基于STM32单片机的智能货物运输箱设计与实现

孙晓鑫 陆嘉辉 邓晶晶 欧阳潇 徐煜亮 郑婉华 刘钟凌 刘源清

关键词：智能运输；STM32单片机；运输箱；环保

0 引言

随着我国的物流业和快递业以及电子商务等的高速发展[1]，一方面便利人们的日常生活、促进了国民经济的快速发展。但是，物流物品在运输的过程出现的物品损坏甚至丢失[2]，都给客户和物流运输业带来了不少的经济损失，同时大量的物流、快递包裹的外包装给我国的环境保护工作带来了严重的负担[3]。物流业、快递业和制造业等物流运输能有效地落实，一方面依赖于国家下发的各类政策意见的制订与执行，同时对物流运输过程的高效稳定、安全性等方面提出了更高的要求。

国家明确下发了《关于推进物流信息化工作的指导意见》《快递业绿色包装指南（试行）》以及《关于促进快递与制造业深度融合发展的意见》等各类关于快递物流运输的指导意见和内容，包括物流运输过程的信息化、制造业与其的深度融合以及绿色环保等指导，对物流业、快递业和制造业提出了刚性要求[4]。

迄今为止，智能货物运输箱的设计与开发取得了不少的进步，何睿凡等人[5]利用STM32单片机搭载温湿度传感器和GPS 定位模块进行了数据采集，利用SIM800A 传输数据到他们设计的云平台。他们设计了软件，可以使用户远程监控。蔡雨宏等人[6]利用意法半导体的STM32单片机为主控制器，通过硬件电路和软件系统程序的设计与编写，实现了快递柜的高性能运作。孙英等人[7]利用STM32单片机和信息传递模块进行传送信息，同时采用了定位模块快递的地理位置的实时监测，利用了稳压模块为快递箱提供可靠的稳定的电源，还利用了现在生活无处不在的二维码进行用户信息的储存和查询。郑文超等人[8]设计了一款“自动取递机构”，它可以自动化地产生订单号，订单密码等各种操作，方便了消费者对快递的收取。

为了解决运输的过程中物品损坏甚至丢失以及快递箱环境保护的问题，本文提出了实时监测物流运输数据和环境友好型的智能货物运输箱的设计与实现。

1 总体设计

出于对货物运输箱的便利性和实用性，本次设计使用了STM32单片机作为核心处理芯片。根据网络调研、文献阅读以及国家下发的各类指导意见，设计了实时监测温度湿度、货物具体地理位置以及异常报警3大功能：

实时监测温度湿度功能即使用传感器采集货物运输箱内物流物品的温度、湿度等数据，具体实现则需要通过STM32单片机利用各种接口，包括数模转换接口等，与传感器进行交互，从而使得获取物流物品的参数信息，并通过系统进行处理。

货物具体地理位置功能则是利用外接GPS或北斗定位模块[9]，进行交互传递信息。目前主流的快递物流定位都是使用车载GPS定位系统进行货物路线的呈现，但针对快递箱的应用则少之又少，因此设计利用模块的方式，进行精准定位，达到了更加详细的精确化。

异常警报功能则是利用微处理器进行实时监测数据信息，在既定数据下分析实时收集的数据是否有偏差，若在误差范围内，则不报警。如果超出误差范围，则会及时发出警报，提醒工作者及时检查物流运输物品的状态，以确保安全送达。

智能货物运输箱终端设备包括一个运输箱和多种模块，可以在货物运输过程中进行对箱内温度、湿度、物品运输地理位置以及碰撞检测等，其中多种传感器模块对物流物品进行监测，温湿度模块可以根据货物运输箱内的温湿度环境进行实时监测数据，如果运输生鲜类高端食物，对温度要求较高的话，这一功能可以更加有效地发挥作用。定位模块，进行物流物品的位置采集，通过调查研究发现，当一个物品对于消费者非常珍贵且迫切见到它时，用户便会对物品运输过程的关注度明显增加；通信模块，进行对采集信息的传输，使得信息到达操作者手中，以确保信息的可靠性；电源模块，则为整个物流箱的正常工作，提供动力支持。

以上所提及的总体设计方案中，我们进行了详细的可行性研究分析，明确地整理出该系统的功能和可用性，同時我们将使用市面上简单的模块，去实现较为多且复杂的效果。因此，我们进行了系统硬件部分的合理假设，运用黑盒测试技术[10]进行了分析处理，最终确立了系统硬件部分的组成。智能货物运输箱的硬件总体设计图，如图1所示。

2 智能快递包裹箱系统设计

本项目的硬件部分之一——智能货物运输箱，是运输物品的媒介。我们根据国家出台的相关政策，例如国家邮政局下发了《快递业绿色包装指南（试行）》[11]，要求快递业坚持“标准化、减量化和可循环”的绿色包装工作目标，加强与上下游协同，逐步实现包装的绿色环保和可循环再利用等，推出环保箱的想法。通过大量的阅读文献，可以了解到物流运输箱的循环使用，有利于环境改善，同时可以为碳中和做出较明显的作用。智能货物运输箱外观，如图2所示。

文献[12]提出了“有机硅塑”的概念，因为它的性能优良，例如耐高温、耐水性和绝缘性等好。本文设计的运输箱主要是“有机硅塑”外壳和保温泡沫箱内胆组成，在温度和湿度的控制方面极大程度保持了它们的稳定性。通过文献[13]发现，利用可循环的箱子，在经济和环境保护这两方面有着很大的作用。

从用户使用方面而言，智能货物运输系统最重要的部分就是货物运输箱，本智能货物运输箱是使用STM32 单片机作为控制单元，同时与众多模块相互协作从而完成对物流物品的实时监控等功能，各功能模块选用如图3所示的主要硬件设备。

其中智能货物运输箱的设计包括主控模块、监测模块、通信模块以及电路供电模块等组成。当温湿度传感模块、定位模块、碰撞检测模块和ADC光敏模块在物流物品运输过程中所采集到的数据通过STM32单片机进程简单处理后存入本地存储中，在任何一环节都有数据出现错误的可能性，因此，我们设计分析了多种错误的解决措施，但在某些关键技术方面，我们团队依旧无法解决，例如模块实时数据采集时的数据紊乱现象等。

2.1 硬件电路设计

本设备通过GPS模块与STM32单片机之间进行通信，将包裹箱的位置信息（经/纬度）发送给单片机；单片机再将包裹箱的信息进行整理后发送给NB-IoT模块，NB-IoT模块采用COAP协议与云端对接，将包裹箱的信息发送至云端并完成数据备份。当包裹箱到站后，系统将接收包裹的位置信息并自动向用户发送信息。每个包裹箱都配有无线充电模块，为包裹箱内的电池提供电能，以此保证对包裹箱电量的供给。硬件电路设计框图，如图4所示。

2.2 主控模块

在此次设计中，考虑到STM32单片机是集成了较丰富的内核和外设找资源、各传感器的通信接口的兼容性以及该单片机的低功耗和便利特点。同时该芯片，内置了ARM 型Cortex?-M3[14]，其中它的处理速度也很快，还有本地存储空间，为数据采集后做基础，当然，为确保功耗，芯片内部也有三种模式进行调节。其中最方便的是外接的显示屏和多种调式的接口，包括JTAG接口和SWD接口，可以在不同环境下，直观看到设备的状态以及提高了设备的可用度，因此，STM32满足了对智能货物运输箱硬件的设计需求。

2.3 监测模块

货物在运送时，智能货物运输箱会实时采集数据，包括但不限于温度、湿度、亮度、声音分贝值、加速度、坐标位置等信息。系统设计中，加入了温湿度监测模块，其目的是更好地监测到箱内物品的温湿度状态，通过对传感器的测量范围、测量精度、工作温度以及功耗等性能参数进行考虑，温湿度参量的采集选用SHT31温湿度传感器。SHT31具有信号处理能力较强、传输可靠性高和稳定性好等特点，提供IIC接口且支持CRC传输校验；加入的定位模块，是在传统的车载定位的情况下进行更加精确的物流物品的实时定位，以提高定位数据的高可靠性，定位参量采集选用GPS/北斗定位模块ATK-1218-BD，其支持双模定位且体积较小，便于集成；加入的碰撞检测模块，是在对昂贵、珍贵物品的实时状态有更加精确的数据辅助作用，通过振动信号来判断其姿态，振动参量的采集选用ADXL345三轴加速度传感器，其可通过SPI（3线或4线）或IIC数字接口进行采集，ADXL345与主控模块采用SPI方式通信；加入电源模块，是为了给整个智能货物运输箱终端设备提供稳定的电压和电流，确保箱体的稳定工作。

例如在运送需冷藏或保持低温的物品时，温度和湿度的监控尤为重要，以及防碰撞模块采集的加速度信息，如果运送的是精密仪器出现故障时，根据加速度信息可以判断快递包裹是否曾碰撞过和碰撞强度；更有在运送具有唯一性以及纪念性物品时，能根据定位模块，更为精确地找到丢失的物品。采集的数据会立即保存到单片机内置的存储空间内，并且同时实时通过NB-IoT 模块上传到服务器。

2.4 通信模块

NB-IoT 模块为智能货物运输箱提供物联网支持，使其可以随时在物联网信号覆盖的地方与互联网通信，智能货物运输箱将实时上传采集到的数据上传到云端服务器，在货物丢失等情况下也可以追溯到货物丢失前所记录到的最后一次位置，从而作为追查寻找的重要依据。该模块可以进行无线传输，同时传输速率也大大提高，为数据传输过程做好坚实的基础。通过实验可以得知，搭载BC95模块的话，模组能够支持UDP 协议和CoAP 协议。最后，NB-IoT 模块与STM32模块之间通过串口通信，将多个传感模块所采集的数据统一发送到NB-IoT网络中，最后再将数据上传到云端，然后把云端数据经过技术分析和处理后，以直观可视化的方式提供给用户实时查询，使其了解到物流货物的全部状况。

2.5 电路供电模块

智能貨物运输箱的硬件需要稳定的电流和电压进行持续的运作支持工作，因此，该箱体需要一种能够为其持久供电的一种方式。笔者考虑到货物运输经常需要移动，如果箱子数量过多，使用有线充电的话，有可能造成数据线的混乱排列，不利于管理，因此打算在智能货物运输箱采用内置可循环充电电池和无线充电的方案。无线充电模块能自动适配合适的电流电压为供电电池供电，稳压电源模块能自动调整合适的功率为STM32 单片机和其他模块供电。虽然已经搭载了稳压模块，但是否真的起到作用，仍需要在后续的实战中进行探究和实验，同时也要做好相关的应急备选方案，以确保箱体的正常工作。例如，采用常规的有线充电模式，搭载快充充电器，或许比无线充电更加便捷。

3 智能快递包裹箱系统实现

本次智能货物运输箱的设计的测试和验证方法最主要是通过仿真与自测方式。实验步骤：首先，将硬件设备组装好；然后，把准备的不同温度和湿度的矿泉水依次放入运输箱；最后，在电脑端进行数据的记录。通过变量分析，将数据进行表格整理和计算分析，总结数据采集的准确度。

3.1 定位功能实现

智能货物运输箱中的定位模块能够在全球定位系统或北斗导航系统下通过NB-IoT 模块的数据传输功能，将数据反馈到地图，进而显示该用户运输的物品的具体所在位置以及运输的具体轨迹。其中运行轨迹的实现需要进行定位数据的采集进而运用数据可视化技术，同步实现到网站上进行呈现。在定位功能的本次设计，将侧重在定位功能的实现，如图5所示，货物运输的实时定位。

3.2 温湿度功能实现

在本设计中温湿度的监测功能是重点之一，在温湿度传感器的监测端口下，呈现出的数据是不太直观的，所以在这次设计中，使用了阿里云平台，进行数据存储与数据的实现，同时可以呈现出按小时为计量单位的图表，这样可以更加便利地方便查看。这一操作，给实现过程带来了极大的便利。如图6所示，温度变化图。如图7所示，湿度变化图。

3.3 数据呈现优化方案

以上数据的呈现方式简单粗暴，接下来将把收集的数据进行整理，设计智能货物运输箱数据网站，进行数据的存储和实现。通过数据分析和数据可视化技术，运用现代先进的可视化组件，进行货物运输过程中位置信息的呈现，包括具体位置，历史途经路线，预计到达时间和偏离计算等功能，同时，呈现出更加简洁直观的温度湿度的变化图和预警提示等功能。

4 结束语

基于STM32单片机的智能货物运输箱的设计与实现的过程中，通过市场调研，确定客户所需，总结以往问题所在，进而设计了这一款更加完备的方案。本文主要从系统总体设计和硬件设计方面进行研究。

1） 采用系统化的调研方式，发现了现阶段社会上所存在的问题，例如运输的安全可靠性、环境保护等问题，通过以上设计，进而实现增加物流物品在运输过程中安全可靠的指数。拟通过可行性分析，侧重贵重物品的运输等方面，从而提高智能货物运输箱的实用性。

2） 采用STM32单片机作为“主力”，是考虑到它的便携与便利，可以和多个模块通过接口进行连接使用，以及它的低功耗，使得它的优秀指数直升。

3） 采用各种模块，去实现各种功能。例如，定位模块，使用了GPS定位系统和北斗定位系统，通过实现的过程中，发现GPS定位系统较易上手。但是，翻阅大量文献，发现国内的北斗卫星定位系统才是“主战场”。在疫情当下，食物运输车、流动核酸检测车等各种人工智能的定位系统，无不是使用了北斗定位系统去完成的。

随着我国社会经济的发展，对于生活的质量要求也变得越来越高，因此，设计并实现智能货物运输箱是非常有必要的。同时，由于它的高精准性，硬件的便携性以及监测指标全面，在未来将会有一个不错的前景。