基于近場通訊的低功耗運(yùn)輸狀態(tài)監(jiān)測儀設(shè)計

(北京強(qiáng)度環(huán)境研究所，北京 100076)

0 引言

近年來，隨著我國制造業(yè)的發(fā)展，越來越多的大型結(jié)構(gòu)件和精密儀器如風(fēng)機(jī)葉片、衛(wèi)星、醫(yī)療設(shè)備等，均采用整體出廠，現(xiàn)場安裝的方式進(jìn)行交付。這些產(chǎn)品對于運(yùn)輸過程中經(jīng)受的沖擊、振動和溫濕度等環(huán)境條件都有著嚴(yán)格的要求，一旦超過了規(guī)定的承受范圍，將會導(dǎo)致產(chǎn)品性能劣化、壽命縮短、甚至完全不能使用[1]。另一方面，對于具有易燃、易爆、腐蝕、放射等特性的危險貨物，在運(yùn)輸過程中對沖擊、溫濕度和載運(yùn)工具等運(yùn)輸環(huán)境條件要求很高，否則容易造成財產(chǎn)毀損和人身傷害[2]。因此對產(chǎn)品的運(yùn)輸狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測就顯得十分重要。

目前國內(nèi)物流行業(yè)通常使用沖擊監(jiān)測儀對運(yùn)輸過程中的振動狀態(tài)進(jìn)行記錄，此類設(shè)備監(jiān)測參數(shù)單一、續(xù)航能力有限，且數(shù)據(jù)輸出一般通過有線接口或微型打印機(jī)完成，可操作性和實時性不強(qiáng)[3]。針對這些問題，本文設(shè)計了一款基于近場通訊(Near Field Communication，下文簡稱“NFC”)的低功耗運(yùn)輸狀態(tài)監(jiān)測儀，該設(shè)備能夠以觸發(fā)方式記錄產(chǎn)品運(yùn)輸過程中的“加速度超限事件”，具有監(jiān)測參數(shù)多、運(yùn)行功耗低、能與移動端進(jìn)行實時數(shù)據(jù)交互等特點。

1 硬件構(gòu)架及工作原理

本監(jiān)測儀由電源管理模塊、加速度傳感器、溫濕度傳感器、存儲芯片、NFC模塊、微控制器等部件組成，整體硬件構(gòu)架如圖1所示。

圖1 運(yùn)輸狀態(tài)監(jiān)測儀硬件構(gòu)架

其中，電源管理模塊使用電池管理和穩(wěn)壓芯片，負(fù)責(zé)將外部輸入電源或內(nèi)置電池電壓調(diào)理至后端電路所需電壓；加速度傳感器負(fù)責(zé)實時監(jiān)測設(shè)備當(dāng)前加速度值，并根據(jù)用戶設(shè)定閾值判斷“超限事件”的發(fā)生與否；溫濕度傳感器用于測量當(dāng)前環(huán)境中的溫度和濕度值；存儲芯片是監(jiān)測儀的數(shù)據(jù)存儲單元，能夠在微控制器的控制下寫入或讀取事件記錄；NFC模塊是監(jiān)測儀與移動端進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的橋梁；微控制器是設(shè)備的控制調(diào)度中心，它既能夠控制和讀取MEMS傳感器，并根據(jù)事件觸發(fā)信號將事件記錄寫入存儲芯片，又能與NFC模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，并根據(jù)解析到的外部指令，執(zhí)行對應(yīng)的操作。

在工作過程中，監(jiān)測儀使用MEMS三軸加速度傳感器對貨物在運(yùn)輸過程中承受的加速度值進(jìn)行實時測量，并與用戶預(yù)設(shè)的超限閾值進(jìn)行比較。一旦傳感器監(jiān)測到任意軸向加速度超過閾值即認(rèn)為“超限事件”被觸發(fā)，隨即開啟事件記錄功能，將當(dāng)前時間、溫濕度和設(shè)定時間段內(nèi)的加速度等信息存入存儲芯片。同時，監(jiān)測儀通過NFC模塊與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，它既可以將微控制器上傳的數(shù)據(jù)調(diào)制為符合NFC協(xié)議的射頻信號發(fā)送給移動端，也可以將接收到的移動端射頻信號解調(diào)成數(shù)字信號后，下發(fā)給微控制器以執(zhí)行相應(yīng)的指令。

2 硬件設(shè)計及關(guān)鍵元件選型

為實現(xiàn)設(shè)備功能、降低系統(tǒng)功耗、減小外形尺寸，運(yùn)輸狀態(tài)監(jiān)測儀在硬件設(shè)計過程中對關(guān)鍵元件進(jìn)行了充分的調(diào)研和選型。

2.1 加速度傳感器

監(jiān)測儀選用ADI公司生產(chǎn)的ADXL345型數(shù)字三軸加速度傳感器，其測量范圍最大為±16 g，采樣率可達(dá)3200 Hz，分辨率在全量程內(nèi)均保持為4 mg/LSB(最低有效位)。

該芯片基于MEMS工藝制成，體積小(3 mm×5 mm×1 mm)、功耗極低，工作狀態(tài)下電流消耗僅為23 uA，其內(nèi)置的32級FIFO緩沖器可減輕微控制器負(fù)荷，從而進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)功耗。同時，ADXL345提供活動監(jiān)測功能，能夠?qū)⑷我廨S向加速度超過預(yù)設(shè)閾值的狀態(tài)判定為活動事件，并產(chǎn)生觸發(fā)信號。傳感器留有編程接口，用戶可根據(jù)使用需求隨時更改測量量程、采樣率及活動監(jiān)測閾值等參數(shù)[4]。

2.2 溫濕度傳感器

SHT21型溫濕度傳感器由SENSIRION公司出品，其內(nèi)部集成有一個電容式濕度傳感器和一個帶隙式溫度傳感器，測量范圍分別為0～100% RH和-40～125 ℃，在本監(jiān)測儀中使用該型號產(chǎn)品足以應(yīng)對工業(yè)級的氣候環(huán)境。

同時，因為采用了COMSens?專利技術(shù)，使得SHT21測量功耗低，結(jié)合“長待機(jī)+間歇測量”的工作模式，芯片的平均電流消耗可低至0.1 μA，有利于增加設(shè)備待機(jī)時間。

2.3 NFC模塊

NFC是一種短距離的高頻無線通信技術(shù)，它通過電磁感應(yīng)耦合方式進(jìn)行信息傳遞。因其獨特的信號衰減技術(shù)，使得NFC具有成本低、安全性高、能耗低等特點[5]。

本設(shè)備選用TI公司生產(chǎn)的RF430CL331H型芯片作為NFC模塊，它能夠自動完成RF射頻信號的調(diào)制、解調(diào)工作，最高通訊速率可達(dá)848 kb每秒。該芯片待機(jī)消耗電流低至4 μA，當(dāng)它應(yīng)用于RF電場中時，提供微控制器喚醒功能。同時憑借NFC特有的負(fù)載調(diào)制技術(shù)，RF430CL331H在通信連接過程中可作為無源器件，完全由主機(jī)提供通訊電源，從而大幅延長監(jiān)測儀的電池使用壽命。

2.4 微控制器

作為監(jiān)測儀的控制調(diào)度中心，微控制器采用了TI公司基于鐵電存儲器(FRAM)的MSP430FR5969。該產(chǎn)品內(nèi)置12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和3通道內(nèi)部直接存儲器訪問(DMA)，且外設(shè)接口豐富，可同時支持三個增強(qiáng)型串行通信接口(eUSI)，十分適用于本設(shè)備外接芯片較多的情況。

同時，由于使用了更為先進(jìn)的存儲單元，MSP430FR5969相較于傳統(tǒng)的閃存器件，它具有更快的寫入速度和更低的功耗[6]。搭配經(jīng)優(yōu)化的超低功率模式，微控制器在工作狀態(tài)下電流消耗約為100 μA/MHz，而在待機(jī)狀態(tài)下，消耗電流僅為0.4 μA，這大幅的提升了監(jiān)測儀的續(xù)航能力。

經(jīng)過架構(gòu)制定、元器件選型和PCB板布線后，完成了基于NFC的低功耗運(yùn)輸狀態(tài)監(jiān)測儀硬件設(shè)計。設(shè)備外形尺寸為(45×45×25)mm3，整機(jī)重量(含電池)約為80克，加速度監(jiān)測范圍為±16 g，溫濕度量程分別為-40～85 ℃和0～100% RH，內(nèi)置存儲芯片大小為64 Mbit，可記錄事件次數(shù)大于1300次。

同時由于關(guān)鍵元器件均選用了低功耗芯片，使得本監(jiān)測儀待機(jī)狀態(tài)下的設(shè)計電流消耗僅為0.55 mA，工作狀態(tài)下的設(shè)計電流消耗最大約為17.2 mA。

3 嵌入式軟件設(shè)計

嵌入式軟件主要用于控制微控制器完成與各個硬件模塊之間的數(shù)據(jù)交換和工作流程切換，它由系統(tǒng)初始化和引導(dǎo)程序、事件監(jiān)測中斷服務(wù)程序以及NFC模塊中斷服務(wù)程序三部分組成。

各程序流程圖如圖2所示，其中：系統(tǒng)初始化和引導(dǎo)程序在監(jiān)測儀上電后，首先對微控制器進(jìn)行芯片引腳分配、系統(tǒng)時鐘選擇、RTC和ADC外設(shè)功能配置。然后對MEMS傳感器、存儲芯片以及NFC模塊等外部數(shù)字芯片進(jìn)行串行通訊接口的初始化，再通過讀取各芯片內(nèi)部的ID寄存器可以驗證芯片連接是否正常。若連接失敗，向NFC模塊緩存中寫入“初始化失敗”的標(biāo)識符；若連接成功則按照默認(rèn)設(shè)置對各芯片內(nèi)部寄存器進(jìn)行配置以完成初始化，并向NFC模塊緩存中寫入“初始化成功”的標(biāo)識符。最后，開啟微控制器引腳中斷并使能加速度傳感器和NFC模塊的中斷輸出后，進(jìn)入待機(jī)模式，等待外部中斷的喚醒。

圖2 嵌入式軟件流程圖

在加速度傳感器檢測到事件發(fā)生后，會產(chǎn)生中斷信號觸發(fā)微控制器進(jìn)入事件監(jiān)測中斷服務(wù)程序。程序首先會喚醒微控制器從待機(jī)模式進(jìn)入工作模式，然后讀取事件發(fā)生時刻MEMS傳感器測得的的加速度和溫濕度值，同時導(dǎo)出當(dāng)前RTC模塊中的時間值，再將上述三方面信息作為本次事件的時間戳存入微控制器緩存。隨后服務(wù)程序?qū)⑴袛啾敬问录巡蓸訒r間是否達(dá)到用戶設(shè)定值，若采樣時間未達(dá)到，則繼續(xù)讀取加速度值存入事件緩存，當(dāng)緩存數(shù)據(jù)量達(dá)到程序預(yù)定值時，緩存區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)將被轉(zhuǎn)存入存儲芯片中，并再次判斷采樣時間是否完成；若采樣時間已完成，則本次活動事件的記錄信息更新完成，然后退出中斷服務(wù)程序，等待下次活動事件的觸發(fā)。

當(dāng)NFC模塊檢測到射頻場且與移動端有數(shù)據(jù)交換時，會產(chǎn)生中斷信號觸發(fā)微控制器進(jìn)入NFC模塊中斷服務(wù)程序。程序首先會喚醒微控制器從待機(jī)模式進(jìn)入工作模式。然后讀取NFC芯片的相應(yīng)寄存器以判斷是否成功解析到外部命令，若未解析到命令則退出中斷服務(wù)程序，微控制器重新進(jìn)入待機(jī)模式；若解析到外部命令則按照命令內(nèi)容執(zhí)行相應(yīng)的程序流程。最后在各命令執(zhí)行完成后，微控制器會控制NFC模塊發(fā)送“命令執(zhí)行完成”的回應(yīng)，再退出中斷服務(wù)程序進(jìn)入待機(jī)模式，等待下次通訊事件的觸發(fā)。

同時從圖2中可以看出，程序在執(zhí)行過程中，對設(shè)備工作狀態(tài)的切換進(jìn)行了優(yōu)化，使監(jiān)測儀在無任務(wù)的情況下總是處于待機(jī)模式，從軟件方面進(jìn)一步降低了設(shè)備功耗，延長了監(jiān)測時間。

4 移動端應(yīng)用程序設(shè)計

移動端應(yīng)用程序是為了實現(xiàn)移動端對監(jiān)測儀的控制和對事件記錄的讀取、保存而開發(fā)，程序的主要流程如圖3所示[7]。

打開移動端應(yīng)用軟件后，程序會主動獲取NFC模塊適配器，檢測移動端是否含有NFC功能模塊。若沒有此功能，程序會向移動端推送“該設(shè)備不支持NFC”的信息；若有此功能程序會繼續(xù)檢測移動端的NFC功能模塊是否開啟，如模塊未開啟則跳轉(zhuǎn)至移動端功能設(shè)置界面，等待用戶打開該模塊。在開啟移動端NFC功能后，程序就進(jìn)入了指令設(shè)置界面。在該界面下，程序會主動獲取監(jiān)測儀的設(shè)備信息，如設(shè)備類型、設(shè)備編號、電池電量和總記錄次數(shù)等狀態(tài)信息，并顯示在屏幕上供用戶查閱。同時在該界面下，后臺會不斷檢測是否有命令按鍵被按下，如沒有則繼續(xù)等待；若有按鍵被觸發(fā)，程序即會執(zhí)行按鍵對應(yīng)的命令，如開始/停止采集、參數(shù)設(shè)置/讀取、數(shù)據(jù)讀取/保存等。然后檢測命令是否被成功執(zhí)行，如執(zhí)行成功，程序會推送“命令執(zhí)行成功”的信息；如執(zhí)行失敗，則會推送“命令執(zhí)行失敗”的信息。最后在當(dāng)前命令執(zhí)行完成后，程序會返回指令設(shè)置界面，等待新的命令觸發(fā)。應(yīng)用程序界面截圖如圖4所示。

5 樣機(jī)測試

根據(jù)上述設(shè)備的軟硬件設(shè)計方案，最終完成了基于NFC的低功耗運(yùn)輸狀態(tài)監(jiān)測儀的樣機(jī)研制，為驗證樣機(jī)的工作性能，進(jìn)行了如下測試：

5.1 功能測試

本監(jiān)測儀通過“敲擊法”對設(shè)備的事件監(jiān)測功能進(jìn)行了測試，圖5為其中某次“超限事件”的波形記錄曲線。

圖4 移動端應(yīng)用程序界面截圖

圖5 “超限事件”波形記錄曲線圖

從圖5中可以看到，監(jiān)測儀完整的捕捉到了“超限事件”發(fā)生前后加速度的變化曲線，這樣用戶就能夠根據(jù)事件記錄計算出本次沖擊的能量大小和量級、分析出振動頻率譜，從而對貨物的運(yùn)輸過程做出評價。

5.2 功耗測試

通過測量供電線路上的電流消耗，即可反映出監(jiān)測儀的功耗大小[8]。設(shè)備在不同工作狀態(tài)下的電流消耗如表1所示。

表1 運(yùn)輸狀態(tài)監(jiān)測儀電流消耗

從表1中可以看出，經(jīng)過軟硬件優(yōu)化設(shè)計后，監(jiān)測儀的系統(tǒng)功耗極低。在內(nèi)置電池(容量為1 100 mAh)供電的情況下，設(shè)備待機(jī)時間可達(dá)60余天，同時配合“觸發(fā)”的工作方式，監(jiān)測儀足以完成兩個月之內(nèi)的運(yùn)輸狀態(tài)監(jiān)測任務(wù)。

6 結(jié)束語

本監(jiān)測儀能夠準(zhǔn)確、完整地對貨物運(yùn)輸過程中出現(xiàn)的“超限事件”進(jìn)行監(jiān)測和記錄，可廣泛應(yīng)用于物流、運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)，為以下工作提供有效的數(shù)據(jù)支持：

1)對于運(yùn)輸過程中的超限情況進(jìn)行記錄；

2)評估運(yùn)輸過程中各種環(huán)境因素對產(chǎn)品所造成的影響；

3)檢測產(chǎn)品包裝是否達(dá)到預(yù)期效果；

4)考察產(chǎn)品運(yùn)輸路線的嚴(yán)酷程度并進(jìn)行合理規(guī)劃；

5)對產(chǎn)品已經(jīng)發(fā)生的損壞進(jìn)行責(zé)任界定。