王威澄

（武裝警察部隊(duì)特種警察學(xué)院，天津，102200）

0 引言

隨著硬件水平和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)[1]技術(shù)隨著人們的需求孕育而生。滿足了人們對(duì)貯運(yùn)監(jiān)測(cè)方式的要求，特別是對(duì)武器裝備彈藥等貴重、危險(xiǎn)物品貯運(yùn)環(huán)境的監(jiān)測(cè)[2]。在槍械瞄準(zhǔn)鏡等高精度光學(xué)裝備器材的全壽命周期內(nèi)，溫度、濕度、振動(dòng)、沖擊、磁場(chǎng)等因素對(duì)它有重要的影響。此外還要掌握裝備器材的位置信息，不僅是為了上級(jí)方便調(diào)控物資，而且是裝備器材在運(yùn)輸途中對(duì)安全的需要，同時(shí)也符合部隊(duì)信息化水平建設(shè)提高的要求。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種依托物聯(lián)網(wǎng)的溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)，能夠在裝備運(yùn)輸管理過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的狀態(tài)全過(guò)程監(jiān)測(cè)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)整體的設(shè)計(jì)示意圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意圖

每個(gè)單位倉(cāng)庫(kù)內(nèi)和裝備器材運(yùn)輸車上的裝備都配備有溫度監(jiān)測(cè)終端，它會(huì)上報(bào)裝備貯運(yùn)環(huán)境的溫濕度和地理位置信息到云平臺(tái)，相關(guān)人員可以通過(guò)搭載有本系統(tǒng)電腦登陸Web應(yīng)用實(shí)時(shí)掌握和管理所有導(dǎo)彈的動(dòng)態(tài)信息。

2 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的感知終端由溫濕度傳感器、GPS定位模塊、NBIoT通信模組[3]和微控制器四部分組成，總體設(shè)計(jì)包括電源及充放電電路、核心控制電路、NB-IoT無(wú)線通信電路、傳感器電路、USB轉(zhuǎn)串口/串口燒錄電路和一些外圍電路設(shè)計(jì)。本文主要介紹四部分，分別是電源及充放電電路、核心控制電路、NB-IoT無(wú)線通信電路以及傳感器電路。系統(tǒng)硬件電路整體設(shè)計(jì)示意圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

■2.1 溫濕度傳感器

溫濕度測(cè)傳感器選用SHT30，該芯片是瑞士的Sensirion公司生產(chǎn)的新型數(shù)字傳感器，具有精度高、通信速度快、封裝小、成本低等優(yōu)點(diǎn)。而且采用了根據(jù)IP67的PTEE膜，具有良好的防塵防水能力，能夠滿足在惡劣的環(huán)境下使用的要求。在傳感器通電的情況下，不進(jìn)行測(cè)量或通信的時(shí)候，它就會(huì)自動(dòng)進(jìn)入空閑狀態(tài)以降低功耗。為了確保通信的可靠性，發(fā)送和接收數(shù)據(jù)采用多位CRC校驗(yàn)。能夠滿足方案的需要，其主要性能參數(shù)如表1所示。

表1 SHT30性能參數(shù)

■2.2 GPS定位模塊

GPS定位采用移遠(yuǎn)公司的一款集成貼片天線的超緊湊型GPS模塊L80-R，具有極強(qiáng)的捕獲和追蹤能力。擁有66個(gè)捕獲信道和22個(gè)追蹤信道。內(nèi)置LNA（低噪聲放大器），提高了接收的靈敏性。通過(guò)先進(jìn)的AGPS（EASY）軌道預(yù)測(cè)技術(shù)，使得它能夠計(jì)算和預(yù)測(cè)長(zhǎng)達(dá)三天的軌道信息，即使在室內(nèi)信號(hào)弱的情況下也能實(shí)現(xiàn)快速定位。省電模式（AlwaysLocate技術(shù)）的應(yīng)用，讓模塊具有極低的電流消耗。模塊的主要性能如表2所示，十分適合實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)彈貯運(yùn)環(huán)境位置信息的定位。

圖3 溫濕度測(cè)量電路原理圖

表2 L80-R性能參數(shù)

信號(hào)接收電路如圖4所示，模塊的供應(yīng)電源電壓范圍為3.0~4.3V，因?yàn)锽aseBand、RF、I/O、LNA單元的供電由VCC引腳提供，引腳上的電流的大小會(huì)隨著工作狀態(tài)變化而變化，所以對(duì)模塊提供清澈充足的電流至關(guān)重要。利用寬電源走線和值為10μF、100nF的去耦電容組合放在VCC引腳旁來(lái)保證電流的穩(wěn)定。另外考慮到在倉(cāng)庫(kù)內(nèi)，設(shè)備是不動(dòng)的，GPS功能的開(kāi)啟是沒(méi)有必要的電源消耗，為了能對(duì)模塊電源進(jìn)行操作，增加了MOS管電路設(shè)計(jì)作為電子開(kāi)關(guān)。而V_BCKP是模塊RTC（RealTimeClock）的供電引腳，直接接電源線即可，這樣可以加快模塊關(guān)閉后的啟動(dòng)時(shí)間。

圖4 GPS信號(hào)接收電路

■2.3 NB-IoT通信模組

無(wú)線通信模組同樣使用的是移遠(yuǎn)公司生產(chǎn)的BC28，該模組芯片采用海思的Boudica150，是款超緊湊、低功耗、高性能，支持多頻段的NB-IoT通信模組。專有安全核的設(shè)計(jì)和數(shù)字簽名技術(shù)從硬件方面保證了終端設(shè)備的通信安全。本方案使用的中國(guó)電信的物聯(lián)網(wǎng)卡，因?yàn)楦鬟\(yùn)營(yíng)商之間頻段稍有區(qū)別，所以功耗也稍有不同，故典型耗流值如表3所示。

表3 BC28耗流

BC28采用LCC封裝，擁有58個(gè)引腳，供電電壓范圍3.1~4.2V。RESET引腳內(nèi)部上拉，低電平時(shí)復(fù)位。因?yàn)槟＝M后期可能會(huì)涉及到升級(jí)，考慮到升級(jí)失敗問(wèn)題，保留復(fù)位功能，將復(fù)位引腳接到微控制器的GPIO（通用輸入輸出）引腳上，采用軟復(fù)位的方式。當(dāng)模組收到云平臺(tái)下發(fā)消息時(shí)會(huì)觸發(fā)RI引腳輸出低電平至少120ms，隨后輸出數(shù)據(jù)，輸出數(shù)據(jù)的過(guò)程中引腳維持低電平。為了方便編程對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可以利用RI引腳這一個(gè)特性把它接到微控制器的外部中斷接口上，每當(dāng)進(jìn)入中斷時(shí)就可以對(duì)數(shù)據(jù)及時(shí)進(jìn)行處理。電路部分原理圖如圖5所示。

圖5 NB-IoT無(wú)線通信電路信號(hào)處理與射頻天線部分

■2.4 主控芯片

主控芯片[4]使用STM32L431RCT6，該芯片采用了哈佛體系，是款32位的Cortex-M4低功耗系列的微控制器。具有意法半導(dǎo)體最佳的超低功耗架構(gòu)和最低的電流波動(dòng)，從而在高溫下也能保證極低的功耗。有64個(gè)引腳，外設(shè)接口豐富等特點(diǎn)，滿足系統(tǒng)的功能要求。該芯片作為硬件終端的控制中樞，負(fù)責(zé)與各模塊的通信，接收和處理來(lái)自溫濕度傳感器、GPS定位模塊的數(shù)據(jù)，并通過(guò)AT指令控制NB-IoT無(wú)線通信模組上報(bào)信息到物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)以及接收控制指令。另外還有根據(jù)云端的決策是否響起蜂鳴器等功能。

微控制器的封裝類型為L(zhǎng)QFP64封裝，以外部高速8M晶體振蕩器（HSE）為系統(tǒng)時(shí)鐘源，而大部分外設(shè)時(shí)鐘也是由此經(jīng)鎖相環(huán)（PLL）、分頻和倍頻處理后得來(lái)。晶體振蕩器兩端接在MCU的OSC_IN和OSC_OUT引腳上，在進(jìn)行PCB排版時(shí)，為減少晶振輸出波形的失真，晶振和兩端的電容要盡可能靠近芯片，必要時(shí)要對(duì)其進(jìn)行包地處理。

為減少電源噪聲對(duì)芯片的干擾，在所有的VDD（電源）引腳和VSS（地）引腳上并聯(lián)上100nF的電容。

微控制器的NRST（復(fù)位）引腳接低電平可以使硬件設(shè)備復(fù)位，正常工作情況下應(yīng)該是高電平，由于芯片的此引腳內(nèi)部已經(jīng)上拉，所以懸空即可。微控制器stm32L431RCT6引腳功能和一些外圍電路設(shè)計(jì)的原理圖如圖6所示。

圖6 核心控制電路原理圖

3 軟件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)備平臺(tái)的應(yīng)用主要工作流程如下：

（1）硬件設(shè)備上電啟動(dòng)，程序執(zhí)行main函數(shù)。

圖7 感知層應(yīng)用的運(yùn)行流程圖

（2）對(duì)硬件資源的初始化，包括系統(tǒng)時(shí)鐘、GPIO、UART以及I2C。

（3）初始化操作系統(tǒng)內(nèi)核、創(chuàng)建系統(tǒng)主任務(wù)后將微控制器的控制權(quán)交由操作系統(tǒng)進(jìn)行管理并結(jié)束main函數(shù)。

（4）加載GPS定位模塊、溫濕度傳感器和NB-IoT通信模組并設(shè)置好相關(guān)參數(shù)。

（5）對(duì)NB-IoT進(jìn)行入網(wǎng)操作。

感知層應(yīng)用的運(yùn)行流程圖如圖7所示。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的基于STM32的溫濕度感知系統(tǒng)，采用物聯(lián)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程靈活的溫濕度監(jiān)測(cè)功能，對(duì)于裝備從生產(chǎn)、貯存、運(yùn)輸再到使用過(guò)程中對(duì)裝備的信息識(shí)別、去向管理、環(huán)境監(jiān)測(cè)以及數(shù)據(jù)分析和處理有實(shí)踐意義，能夠幫助相關(guān)人員更好的監(jiān)測(cè)裝備動(dòng)態(tài)信息。