基于STM32的物流監測系統

馬 梅，周惠忠，劉 騰，楊永廣

MA Mei, ZHOU Hui-zhong, LIU Teng, YANG Yong-guang

（揚州工業職業技術學院，揚州 225127）

0 引言

為了防止重要物資在物流運輸環節中的損壞與丟失，本文設計出一款重要物資物流監測系統，使用時將該系統設備和被送物資一同打包。本系統采用先進全球定位系統GPS來準確檢測物資當前的地理位置；通過溫度，濕度以及振動傳感器來了解物資當前環境狀態；獲取的信息通過GSM移動通信系統以短信的形式發送到用戶手機，使客戶可以隨時了解自己物資的位置與狀態；到達終點后能調出更詳細的數據記錄。因需要長時間工作且體積受限，設計時使用低功耗器件及高能鋰電池組，來解決了續航能力的問題。整個項目設計為追蹤重要物資提供了有效的解決方法，保障了重要物資的安全性與時效性，使整個物流過程更安全。整個系統組成包括：1）基于CORTEX-M3內核的ARM系列單片機；2）集成GPS與GSM為一體的SIM908模塊；3）溫度，濕度，加速度傳感器；4）鋰電池組。

1 物流監測系統的設計構架

由于此系統是由鋰電池供電的，考慮到體積小和重量輕，可以方便放置在重要物品上，故不能使用太大的電池。因此本系統采用低功耗的設計，CPU不能一直處于工作狀態，我們設置系統每半小時或者當接收到短信時喚醒CPU，每次工作大約兩分鐘，以此節約電力的消耗。每當系統喚醒時，開啟GSM模塊，等待與基站連接，開啟GPS，等待定位完成。讀取傳感器的數據后保存到SD卡中，然后將傳感器、GSM和GPS處理待機狀態，當有查詢短信進來時，將喚醒GSM模塊，繼而喚醒CPU，CPU喚醒其他的相關模塊，把溫濕度/時間/速度/加速度/海拔高度等狀態信息返回手機。系統框圖如圖1所示。

圖1 物流監測系統構建框架

2 物流監測系統硬件設計

2.1 主控電路設計

如圖2為主控電路。本設計采用的核心控制芯片是STM32F103RBT6單片機，是一款基于CORTEX-M3內核、高性能、低成本、低功耗的微控制器，在軟件和引腳封裝方面同其他STM32系列處理器是兼容的。該微控制器屬于增強型系列，時鐘頻率達到72MHz，是同類產品中性能最高的產品，能實現高端運算。內嵌128KB FLASH程序存儲器，UART、SPI等串行接口以及最大翻轉率18MHz的GPIO，所以使用STM32作為核心控制器是一個較好的選擇。

圖2 主控電路

2.2 電源模塊電路設計

1）供電與充電模塊電路

系統采用鋰電池直接給SIM908模塊供電的方案，GSM的供電范圍為3.2～4.8V，GPS的供電范圍是3.0～4.5V，因此可以直接采用鋰電池供電。而單片機的供電范圍是1.8～3.6V，故采用MIC5205產生提供3.3V的電壓給單片機供電。

充電模塊主要采用TP4057芯片。基于環保節能方面的考慮，該系統采用TP4057作為主要元器件構成充電模塊，TP4057是專門為一節鋰離子或鋰聚合物電池而設計的線性充電器電路，利用芯片內部的功率晶體管對電池進行恒流和恒壓充電。其SOT封裝與較少的外部元件數目使TP4057成為便攜式應用的理想選擇。基于物流監測器體積小和重量輕，必須方便放置在重要物品上特點，采用此充電模塊為電池充電是一個較好的選擇。供電模塊與充電電路分別如圖4、圖5所示。

圖3 充電電路模塊

圖4 單片機供電模塊

圖5 SIM908模塊電路設計

2.3 SIM908模塊電路設計及應用

SIM908是一款集成GPS導航技術的四頻GSM/GPRS模塊。緊湊的模塊尺寸將GPRS和GPS整合在SMT封裝里，為客戶實現內嵌GPS的應用節省了開發時間和費用。其工業級的標準接口和GPS功能，在GSM和GPS信號覆蓋的任何地方都能實現無縫追蹤。

如圖6所示為SIM908模塊PCB板的射頻部分，射頻走線遵循短而直的原則，盡量走直線或弧狀線。對于射頻部分設計，需要結合板層、板厚、材質等大致計算射頻線寬，保證50歐姆左右的輸出阻抗，然后采用PCB阻抗匹配的公式計算出印制線的寬度，計算公式可用下式表示：

其中Er為材料介電常數。一般都用FR-4材料，Er一般取4.2。H為絕緣層厚度，W為印制線寬度，T為印制線厚度。計算阻抗為50歐時印制線的寬度。

總厚度：65×0.0254＝1.6mm

Er=4.2 H=7.3mil T=1.9mil

Ln的底數=2.71828

代入公式：5 0=[8 7/(4.2 +1.4 1)1/2]xln[5.98x7.3/(0.8W+1.9)]計算出繪制PCB板時印制線的寬度為W=11.6mil。

圖6 SIM908模塊PCB板的射頻部分

3 物流監測系統軟件設計

根據物流監測系統的功能需求，首先系統初始化，根據低功耗的需求，采用兩種方法喚醒CPU，其一是定時喚醒，完成信號的存儲后再次進入休眠狀態，其二是接收到短信之后喚醒CPU，完成信號的讀取后將信號轉發回去。CPU正常工作后開啟其他外圍模塊，把溫濕度、振動傳感器以及GPS和GSM模塊的狀態信息以TXT的形式寫入SD卡。程序流程圖框架如圖所示。

4 結論

圖7 主程序流程圖

本文的創新在于，其一消費者能自我掌控物流信息，物流監測系統提供實時的地理位置、環境信息并以短信的形式定時把數據發送到客戶端；其二可以實現雙向通信，除了手機接收信息，還可以利用手機控制得到即時信息數據；其三數據具有存儲和回看功能，方便管理和提供清單，為糾紛投訴提供證據。使用微處理器整合GPS和GSM并使用低功耗器件，使整個系統靈活，穩定高效，續航時間長。

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