統(tǒng)的綜合性能，需要對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算放大、濾波、數(shù)據(jù)融合、姿態(tài)解算，提高系統(tǒng)的綜合性能以及系統(tǒng)的可靠性。

數(shù)據(jù)采集和處理的過(guò)程如下：采用多源傳感器采集貨物狀態(tài)，并將傳感器采集到的信息轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，通過(guò)STM32 單片機(jī)內(nèi)部12 位模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換，將傳感器采集特種貨物所處環(huán)境的電信號(hào)轉(zhuǎn)化為一定范圍內(nèi)的數(shù)字信號(hào)，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算放大和數(shù)字濾波處理，然后對(duì)處理后的多路數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字融合和特征提取，從而判斷貨物是否損壞。傳感器數(shù)據(jù)采集與處理流程圖如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)采集與處理流程圖

2.3 姿態(tài)解算分析

一般來(lái)說(shuō)，通過(guò)貨物姿態(tài)解算即可得到貨物的狀態(tài)。在分析各種姿態(tài)解算算法計(jì)算量和兼顧系統(tǒng)運(yùn)算速度后，在系統(tǒng)中采用四元素法。在俯仰角為90°時(shí)，四元方程不存在“萬(wàn)向死鎖”現(xiàn)象。通過(guò)姿態(tài)計(jì)算判斷貨物姿態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)貨物振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)。定義一個(gè)四元素方程為：

式中，ωx、ωy、ωz為三軸角速度，根據(jù)上式微分方程可得四元素動(dòng)態(tài)表達(dá)式：

對(duì)上式采用畢卡逼近法則，展開(kāi)得:

式中，q(t)表示t時(shí)刻的四元素，q(t0)表示在初始t0狀態(tài)下的四元素值。

由上面的公式可知，只要確定某一時(shí)刻的四元素和角速度，就可以計(jì)算出載體的姿態(tài)，與其他姿態(tài)解算算法相比較，四元素法只需要解4 個(gè)方程，計(jì)算量較小，較容易在STM32 上實(shí)現(xiàn)。

3 系統(tǒng)測(cè)試

通過(guò)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行全面的測(cè)試和檢測(cè)，能排除修正系統(tǒng)存在的問(wèn)題，確保系統(tǒng)在實(shí)際環(huán)境中能夠穩(wěn)定運(yùn)行。

利用串口工具監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在貨物異常狀態(tài)下發(fā)送的報(bào)警數(shù)據(jù)，以測(cè)試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集以及數(shù)據(jù)融合判斷和姿態(tài)解算是否合理、數(shù)據(jù)是否存在丟包現(xiàn)象。不斷通斷系統(tǒng)供電電源，觀察各模塊采集數(shù)據(jù)是否收到干擾。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行壓力測(cè)試和重復(fù)性操作，觀察系統(tǒng)能否正常運(yùn)行。

經(jīng)測(cè)試，特種貨物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)符合預(yù)期要求，各模塊功能和系統(tǒng)需求相符，在壓力和異常測(cè)試時(shí)，各模塊數(shù)據(jù)采集合理，系統(tǒng)仍能穩(wěn)定運(yùn)行，測(cè)試通過(guò)。測(cè)試結(jié)果如圖8 所示。

圖8 系統(tǒng)測(cè)試

在貨物處于異常狀態(tài)時(shí)，硬件終端通過(guò)蜂鳴器報(bào)警，同時(shí)在OLED 顯示屏顯示貨物狀態(tài)，測(cè)試結(jié)果如圖9 所示。

圖9 貨物異常測(cè)試

為了提醒用戶了解貨物的異常轉(zhuǎn)態(tài)，通過(guò)GSM物聯(lián)網(wǎng)模塊向用戶發(fā)送報(bào)警信息，信息測(cè)試結(jié)果如圖10 所示。

圖10 報(bào)警數(shù)據(jù)發(fā)送測(cè)試

4 結(jié)論

特種貨物運(yùn)輸在日常生活中較為常見(jiàn)，然而由于技術(shù)原因以及工作人員素質(zhì)等因素，導(dǎo)致特種貨物在運(yùn)輸中會(huì)出現(xiàn)諸多問(wèn)題，開(kāi)發(fā)一款可以監(jiān)視貨物運(yùn)輸狀態(tài)的貨物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)顯得十分重要。這不僅可以避免配送方與客戶由于貨物損壞問(wèn)題發(fā)生糾紛，而且可以友情提示工作人員在運(yùn)輸特種貨物過(guò)程中注意保護(hù)貨物，降低貨物發(fā)生損壞的概率。

國(guó)內(nèi)也有許多著名專家和學(xué)者嘗試將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到特種貨物運(yùn)輸監(jiān)測(cè)中。但是，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在特種貨物運(yùn)輸監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用仍處于起步狀態(tài)。另外，這些特種運(yùn)輸監(jiān)測(cè)研究與應(yīng)用多數(shù)針對(duì)運(yùn)輸工具，如汽車、火車、船、飛機(jī)等，而不是監(jiān)測(cè)特種貨物本身狀態(tài)。因此，對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在特種貨物運(yùn)輸監(jiān)測(cè)方向的深入研究和探討顯得十分重要與迫切。