基于STM32的物流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

馬 梅，周惠忠，劉 騰，楊永廣

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

（揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，揚(yáng)州 225127）

0 引言

為了防止重要物資在物流運(yùn)輸環(huán)節(jié)中的損壞與丟失，本文設(shè)計(jì)出一款重要物資物流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，使用時(shí)將該系統(tǒng)設(shè)備和被送物資一同打包。本系統(tǒng)采用先進(jìn)全球定位系統(tǒng)GPS來(lái)準(zhǔn)確檢測(cè)物資當(dāng)前的地理位置；通過(guò)溫度，濕度以及振動(dòng)傳感器來(lái)了解物資當(dāng)前環(huán)境狀態(tài)；獲取的信息通過(guò)GSM移動(dòng)通信系統(tǒng)以短信的形式發(fā)送到用戶手機(jī)，使客戶可以隨時(shí)了解自己物資的位置與狀態(tài)；到達(dá)終點(diǎn)后能調(diào)出更詳細(xì)的數(shù)據(jù)記錄。因需要長(zhǎng)時(shí)間工作且體積受限，設(shè)計(jì)時(shí)使用低功耗器件及高能鋰電池組，來(lái)解決了續(xù)航能力的問(wèn)題。整個(gè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)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(shí)效性，使整個(gè)物流過(guò)程更安全。整個(gè)系統(tǒng)組成包括：1）基于CORTEX-M3內(nèi)核的ARM系列單片機(jī)；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(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)構(gòu)架

由于此系統(tǒng)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(tǒng)采用低功耗的設(shè)計(jì)，CPU不能一直處于工作狀態(tài)，我們?cè)O(shè)置系統(tǒng)每半小時(shí)或者當(dāng)接收到短信時(shí)喚醒CPU，每次工作大約兩分鐘，以此節(jié)約電力的消耗。每當(dāng)系統(tǒng)喚醒時(shí)，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(shù)據(jù)后保存到SD卡中，然后將傳感器、GSM和GPS處理待機(jī)狀態(tài)，當(dāng)有查詢短信進(jìn)來(lái)時(shí)，將喚醒GSM模塊，繼而喚醒CPU，CPU喚醒其他的相關(guān)模塊，把溫濕度/時(shí)間/速度/加速度/海拔高度等狀態(tài)信息返回手機(jī)。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 物流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)建框架

2 物流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控電路設(shè)計(jì)

如圖2為主控電路。本設(shè)計(jì)采用的核心控制芯片是STM32F103RBT6單片機(jī)，是一款基于CORTEX-M3內(nèi)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(qiáng)型系列，時(shí)鐘頻率達(dá)到72MHz，是同類產(chǎn)品中性能最高的產(chǎn)品，能實(shí)現(xiàn)高端運(yùn)算。內(nèi)嵌128KB FLASH程序存儲(chǔ)器，UART、SPI等串行接口以及最大翻轉(zhuǎn)率18MHz的GPIO，所以使用STM32作為核心控制器是一個(gè)較好的選擇。

圖2 主控電路

2.2 電源模塊電路設(shè)計(jì)

1）供電與充電模塊電路

系統(tǒng)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(jī)的供電范圍是1.8～3.6V，故采用MIC5205產(chǎn)生提供3.3V的電壓給單片機(jī)供電。

充電模塊主要采用TP4057芯片。基于環(huán)保節(jié)能方面的考慮，該系統(tǒng)采用TP4057作為主要元器件構(gòu)成充電模塊，TP4057是專門為一節(jié)鋰離子或鋰聚合物電池而設(shè)計(jì)的線性充電器電路，利用芯片內(nèi)部的功率晶體管對(duì)電池進(jìn)行恒流和恒壓充電。其SOT封裝與較少的外部元件數(shù)目使TP4057成為便攜式應(yīng)用的理想選擇。基于物流監(jiān)測(cè)器體積小和重量輕，必須方便放置在重要物品上特點(diǎn)，采用此充電模塊為電池充電是一個(gè)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(jī)供電模塊

圖5 SIM908模塊電路設(shè)計(jì)

2.3 SIM908模塊電路設(shè)計(jì)及應(yīng)用

SIM908是一款集成GPS導(dǎo)航技術(shù)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(shí)現(xiàn)內(nèi)嵌GPS的應(yīng)用節(jié)省了開發(fā)時(shí)間和費(fèi)用。其工業(yè)級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)接口和GPS功能，在GSM和GPS信號(hào)覆蓋的任何地方都能實(shí)現(xiàn)無(wú)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(duì)于射頻部分設(shè)計(jì)，需要結(jié)合板層、板厚、材質(zhì)等大致計(jì)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(jì)算出印制線的寬度，計(jì)算公式可用下式表示：

其中Er為材料介電常數(shù)。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(jì)算阻抗為50歐時(shí)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(shù)=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(jì)算出繪制PCB板時(shí)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(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)物流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能需求，首先系統(tǒng)初始化，根據(jù)低功耗的需求，采用兩種方法喚醒CPU，其一是定時(shí)喚醒，完成信號(hào)的存儲(chǔ)后再次進(jìn)入休眠狀態(tài)，其二是接收到短信之后喚醒CPU，完成信號(hào)的讀取后將信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)回去。CPU正常工作后開啟其他外圍模塊，把溫濕度、振動(dòng)傳感器以及GPS和GSM模塊的狀態(tài)信息以TXT的形式寫入SD卡。程序流程圖框架如圖所示。

4 結(jié)論

圖7 主程序流程圖

本文的創(chuàng)新在于，其一消費(fèi)者能自我掌控物流信息，物流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)的地理位置、環(huán)境信息并以短信的形式定時(shí)把數(shù)據(jù)發(fā)送到客戶端；其二可以實(shí)現(xiàn)雙向通信，除了手機(jī)接收信息，還可以利用手機(jī)控制得到即時(shí)信息數(shù)據(jù)；其三數(shù)據(jù)具有存儲(chǔ)和回看功能，方便管理和提供清單，為糾紛投訴提供證據(jù)。使用微處理器整合GPS和GSM并使用低功耗器件，使整個(gè)系統(tǒng)靈活，穩(wěn)定高效，續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)。

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