基于物联网的特种货物监测系统设计

杨柏松，郑景星，刘 美，陈金鹏

（1.广东石油化工学院 自动化学院，广东 茂名 525000；2.广东石油化工学院教务处，广东茂名 525000）

特种货物运输在现代日常生活中比较常见，然而，当前的特种货物运输条件、相关技术以及工作人员素质、安全意识无法与近年来快速增长的特种货物运输量和需求相匹配，导致特种货物在运输的过程中出现诸多问题，如货物损坏，在严重的情况下，可能会引起交通事故，造成伤亡、交通瘫痪和财产损失[1]。如何确保货物运输安全、提高消费者信任度成为了各物流运输公司关注的焦点。

常规特种货物监测装置存在无法记录货物温度、湿度、振动状态等环境参数的缺点，且传统设备监测的对象大多不是特种货物本身[2]，因而无法准确判断是否因运输过程中不规范操作而造成货物损坏，配送方与客户也经常发生纠纷。

设计的系统针对货物运输过程所处环境，结合物联网模块、电源模块、传感器模块、存储单元等实现对特种货物运输的监测，并且提供一系列对特种货物实时监测的服务，友情提示运输人员要注意保护运输物品。小型化、智能化、多功能化、低功耗等设计定位将在物流运输领域具有很好的应用价值。

1 系统硬件设计

1.1 系统整体设计

由于设计的系统功能较多，考虑到系统整体功能实现和芯片引脚数量、处理器运算效率、处理器内部资源、成本等因素，特种货物监测系统以意法半导体集团的STM32F103RCT6 作为硬件主控，根据系统整体功能需求，对芯片引脚进行合理分配，搭载相应的电源稳压电路、ST_LINK 程序下载调试接口、蜂鸣器报警电路、振动检测模块、数据存储单元、ADC 数据采集接口、复位电路、温湿度检测电路、显示模块、晶振电路以及通信模块来实现系统整体功能。系统框架图如图1 所示。

图1 系统框架图

1.2 MCU微控制器单元

STM32F103RCT6 是一款以Cortex-M3 为核心的32 位处理器，该系列MCU 专为高性能和低功耗应用而设计[3]，其芯片具有64 个功能引脚，可满足系统功能要求，最高工作频率可达72 MHz，运算速度非常快，在所有外设（如ADC、I2C、RTC、SPI 等）正常工作时，在满速72 MHz 主频的情况下也仅消耗36 mA 的电流，工作温度和供电范围非常广，且在低功耗模式下可以唤醒，具有较高的稳定性。ROM 容量为256 kB、RAM 容量为48 K，内部资源丰富，因其集成各种接口，因此基本不需要外部的硬件进行扩展。

1.3 温度检测单元

DHT11 模块为三线制,分别为VCC、GND、DATA,在进行硬件原理图设计时，通常将一个电容器连接至电源的VCC 引脚用于去耦滤波，从而减少干扰并提高模块稳定性。该模块采用单总线控制，并且以数据形式输出采集的温湿度参数，单片机I/O 口与模块数据线相连即可获得当前模块所处环境的温湿度参数，电路设计如图2 所示。

图2 温湿度检测电路设计

1.4 振动检测单元

系统设计采用MPU6050 模块获取特种货物的加速度和陀螺仪参数，通过姿态解算来判断货物是否损坏。MPU6050 模块配置和数据传输都是通过IIC 进行的，IIC 对通信时序要求较高，在硬件进行PCB 布线时，应尽量减少IIC 布线距离，以减小通信干扰。振动检测单元设计如图3 所示。

图3 振动检测单元设计

1.5 数据存储单元设计

为了实时记录运输特种货物环境参数和姿态，在设计中采用了AT24C02 存储芯片，电路图如图4所示。

图4 存储单元设计电路图

1.6 通信模块设计

数据的交互是通过GSM 物联网模块[4]进行的，GSM 通信模块采用高效调制器，具有宽传输带宽和高频谱通信效率，与ZigBee、蓝牙通信相比，GSM 通信只需插入一张手机卡，然后通过软件配置即可实现短信功能。此外，GSM 模块与单片机之间的通信是通过串口的方式进行的，通信方式配置比较简单。随着三大运营商网络基站的建设，GSM 模块通信盲区、通信信号、抗干扰能力等方面都得到了很大的改善，并且通信距离不受环境因素的影响，因此，GSM 模块被广泛应用于工业领域。

1.7 人机交互界面设计

为了实时直观地显示传感器数据并实现良好的人机交互界面，在系统中搭载了0.96 寸OLED 显示屏。该OLED 显示屏模块具有多种驱动接口，分别为IIC、SPI、6800、8080。OLED 显 示 屏 内 部 采 用SSD1306 IC 驱动，由于此款IC 内部具有升压功能，因此在设计系统原理图时不需要设计专门的升压电路。所以硬件上只需保证SPI 通讯正常，OLED 的时钟线和其数据线接口都是基于STM32 芯片的资源及本系统所需的芯片引脚进行分配，将其连接到相应的芯片I/O 即可。OLED 显示内容、格式、颜色、字体等只需在软件进行配置，较为简单。人机交互界面设计如图5 所示。

图5 人机交互界面设计

为了减少系统功耗，在系统开发过程中，设计一个按键控制OLED 显示屏工作状态，其原理为通过检测单片机引脚电平，判断按键是否按下，然后调用OLED 功能函数控制其是否显示。按键控制电路如图6 所示。

图6 按键控制电路

2 系统软件设计

2.1 数据交互协议

为了保证发送端与接收端对数据含义的解析和数据传输的安全性，通信双方约定了一种通信协议。帧头和帧尾为固定的十六进制数，数据是一个数据包，包括设备号、货物状态等信息，通过该通讯协议，能够简单准确地进行数据发送和校验。数据交互协议如表1 所示。

表1 数据交互协议

数据内容01327700 含义：设备号01；温度32 ℃；湿度77%；货物状态00。

2.2 数据处理分析

在现代化工业中，传感器相当于人的五官，能够对工业环境和生产机器状态进行监测，并且能自动控制和调节生产过程的各种参数，使设备处于最佳工作状态，传感器是现代化生产实现自动检测、自动调节和闭环控制的重要器件。

特种货物状态监测数据来源于多个传感器，这些传感器数据是非线性的、时变的和复杂的。因此，为了保证系统的综合性能，需要对采集的数据进行运算放大、滤波、数据融合、姿态解算，提高系统的综合性能以及系统的可靠性。

数据采集和处理的过程如下：采用多源传感器采集货物状态，并将传感器采集到的信息转化为电信号，通过STM32 单片机内部12 位模数（A/D）转换，将传感器采集特种货物所处环境的电信号转化为一定范围内的数字信号，对这些数据进行运算放大和数字滤波处理，然后对处理后的多路数据进行数字融合和特征提取，从而判断货物是否损坏。传感器数据采集与处理流程图如图7所示。

图7 数据采集与处理流程图

2.3 姿态解算分析

一般来说，通过货物姿态解算即可得到货物的状态。在分析各种姿态解算算法计算量和兼顾系统运算速度后，在系统中采用四元素法。在俯仰角为90°时，四元方程不存在“万向死锁”现象。通过姿态计算判断货物姿态，从而实现对货物振动状态监测。定义一个四元素方程为：

式中，ωx、ωy、ωz为三轴角速度，根据上式微分方程可得四元素动态表达式：

对上式采用毕卡逼近法则，展开得:

式中，q(t)表示t时刻的四元素，q(t0)表示在初始t0状态下的四元素值。

由上面的公式可知，只要确定某一时刻的四元素和角速度，就可以计算出载体的姿态，与其他姿态解算算法相比较，四元素法只需要解4 个方程，计算量较小，较容易在STM32 上实现。

3 系统测试

通过对系统进行全面的测试和检测，能排除修正系统存在的问题，确保系统在实际环境中能够稳定运行。

利用串口工具监测系统在货物异常状态下发送的报警数据，以测试系统的数据采集以及数据融合判断和姿态解算是否合理、数据是否存在丢包现象。不断通断系统供电电源，观察各模块采集数据是否收到干扰。对系统进行压力测试和重复性操作，观察系统能否正常运行。

经测试，特种货物监测系统测符合预期要求，各模块功能和系统需求相符，在压力和异常测试时，各模块数据采集合理，系统仍能稳定运行，测试通过。测试结果如图8 所示。

图8 系统测试

在货物处于异常状态时，硬件终端通过蜂鸣器报警，同时在OLED 显示屏显示货物状态，测试结果如图9 所示。

图9 货物异常测试

为了提醒用户了解货物的异常转态，通过GSM物联网模块向用户发送报警信息，信息测试结果如图10 所示。

图10 报警数据发送测试

4 结论

特种货物运输在日常生活中较为常见，然而由于技术原因以及工作人员素质等因素，导致特种货物在运输中会出现诸多问题，开发一款可以监视货物运输状态的货物监测系统显得十分重要。这不仅可以避免配送方与客户由于货物损坏问题发生纠纷，而且可以友情提示工作人员在运输特种货物过程中注意保护货物，降低货物发生损坏的概率。

国内也有许多著名专家和学者尝试将物联网技术应用到特种货物运输监测中。但是，物联网技术在特种货物运输监测方面的应用仍处于起步状态。另外，这些特种运输监测研究与应用多数针对运输工具，如汽车、火车、船、飞机等，而不是监测特种货物本身状态。因此，对于物联网技术在特种货物运输监测方向的深入研究和探讨显得十分重要与迫切。