一種基于STm32的物流車輛內部安全閉環監控系統

魏子彬,韋思佳,彭 濤,王子琦

(1.東北林業大學信息與計算機工程學院,黑龍江 哈爾濱 150040;2.東北林業大學交通學院,黑龍江 哈爾濱 150040)

1 引 言

隨著生活節奏加快,網絡購物興起,物流快遞服務行業的發展迎來前所未有的崛起機會,但快件的安全性問題也突顯出來。每年發生物流車輛著火、翻車以及其他原因導致的物流運輸中斷,甚至威脅到了人身安全問題和貴重物品的安全問題,給人們敲響了警鐘。提升物流車輛的安全性是提高物流速度與物流過程安全性的重要組成部分,所以對于物流車輛內部環境的檢測以及參數控制在物流安全運輸中有著重要的地位。目前現有的物流系統監控不夠完備,物流運輸過程中可能導致貨物損壞的因素不可控,無法有針對性的改進。

針對上述問題,王史春[1]等人針對當前的物流系統,設計了基于云平臺的智能物流倉儲系統,對物流系統進行實時監控,提升物流智能化管理,掌握底層數據。王義勇[2]等人針對農產品冷鏈物流,提出并開發了一種農產品冷鏈物流監測平臺,提高冷鏈物流過程的透明度,降低物流損耗,對冷鏈產品進行有效地監測。付雄新[3]等人針對農產品物流的特點,提出了一種基于無線傳感器網絡和無線數據傳輸技術的農產品物流運輸裝備智能監測與跟蹤系統。陳宇錚等[4]基于RFID設計了冷鏈物流監測系統。然而,目前關于物流車輛內部監控的研究還存在著監控內容單一、網聯穩定性差和控制智能化程度低等問題[5-7]。

針對上述的問題,本文探討了以下內容:(1)運用Python+云服務器的數據庫進行數據處理存儲,指令的下發控制以及后期基于數據的實時網頁可視化處理;(2)采用運行在微控制器上的嵌入式實時操作系統與閉環反饋控制技術的應用,運輸過程中對于傳統人工監控在多種并發性應急處理事件以及快速預警方面具有明顯優勢的;⑶結合物聯網遠程控制反饋技術和現場實時閉環控制以及遠端信息安全傳輸等技術監測運輸安全過程中的關鍵性問題以及控制的智能化。

2 裝置設計

本項目基于STm32微控制器強大的動態數據采集以及內部邏輯控制的功能,通過現有多種外界傳感器數據(密閉溫濕度,火焰探測,煙霧有毒氣體)采集數據,針對不同的傳感器的信號輸出設計不同的傳感器信號調制電路。包括用于接收信號并發出控制命令的控制模塊,用于采集環境信號的傳感模塊,用于根據收到的命令動作以改變狀態的繼電器模塊,用于連接控制模塊與通信網絡的通信模塊;控制模塊通過MCU_SENSOR_Harness接口連接傳感模塊,控制模塊通過MCU_RELAY_Harness接口連接繼電器模塊,控制模塊通過MCU_SIM7600CE_Harness接口連接通信模塊。

圖1 裝置流程

STm32微處理器核心電路包括控制器U1,型號為STm32F105RCT6,RTC電路Y132.768k,配合C2與C4起振,連接至單片機的PC14和PC15引腳,控制器晶振電路X18 mHz配合C5與C7,分別連接單片機的5與6引腳。復位電路由R1與C10構成,連接脈沖復位引腳NRST;H1與H2為兩路通信串口,連接PA10與PA9引腳,連接PC11與PC10引腳。指示燈LED1與LED2連接限流電阻R4與R5至3.3V,另一端連接單片機的PA5與PB11;BOOT模式由R2電阻一端到地,一端連接60引腳BOOTO;H3為程序下載調試接口,連接單片機的PA14SWCLKPA13SWDIO。MCU SIM7600CE Harness連接外部4G模塊,通信I0口分別為,串口發PA9串口收PA10RTS CTS暫時沒用。MCU_SENSOR_Harness連接外部傳感器模塊,分別是SHT30I2C接口PA2與PA3;BH1750I2C接口與地址線,PB3,PD2與PC12;MQ-7兩線通信數字DO連接PC1模擬IO連接PCO。MCU RELAY_Harness連接外部4路繼電器,分別是連接PB6,PB7,PB8,PB9。

4G通信模塊由SIM7600CE主通信模組配合外部通信接口芯片與保護芯片配合天線電路,指示燈電路組成;通信接口芯片U2經3.3V與1.8V經C12C13電容連接芯片VCC口,實現U3SIM7600CE串口線RTS/CTS/RXD/TXD,轉換電平,連接至單片機的IO接口,接口為SIM7600CE_Harness;SIM卡接口由CARD1實現,電阻R9/R10/R11配合電容C14/C15/C16,連接至U3的17/18/19引腳,實現SIM卡電路,同時D1保護線路的靜電干擾能力;U3的79引腳為GPS天線接口,R15為跨接0R電阻C18C19可不焊接,C20為信號耦合電容,配合R14與L1連接3.3 V電源為RF1接口的GPS有源天線提供驅動,E1為信號保護二極管;U3的82引腳連接外部通信主天線,同理R20為跨接0R電阻,C21/C22可不焊接;E2為保護二極管,RF2連接外部4G天線;U3的51腳為指示燈引腳,連接R18,R19控制NPN三極管Q1的基極,控制經過限流電阻RX1的LED3的運行狀態。

電源輸入與轉化電路包括4個部分:C27與D4組成12V DC電源輸入濾波與保護電路,12V電源分兩路轉化;第一路R24為跨接0R電阻,經C29/C30進入U4的第7腳,引腳上的R21/R21進行分壓;到地連接U4的2引腳,使能電源芯片工作,C23跨接U4的1/8引腳,U4的6引腳上的電阻R25控制開關頻率,U4的3引腳上的電阻R26與電容C28為補償控制;U4的1引腳為輸出電壓引腳,由D3整流二極管與L2功率電感,保證續流作用;C24/C25為輸出旁路電容;U4的4引腳為反饋電壓引腳,連接R28/R27至電源輸出端;R23為輸出5 V跨接0R電阻。第二路經LDO U5的輸入旁路電容連接至3引腳,1引腳接地,2/4引腳為輸出3.3 V;電源C34為旁路濾波電容,R29為3.3V跨接0R電阻。由U4轉化的5V電源,經R32跨接電阻配合C41/C42濾波電容進入U6的3引腳,R34連接輸入端;與5引腳的芯片使能功能,C35連接芯片的輸出2引腳與6引腳,跨接電容作用,輸出電壓經L3電感續流,連接R33/R35分壓反饋輸入U6的4引腳,輸出電壓3.8 V經一系列電容C36/C37/C38/C39/C40連接;R30跨接電阻,輸出電壓3.8 V。

參見圖5,繼電器模塊RELAY_Harness由單片機控制,分別控制4路繼電器IO,分別連接至U7的1/3/6/8引腳;9腳為接地引腳,控制輸出引腳分別為18/16/13/11引腳,C43為去耦合電容連接10引腳到地;控制信號RELAY1連接K1繼電器的8引腳,并連接續流二極管D5的正極端,K1的2/7引腳不接,3/6引腳連接外部12 V電源,4/5引腳連接CN1的2引腳,CN1的1引腳接地;同理RELAY2信號控制D6/K2/CN2,RELAY3信號控制D7/K3/CN3,RELAY3信號控制D7/K3/CN3,RELAY4信號控制D8/K4/CN4。

SENSOR_Harness由單片機控制,分別控制3種傳感器的通信總線;傳感器P2GY-SHT30-D的1引腳連接C45去耦合電容至3.3V電源,2引腳接地;3/4引腳分別為I2C通信總線,連接至外部單片機IO上通信。傳感器P3GY-302BH17501/2/3引腳分別為地址控制線與I2C控制通信線,直接連接至外部單片機的IO引腳進行通信,4/5引腳為地線與電源線引腳連接5V電源,C46去耦合電容;傳感器P4 mQ-741/5引腳為地線與電源線引腳連接5V電源,C46去耦合電容。

3 裝置效能

本文提出的物流安全運輸監測根據運輸貨物與運輸車輛的安全問題及實時性,結合物聯網遠程控制反饋技術和現場實時閉環控制以及遠端信息安全傳輸等技術,實時監測車輛運行位置與車內儲存環境狀態等參數,一旦發生閾值超限的狀態,監控系統中的硬件裝置會急速采取相應的應急措施。

本裝置基于遠程通信控制系統與現場自動控制技術,通過實時采集多種車輛內部環境參數與定位消息,并將參數實時上傳至監控服務端以分析并對比標準操作決策,確定控制舉措,確保產品運輸過程中處于優良可調控的環境。

通過采用物聯網與自動控制技術的應用,可以在完成控制手段后閉環反饋當前控制手段的不完善的地方執行二次閉環回路控制。如在進行降溫的操作之后再次將多種外界的環境參數融合分析作為溫度失控的原因,并執行二次控制。如打開排氣閥與加濕器協同空調,對整個溫度進行降溫的。同樣的,在遠端監測到了車輛內部具有異常的情況發生,遠端服務器會下發協同控制的指令,會將情況下發送到司機的手機當中,在多方面同時精確掌握運輸過程中的安全問題,實時控制物流運輸狀態。

通過對比國內外現代化物流安全監測和網聯交通設施設備的發展現狀[8-9],針對當前物流運輸管理過程需要解決的病痛點,提出當前主要解決的問題有運輸車內環境多種參數的傳感器采集測量、遠程控制機構的智能化管理、聯網數據庫的存入與調取。通過解決關鍵性的問題,達到精準型與智能化的物流車輛內部控制系統。

4 結 語

本裝置是根據物流運輸過程中食品和車輛的實時環境和安全性,結合物聯網遠程控制反饋技術和現場實時閉環控制以及遠端信息安全傳輸等技術,實時監測當前物流運輸車輛運行的位置與車廂內物件的儲存環境狀態等參數,一旦發生閾值超限的狀態,監控系統中的硬件裝置會急速采取相應的應急措施。采用運行在微控制器上的嵌入式實時操作系統與閉環反饋控制技術,運輸過程中較傳統人工監控在多種并發性應急處理事件以及快速預警方面具有明顯優勢,滿足物流安全運輸現代化進程的發展目標。該方法以實時檢測的各種物流車輛的內外狀態為基礎,進行閉環回路性控制,與傳統人為監控手段方法相比,所需的控制時間更為快速,檢測的辦法更為省時省力,是物流運輸方面的一種新的嘗試,可以為物聯網發展下的智能運輸系統安全提供參考性的建議與可行性的手段。