基于物聯網的特種貨物監測系統設計

楊柏松，鄭景星，劉 美，陳金鵬

（1.廣東石油化工學院 自動化學院，廣東 茂名 525000；2.廣東石油化工學院教務處，廣東茂名 525000）

特種貨物運輸在現代日常生活中比較常見，然而，當前的特種貨物運輸條件、相關技術以及工作人員素質、安全意識無法與近年來快速增長的特種貨物運輸量和需求相匹配，導致特種貨物在運輸的過程中出現諸多問題，如貨物損壞，在嚴重的情況下，可能會引起交通事故，造成傷亡、交通癱瘓和財產損失[1]。如何確保貨物運輸安全、提高消費者信任度成為了各物流運輸公司關注的焦點。

常規特種貨物監測裝置存在無法記錄貨物溫度、濕度、振動狀態等環境參數的缺點，且傳統設備監測的對象大多不是特種貨物本身[2]，因而無法準確判斷是否因運輸過程中不規范操作而造成貨物損壞，配送方與客戶也經常發生糾紛。

設計的系統針對貨物運輸過程所處環境，結合物聯網模塊、電源模塊、傳感器模塊、存儲單元等實現對特種貨物運輸的監測，并且提供一系列對特種貨物實時監測的服務，友情提示運輸人員要注意保護運輸物品。小型化、智能化、多功能化、低功耗等設計定位將在物流運輸領域具有很好的應用價值。

1 系統硬件設計

1.1 系統整體設計

由于設計的系統功能較多，考慮到系統整體功能實現和芯片引腳數量、處理器運算效率、處理器內部資源、成本等因素，特種貨物監測系統以意法半導體集團的STM32F103RCT6 作為硬件主控，根據系統整體功能需求，對芯片引腳進行合理分配，搭載相應的電源穩壓電路、ST_LINK 程序下載調試接口、蜂鳴器報警電路、振動檢測模塊、數據存儲單元、ADC 數據采集接口、復位電路、溫濕度檢測電路、顯示模塊、晶振電路以及通信模塊來實現系統整體功能。系統框架圖如圖1 所示。

圖1 系統框架圖

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用而設計[3]，其芯片具有64 個功能引腳，可滿足系統功能要求，最高工作頻率可達72 MHz，運算速度非常快，在所有外設（如ADC、I2C、RTC、SPI 等）正常工作時，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，具有較高的穩定性。ROM 容量為256 kB、RAM 容量為48 K，內部資源豐富，因其集成各種接口，因此基本不需要外部的硬件進行擴展。

1.3 溫度檢測單元

DHT11 模塊為三線制,分別為VCC、GND、DATA,在進行硬件原理圖設計時，通常將一個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定性。該模塊采用單總線控制，并且以數據形式輸出采集的溫濕度參數，單片機I/O 口與模塊數據線相連即可獲得當前模塊所處環境的溫濕度參數，電路設計如圖2 所示。

圖2 溫濕度檢測電路設計

1.4 振動檢測單元

系統設計采用MPU6050 模塊獲取特種貨物的加速度和陀螺儀參數，通過姿態解算來判斷貨物是否損壞。MPU6050 模塊配置和數據傳輸都是通過IIC 進行的，IIC 對通信時序要求較高，在硬件進行PCB 布線時，應盡量減少IIC 布線距離，以減小通信干擾。振動檢測單元設計如圖3 所示。

圖3 振動檢測單元設計

1.5 數據存儲單元設計

為了實時記錄運輸特種貨物環境參數和姿態，在設計中采用了AT24C02 存儲芯片，電路圖如圖4所示。

圖4 存儲單元設計電路圖

1.6 通信模塊設計

數據的交互是通過GSM 物聯網模塊[4]進行的，GSM 通信模塊采用高效調制器，具有寬傳輸帶寬和高頻譜通信效率，與ZigBee、藍牙通信相比，GSM 通信只需插入一張手機卡，然后通過軟件配置即可實現短信功能。此外，GSM 模塊與單片機之間的通信是通過串口的方式進行的，通信方式配置比較簡單。隨著三大運營商網絡基站的建設，GSM 模塊通信盲區、通信信號、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境因素的影響，因此，GSM 模塊被廣泛應用于工業領域。

1.7 人機交互界面設計

為了實時直觀地顯示傳感器數據并實現良好的人機交互界面，在系統中搭載了0.96 寸OLED 顯示屏。該OLED 顯示屏模塊具有多種驅動接口，分別為IIC、SPI、6800、8080。OLED 顯 示 屏 內 部 采 用SSD1306 IC 驅動，由于此款IC 內部具有升壓功能，因此在設計系統原理圖時不需要設計專門的升壓電路。所以硬件上只需保證SPI 通訊正常，OLED 的時鐘線和其數據線接口都是基于STM32 芯片的資源及本系統所需的芯片引腳進行分配，將其連接到相應的芯片I/O 即可。OLED 顯示內容、格式、顏色、字體等只需在軟件進行配置，較為簡單。人機交互界面設計如圖5 所示。

圖5 人機交互界面設計

為了減少系統功耗，在系統開發過程中，設計一個按鍵控制OLED 顯示屏工作狀態，其原理為通過檢測單片機引腳電平，判斷按鍵是否按下，然后調用OLED 功能函數控制其是否顯示。按鍵控制電路如圖6 所示。

圖6 按鍵控制電路

2 系統軟件設計

2.1 數據交互協議

為了保證發送端與接收端對數據含義的解析和數據傳輸的安全性，通信雙方約定了一種通信協議。幀頭和幀尾為固定的十六進制數，數據是一個數據包，包括設備號、貨物狀態等信息，通過該通訊協議，能夠簡單準確地進行數據發送和校驗。數據交互協議如表1 所示。

表1 數據交互協議

數據內容01327700 含義：設備號01；溫度32 ℃；濕度77%；貨物狀態00。

2.2 數據處理分析

在現代化工業中，傳感器相當于人的五官，能夠對工業環境和生產機器狀態進行監測，并且能自動控制和調節生產過程的各種參數，使設備處于最佳工作狀態，傳感器是現代化生產實現自動檢測、自動調節和閉環控制的重要器件。

特種貨物狀態監測數據來源于多個傳感器，這些傳感器數據是非線性的、時變的和復雜的。因此，為了保證系統的綜合性能，需要對采集的數據進行運算放大、濾波、數據融合、姿態解算，提高系統的綜合性能以及系統的可靠性。

數據采集和處理的過程如下：采用多源傳感器采集貨物狀態，并將傳感器采集到的信息轉化為電信號，通過STM32 單片機內部12 位模數（A/D）轉換，將傳感器采集特種貨物所處環境的電信號轉化為一定范圍內的數字信號，對這些數據進行運算放大和數字濾波處理，然后對處理后的多路數據進行數字融合和特征提取，從而判斷貨物是否損壞。傳感器數據采集與處理流程圖如圖7所示。

圖7 數據采集與處理流程圖

2.3 姿態解算分析

一般來說，通過貨物姿態解算即可得到貨物的狀態。在分析各種姿態解算算法計算量和兼顧系統運算速度后，在系統中采用四元素法。在俯仰角為90°時，四元方程不存在“萬向死鎖”現象。通過姿態計算判斷貨物姿態，從而實現對貨物振動狀態監測。定義一個四元素方程為：

式中，ωx、ωy、ωz為三軸角速度，根據上式微分方程可得四元素動態表達式：

對上式采用畢卡逼近法則，展開得:

式中，q(t)表示t時刻的四元素，q(t0)表示在初始t0狀態下的四元素值。

由上面的公式可知，只要確定某一時刻的四元素和角速度，就可以計算出載體的姿態，與其他姿態解算算法相比較，四元素法只需要解4 個方程，計算量較小，較容易在STM32 上實現。

3 系統測試

通過對系統進行全面的測試和檢測，能排除修正系統存在的問題，確保系統在實際環境中能夠穩定運行。

利用串口工具監測系統在貨物異常狀態下發送的報警數據，以測試系統的數據采集以及數據融合判斷和姿態解算是否合理、數據是否存在丟包現象。不斷通斷系統供電電源，觀察各模塊采集數據是否收到干擾。對系統進行壓力測試和重復性操作，觀察系統能否正常運行。

經測試，特種貨物監測系統測符合預期要求，各模塊功能和系統需求相符，在壓力和異常測試時，各模塊數據采集合理，系統仍能穩定運行，測試通過。測試結果如圖8 所示。

圖8 系統測試

在貨物處于異常狀態時，硬件終端通過蜂鳴器報警，同時在OLED 顯示屏顯示貨物狀態，測試結果如圖9 所示。

圖9 貨物異常測試

為了提醒用戶了解貨物的異常轉態，通過GSM物聯網模塊向用戶發送報警信息，信息測試結果如圖10 所示。

圖10 報警數據發送測試

4 結論

特種貨物運輸在日常生活中較為常見，然而由于技術原因以及工作人員素質等因素，導致特種貨物在運輸中會出現諸多問題，開發一款可以監視貨物運輸狀態的貨物監測系統顯得十分重要。這不僅可以避免配送方與客戶由于貨物損壞問題發生糾紛，而且可以友情提示工作人員在運輸特種貨物過程中注意保護貨物，降低貨物發生損壞的概率。

國內也有許多著名專家和學者嘗試將物聯網技術應用到特種貨物運輸監測中。但是，物聯網技術在特種貨物運輸監測方面的應用仍處于起步狀態。另外，這些特種運輸監測研究與應用多數針對運輸工具，如汽車、火車、船、飛機等，而不是監測特種貨物本身狀態。因此，對于物聯網技術在特種貨物運輸監測方向的深入研究和探討顯得十分重要與迫切。