基于運(yùn)動傳感器的家電物流監(jiān)管系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王宏善 崔建順 胡躍明 付柏楊

第一作者簡介：王宏善（1989-），男，碩士，工程師。研究方向?yàn)橹悄芙煌ㄅc物聯(lián)網(wǎng)。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.15.029

摘? 要：針對家電物流運(yùn)輸過程貨損比例高、監(jiān)管難、追責(zé)無依據(jù)等問題，設(shè)計(jì)基于運(yùn)動傳感器的家電物流監(jiān)管系統(tǒng)，該系統(tǒng)由監(jiān)管終端和監(jiān)管平臺組成。監(jiān)管終端基于STM32L431和運(yùn)動傳感器低功耗設(shè)計(jì)，通過采集并處理家電運(yùn)輸過程中貨物的位置、溫濕度、加速度、角速度等信息，生成貨物跌落、倒置、傾斜等告警信息，以4G通信方式上報給監(jiān)管平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、統(tǒng)計(jì)分析，形成業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)供用戶查看。試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)合理可行，可對家電物流運(yùn)輸進(jìn)行全過程監(jiān)管，促使相關(guān)人員規(guī)范作業(yè)，從而有效降低貨損率。

關(guān)鍵詞：運(yùn)動傳感器；STM32L431；低功耗；家電；物流監(jiān)管

中圖分類號：TP277 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）15-0128-05

Abstract： In order to solve the problems of high proportion of goods loss， difficult supervision and no basis for liability in the process of home appliance logistics transportation， a home appliance logistics supervision system based on motion sensor is designed， which is composed of supervision terminal and supervision platform. Based on the low-power design of STM32L431 and motion sensor， the supervision terminal collects and processes the position， temperature and humidity， acceleration， angular velocity and other information of goods during the transportation of household appliances， generates alarm information such as goods falling， inverted and tilted， and reports them to the supervision platform for data processing and statistical analysis in 4G communication mode to form business data for users to view. The test results show that the system is reasonable and feasible， which can supervise the whole process of household appliance logistics and transportation， and urge the relevant personnel to standardize the operation， so as to effectively reduce the rate of goods damage.

Keywords： motion sensor; STM32L431; low power consumption; household appliances; logistics supervision

在家電行業(yè)，因物流過程中碰撞跌落、擠壓變形等因素產(chǎn)生的家電貨損比例非常高，約占總貨損的70%。特別是人工裝卸車過程，像拋擲、高處拽落、高處滑落和肩扛等動作極易造成貨損，裝車不蓋防雨布被雨淋、倉庫濕度高也是造成貨損的常見因素[1]。目前貨損管控比較困難，存在貨物狀態(tài)信息難獲取、運(yùn)輸配送難監(jiān)管、貨物損壞追責(zé)無依據(jù)等問題。針對此問題，本文設(shè)計(jì)了基于運(yùn)動傳感器的家電物流監(jiān)管系統(tǒng)，由監(jiān)管終端實(shí)時監(jiān)測貨物的位置、溫濕度、加速度和角速度等信息，融合計(jì)算后，將跌落、倒置、傾斜和位置等信息上報給監(jiān)管平臺分析處理，生成業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)供用戶查看，使貨損監(jiān)管人員如臨其境，及時掌握追責(zé)定損依據(jù)，促使相關(guān)人員規(guī)范作業(yè)，有效降低貨損率，為智能監(jiān)管和降本增效提供可靠的信息化保障。

1? 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

家電物流監(jiān)管系統(tǒng)由監(jiān)管終端和監(jiān)管平臺組成。監(jiān)管平臺部署在公網(wǎng)可訪問的服務(wù)器上，監(jiān)管終端安裝于家電包裝箱內(nèi)。監(jiān)管終端在貨物運(yùn)輸全周期內(nèi)實(shí)時監(jiān)測貨物跌落、倒置、傾斜、急加速和急減速等異常行為，通過4G移動通信方式將可能發(fā)生貨損的異常行為告警、溫濕度、位置等狀態(tài)信息上報給監(jiān)管平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)分類和存儲，形成基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫和時序數(shù)據(jù)庫，進(jìn)而由數(shù)據(jù)模型對數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)損定責(zé)、運(yùn)損趨勢、運(yùn)損損失等全方位數(shù)據(jù)分析。用戶通過瀏覽器即可遠(yuǎn)程訪問物流監(jiān)管平臺，進(jìn)行平臺登錄、用戶管理、信息設(shè)置與查詢、貨物狀態(tài)監(jiān)控、物流整體態(tài)勢監(jiān)管和運(yùn)損信息查詢等操作。此外，監(jiān)管平臺可對監(jiān)管終端設(shè)備進(jìn)行全生命周期管理，如貨品和設(shè)備綁定、設(shè)備參數(shù)閾值設(shè)置、監(jiān)控參數(shù)信息統(tǒng)計(jì)等。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1? 系統(tǒng)總體框圖

2? 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要是監(jiān)管終端的硬件電路設(shè)計(jì)，其硬件構(gòu)成框圖如圖2所示，主要由主控模塊、電源模塊、運(yùn)動傳感器模塊、溫濕度傳感器模塊、蜂窩通信模塊組成。

圖2? 硬件構(gòu)成框圖

2.1? 主控模塊

監(jiān)管終端采用電池供電，要求待機(jī)時間長、功耗低，在器件選型、電路設(shè)計(jì)時需要考慮低功耗需求。STM32L431CBT6是一款超低功耗32位單片機(jī)[2]，最低功耗模式耗電僅為0.01 μA，正常運(yùn)行模式耗電為84 μA/MHz，最高主頻80 MHz，帶浮點(diǎn)運(yùn)算單元，能很好得滿足低功耗設(shè)計(jì)需求和運(yùn)動狀態(tài)評估計(jì)算需求。圖3為STM32L431CBT6最小系統(tǒng)圖。

2.2? 低功耗電源電路設(shè)計(jì)

在進(jìn)行低功耗設(shè)計(jì)時，需要選擇靜態(tài)電流小的電源轉(zhuǎn)換器芯片。靜態(tài)電流是衡量一款電源轉(zhuǎn)換器芯片是否適合低功耗應(yīng)用的核心指標(biāo)之一，靜態(tài)電流是指電源轉(zhuǎn)換器在無負(fù)載條件下自身消耗的電流。像工程上常用的AMS1117電源芯片，其靜態(tài)電流典型值為5 mA，顯然不適合低功耗應(yīng)用場景?？紤]電池滿電電壓約為5.1 V，選用TPS62740作為主電源芯片[3]，輸入電壓范圍2.2～5.5 V，靜態(tài)電流典型值僅為0.36 μA，非常適合電池供電的低功耗應(yīng)用場景，通過VSEL引腳將輸出電壓設(shè)置成3.3 V給STM32L431和3.3 V外設(shè)供電。對于蜂窩通信模組，供電電壓為4.08 V，考慮電池電量消耗后電壓會下降到4 V以下，選用可升壓降壓的buck-boost電源轉(zhuǎn)換器MP28164給蜂窩通信模組供電，輸出電壓通過反饋電阻設(shè)置成4.08 V，為降低待機(jī)功耗，通過STM32L431的IO口對MP28164的EN使能管腳進(jìn)行控制，待機(jī)時關(guān)閉MP28164電源，以降低待機(jī)功耗。TPS62740與MP28164電路圖如圖4所示。

圖3? STM32L431CBT6最小系統(tǒng)圖

2.3? 運(yùn)動傳感器電路設(shè)計(jì)

物流監(jiān)管終端可能會隨家電存放在倉庫達(dá)半年之久，要求待機(jī)時間至少1年以上。為滿足待機(jī)時長，選用一款超低功耗三軸MEMS加速度計(jì)ADXL362[4]，工作于運(yùn)動觸發(fā)喚醒模式，功耗為0.27 μA，當(dāng)ADXL362監(jiān)測到監(jiān)管終端運(yùn)動時，通過中斷輸出管腳INT連接STM32F431的PA0管腳喚醒單片機(jī)進(jìn)行貨物運(yùn)動信息監(jiān)測。選用MPU6050傳感器進(jìn)行貨物加速度、角速度監(jiān)測，當(dāng)ADXL362監(jiān)測到貨物靜止時，通過STM32F431的IO關(guān)斷MPU6050傳感器的電源，以降低待機(jī)功耗。ADXL362與MPU6050電路圖如圖5所示。

2.4? 溫濕度傳感器電路設(shè)計(jì)

溫濕度傳感器采用SHT20[5]，待機(jī)模式功耗典型值為0.15 μA，溫度測量范圍-40 ℃～125 ℃，精度0.01 ℃；濕度測量范圍0%～100% RH，精度0.04% RH。SHT20電路圖如圖6所示。

圖4 TPS62740與MP28164電路圖

圖5? ADXL362與MPU6050電路圖

2.5? 蜂窩通信電路設(shè)計(jì)

物流監(jiān)管終端通過蜂窩通信模組與監(jiān)管平臺進(jìn)行無線通信[6]，同時通過蜂窩基站進(jìn)行定位信息獲取。蜂窩通信模組選用Air720D，該模組支持2G/4G通信，最大上行速率50 Mbps，最大下行速率150 Mbps，支持串口數(shù)據(jù)傳輸。STM32L431通過串口與Air720D進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，Air720D將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至部署在公網(wǎng)服務(wù)器上的監(jiān)管平臺，進(jìn)而完成物流監(jiān)管終端與監(jiān)管平臺的數(shù)據(jù)交互。蜂窩通信電路實(shí)物圖如圖7所示。

圖6? SHT20電路圖

圖7? 蜂窩通信電路實(shí)物圖

3? 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括監(jiān)管終端的嵌入式軟件設(shè)計(jì)和監(jiān)管平臺的云平臺軟件設(shè)計(jì)。

3.1? 監(jiān)管終端軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)管終端軟件設(shè)計(jì)主要包括低功耗喚醒[7]、狀態(tài)監(jiān)測、運(yùn)動狀態(tài)分析和數(shù)據(jù)上報等內(nèi)容。監(jiān)管終端上電后會自動進(jìn)入低功耗待機(jī)狀態(tài)，當(dāng)監(jiān)測到設(shè)備移動時，喚醒單片機(jī)進(jìn)入正常工作模式，實(shí)時分析MPU6050輸出的三軸加速度和角速度信息，計(jì)算貨物運(yùn)動狀態(tài)及姿態(tài)并存儲。當(dāng)監(jiān)測到貨物有跌落、傾倒、急加速和急減速等異常狀態(tài)時，通過蜂窩通信模組將告警信息發(fā)送至物流監(jiān)管平臺。當(dāng)未檢測到異常狀態(tài)時，5 min后監(jiān)管終端重新進(jìn)入低功耗待機(jī)模式。監(jiān)管終端隨貨物放置于倉庫時仍需監(jiān)控其位置、設(shè)備電量等信息，所以每隔24 h進(jìn)行一次RTC（實(shí)時時鐘）喚醒，將設(shè)備姿態(tài)角度、溫濕度、電量等信息上報至監(jiān)管平臺。軟件流程如圖8所示。

3.2? 監(jiān)管平臺軟件設(shè)計(jì)

物流監(jiān)管平臺采用B/S架構(gòu)，部署在公網(wǎng)可訪問的服務(wù)器上，主要實(shí)現(xiàn)設(shè)備實(shí)時監(jiān)測、設(shè)備管理、告警管理和系統(tǒng)管理等功能，軟件架構(gòu)分為設(shè)備接入層、數(shù)據(jù)平臺層、業(yè)務(wù)平臺層3層，軟件架構(gòu)圖如圖9所示。

圖8? 監(jiān)管終端軟件流程圖

設(shè)備接入層，通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議接入物流監(jiān)管終端，實(shí)時接收并解析終端上報的位置、溫濕度、運(yùn)動狀態(tài)、電量和告警等協(xié)議數(shù)據(jù)，進(jìn)而交由數(shù)據(jù)平臺層處理。

數(shù)據(jù)平臺層，對原始采集的終端監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行清洗、分類、存儲，形成基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫和時序數(shù)據(jù)庫，進(jìn)而由數(shù)據(jù)模型對處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)損定責(zé)、運(yùn)損趨勢、運(yùn)損損失、設(shè)備運(yùn)動行為和物流公司運(yùn)輸安全性等方面的分析，為物流運(yùn)輸管理和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)展現(xiàn)提供強(qiáng)有力支撐。

業(yè)務(wù)平臺層，以友好的操作界面直面用戶使用，為用戶提供設(shè)備監(jiān)測、設(shè)備管理、設(shè)備告警等業(yè)務(wù)功能，以此進(jìn)一步提供了物流貨品運(yùn)輸過程的全程監(jiān)控、運(yùn)輸異常結(jié)果及原因分析，為物流運(yùn)輸監(jiān)控、運(yùn)損監(jiān)測、運(yùn)損復(fù)盤、物流過程分析及業(yè)務(wù)決策提供業(yè)務(wù)支撐。

4? 系統(tǒng)測試

為驗(yàn)證家電物流監(jiān)管系統(tǒng)的功能和性能，進(jìn)行監(jiān)管終端和平臺聯(lián)調(diào)測試。家電在裝箱前，將監(jiān)管終端固定于家電包裝箱內(nèi)，通過開關(guān)打開監(jiān)管終端電源，家電與監(jiān)管終端按照映射關(guān)系在平臺端進(jìn)行綁定，之后即可在家電出廠、搬運(yùn)、運(yùn)輸、倉儲和配送等貨物運(yùn)輸全周期內(nèi)查看貨物的狀態(tài)，實(shí)時數(shù)據(jù)可在監(jiān)管平臺上查看，如圖10所示，可查看每個裝有監(jiān)管終端的貨物信息，包括商品狀態(tài)、傾斜角度、溫濕度、終端電量、商品批次和異常告警等。

貨物運(yùn)輸?shù)恼w態(tài)勢、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析可在監(jiān)管平臺總覽界面中查看，如圖11所示，物流監(jiān)管平臺支持電子地圖顯示所有設(shè)備位置，支持實(shí)時狀態(tài)、歷史告警、設(shè)備運(yùn)動軌跡查詢，支持物流公司所屬設(shè)備查詢、區(qū)域內(nèi)設(shè)備查詢，支持設(shè)備全生命周期管理，如貨品和設(shè)備綁定、設(shè)備參數(shù)閾值設(shè)置、監(jiān)控參數(shù)信息統(tǒng)計(jì)等，支持設(shè)備告警信息查詢、告警分類、告警統(tǒng)計(jì)，支持用戶管理、用戶角色管理、用戶權(quán)限管理和系統(tǒng)日志管理等。

圖9? 平臺軟件架構(gòu)圖

圖10? 監(jiān)管終端實(shí)時數(shù)據(jù)平臺端顯示界面

監(jiān)管終端跌落高度計(jì)算的準(zhǔn)確性，對貨損定責(zé)來說至關(guān)重要。跌落類型按平跌、角跌進(jìn)行分類，平跌是指貨物正常姿態(tài)放置、水平跌落，角跌是指貨物與地面有一定傾角、某個角先著地的跌落過程，同樣的跌落高度，角跌比平跌貨損嚴(yán)重，角跌與平跌可通過x、y、z三軸角速度計(jì)算的傾角進(jìn)行區(qū)分。如圖12所示，按跌落高度60 cm平跌，跌落高度60 cm、傾角45°角跌分別進(jìn)行5組測試，跌落高度計(jì)算結(jié)果見表1。由表1可知，經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)測試，跌落誤差可穩(wěn)定保持在4 cm以內(nèi)，測量精度滿足物流監(jiān)管貨損定責(zé)需求，根據(jù)計(jì)算的跌落高度、貨物傾角、溫濕度，以及告警發(fā)生的時間和位置，即可做為貨損定責(zé)依據(jù)，能夠有效監(jiān)管貨物運(yùn)輸全周期內(nèi)參與人員的行為。

圖12? 貨品跌落測試

表1? 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

5? 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一套基于運(yùn)動傳感器的家電物流監(jiān)管系統(tǒng)，從系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)、終端嵌入式軟件設(shè)計(jì)和平臺軟件設(shè)計(jì)等方面詳細(xì)闡述了家電物流監(jiān)管系統(tǒng)設(shè)計(jì)的全過程，并且在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境下進(jìn)行了系統(tǒng)功能性能測試，試驗(yàn)測試證明系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理可行。該系統(tǒng)可對家電出廠、搬運(yùn)、運(yùn)輸、倉儲和配送等環(huán)節(jié)進(jìn)行全過程監(jiān)管，解決了家電物流運(yùn)輸過程中貨物狀態(tài)信息難獲取、貨物定損追責(zé)無依據(jù)等問題，能夠促使物流運(yùn)輸全周期內(nèi)的參與人員規(guī)范作業(yè)，從而有效降低貨損率。目前，該系統(tǒng)已在某家電廠商投入使用。

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