基于MEMS加速度傳感器的“快遞黑匣子”

周達左++李紅麗

摘 要：通過加速度傳感器對快遞包裹在運輸過程中所受的物理沖擊，包括撞擊、顛簸、翻轉等進行捕捉，在此過程中，將模擬信號轉換為數字信號，并與器件中已存數據進行比對，若沖擊強度超過預設值，我們即認為此次物理沖擊會對物品造成潛在危害，隨即對此次沖擊的強度進行記錄存儲。若買家收到物品時，發現物品已有損壞，可調出隨物品一同運輸的“黑匣子”查看在運輸過程中的沖擊記錄，為損失索賠提供依據。

關鍵詞：物理沖擊；捕捉；預設值；記錄

中圖分類號：TP212 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）07-00-02

0 引 言

隨著網上購物的快速發展，物流行業也在蓬勃發展，但發展的同時問題不斷[1，2]。物品損壞是個大問題，供貨商與快遞公司之間相互推脫責任，針對這種情況，本文設計了一種基于MEMS加速度計的“快遞黑匣子”。它采用雙軸加速度計作為核心傳感器件，將MSP430F1611IPM作為微處理器，系統微處理器根據加速度傳感器的X、Y兩路加速度信息，通過系統設定的分析、處理算法生成設備的狀態數據。將此值與系統設定值相比，配合實時時鐘記錄芯片的使用狀況，獲取物品在運輸過程中所受的接近或大于設定值的加速度及其對應時間，為物品損壞分析提供數據。

1 “快遞黑匣子”的工作原理

“快遞黑匣子”采用低功耗芯片，在物品運輸過程中可準確記錄物品所受的接近或大于設定值的加速度及其對應時間，在一次使用后可以選擇復位以達到重復利用的目的。

2 “快遞黑匣子”硬件電路設計

硬件系統包括單片機模塊，傳感器與時鐘模塊，電源模塊，USB轉UART模塊[3-6]。單片機模塊電路如圖1所示，其最大的特點是低功耗，因此我們設計的“快遞黑匣子”在物品運輸過程中無需擔心電量不足的問題。

復位電路如圖2所示。每次使用前為確保數據記錄容量，按下S1，即達到復位效果，使得該產品可回收，可重復使用，大大節約了物流行業的成本。

時鐘電路如圖3所示。晶振結合其他電路產生單片機所必須的時鐘頻率，單片機一切指令的執行都建立在其基礎上，晶振提供的頻率越高，單片機運行得越快。

傳感器與時鐘模塊如圖4所示。M41T0計時器RAM是一個低功耗串行計時器，其內建32.768 kHz振蕩器，外部晶體控制八個寄存器用于實現時鐘日歷的功能，同時還配置了二進制編碼的十進制格式地址和數據傳輸，通過兩線的雙向總線連續傳輸讀或寫數據字節時，內建地址寄存器自動增加，可計秒、分鐘、小時、天、星期、月、年和世紀等。特殊軟件可編程輸出，當加速度傳感器感知到大于設定值的加速度時，配合此時鐘芯片，單片機能記錄此刻的加速度及對應時間。

電源模塊如圖5所示。該充電器是定時終止恒流/恒壓線性充電器，利用USB對鋰電池充電，充電電流由PROG（7）引腳上的電阻來設定，浮動電壓預設為4.2 V。TC4053具有完善的溫度檢測和補償、調整功能，允許用戶安全地以較大電流充電從而大大減少充電時間，配合穩壓芯片的使用能更好地保護電路中的各個器件。

USB轉UART模塊如圖6所示。CP2101中的USB功能控制器和收發器是一個符合USB2.0規范的全速器件，集成收發器和片內相應的上拉電阻。USB功能控制器管理USB和UART間所有的數據傳輸及由USB主控制器發出的命令請求和用于控制UART功能的命令。USB終止和恢復信號支持功能便于CP2101器件以及外部電路的電源管理。當在總線上檢測到終止信號時，CP2101將進入終止模式，在進入終止模式時CP2101會發出SUSPEND和/SUSPEND信號。SUSPEND和/SUSPEND在一個CP2101復位后也會發出，直到USB要求的器件配置完成。

圖6 USB轉UART模塊

3 “快遞黑匣子”軟件系統設計

系統程序設計包括單片機程序開發、USB設備驅動程序開發、主機應用程序開發[7-10]。三者互相配合才能完成可靠、快速的數據傳輸。其中USB設備驅動程序由Cygnal公司提供。剩下一部分為單片機MSP430F11611的串行通信程序，即波特率、數據位、校驗位等；另一部分為MEMSIC加速度計C62020M和實時時鐘芯片M41T0的程序設計。

4 結 語

“快遞黑匣子”具有結構簡單，體積小，功耗低，成本較低，可回收重復利用等特點。若能將此感知器廣泛應用于快遞行業，它能夠記錄物品傳輸過程中所受的各種沖擊力度，使得快遞運輸向“透明化”進程邁出重要一步，大大增強快遞人員的責任感，也為快遞過程中產生的糾紛提供了很好的“證據”，有助于合理解決糾紛。此外，由于本產品可以記錄各類物理沖擊，所以在應用上不會局限于快遞包裹運輸，對于需要記錄遭受顛簸、翻轉等沖擊的物品，例如實驗室研究、精密儀器和重要物品的大規模運輸等，本產品均可發揮作用。

參考文獻

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