基于STM32單片機的智能貨物運輸箱設(shè)計與實現(xiàn)

孫曉鑫 陸嘉輝 鄧晶晶 歐陽瀟 徐煜亮 鄭婉華 劉鐘凌 劉源清

關(guān)鍵詞：智能運輸；STM32單片機；運輸箱；環(huán)保

0 引言

隨著我國的物流業(yè)和快遞業(yè)以及電子商務(wù)等的高速發(fā)展[1]，一方面便利人們的日常生活、促進了國民經(jīng)濟的快速發(fā)展。但是，物流物品在運輸?shù)倪^程出現(xiàn)的物品損壞甚至丟失[2]，都給客戶和物流運輸業(yè)帶來了不少的經(jīng)濟損失，同時大量的物流、快遞包裹的外包裝給我國的環(huán)境保護工作帶來了嚴重的負擔(dān)[3]。物流業(yè)、快遞業(yè)和制造業(yè)等物流運輸能有效地落實，一方面依賴于國家下發(fā)的各類政策意見的制訂與執(zhí)行，同時對物流運輸過程的高效穩(wěn)定、安全性等方面提出了更高的要求。

國家明確下發(fā)了《關(guān)于推進物流信息化工作的指導(dǎo)意見》《快遞業(yè)綠色包裝指南（試行）》以及《關(guān)于促進快遞與制造業(yè)深度融合發(fā)展的意見》等各類關(guān)于快遞物流運輸?shù)闹笇?dǎo)意見和內(nèi)容，包括物流運輸過程的信息化、制造業(yè)與其的深度融合以及綠色環(huán)保等指導(dǎo)，對物流業(yè)、快遞業(yè)和制造業(yè)提出了剛性要求[4]。

迄今為止，智能貨物運輸箱的設(shè)計與開發(fā)取得了不少的進步，何睿凡等人[5]利用STM32單片機搭載溫濕度傳感器和GPS 定位模塊進行了數(shù)據(jù)采集，利用SIM800A 傳輸數(shù)據(jù)到他們設(shè)計的云平臺。他們設(shè)計了軟件，可以使用戶遠程監(jiān)控。蔡雨宏等人[6]利用意法半導(dǎo)體的STM32單片機為主控制器，通過硬件電路和軟件系統(tǒng)程序的設(shè)計與編寫，實現(xiàn)了快遞柜的高性能運作。孫英等人[7]利用STM32單片機和信息傳遞模塊進行傳送信息，同時采用了定位模塊快遞的地理位置的實時監(jiān)測，利用了穩(wěn)壓模塊為快遞箱提供可靠的穩(wěn)定的電源，還利用了現(xiàn)在生活無處不在的二維碼進行用戶信息的儲存和查詢。鄭文超等人[8]設(shè)計了一款“自動取遞機構(gòu)”，它可以自動化地產(chǎn)生訂單號，訂單密碼等各種操作，方便了消費者對快遞的收取。

為了解決運輸?shù)倪^程中物品損壞甚至丟失以及快遞箱環(huán)境保護的問題，本文提出了實時監(jiān)測物流運輸數(shù)據(jù)和環(huán)境友好型的智能貨物運輸箱的設(shè)計與實現(xiàn)。

1 總體設(shè)計

出于對貨物運輸箱的便利性和實用性，本次設(shè)計使用了STM32單片機作為核心處理芯片。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)調(diào)研、文獻閱讀以及國家下發(fā)的各類指導(dǎo)意見，設(shè)計了實時監(jiān)測溫度濕度、貨物具體地理位置以及異常報警3大功能：

實時監(jiān)測溫度濕度功能即使用傳感器采集貨物運輸箱內(nèi)物流物品的溫度、濕度等數(shù)據(jù)，具體實現(xiàn)則需要通過STM32單片機利用各種接口，包括數(shù)模轉(zhuǎn)換接口等，與傳感器進行交互，從而使得獲取物流物品的參數(shù)信息，并通過系統(tǒng)進行處理。

貨物具體地理位置功能則是利用外接GPS或北斗定位模塊[9]，進行交互傳遞信息。目前主流的快遞物流定位都是使用車載GPS定位系統(tǒng)進行貨物路線的呈現(xiàn)，但針對快遞箱的應(yīng)用則少之又少，因此設(shè)計利用模塊的方式，進行精準定位，達到了更加詳細的精確化。

異常警報功能則是利用微處理器進行實時監(jiān)測數(shù)據(jù)信息，在既定數(shù)據(jù)下分析實時收集的數(shù)據(jù)是否有偏差，若在誤差范圍內(nèi)，則不報警。如果超出誤差范圍，則會及時發(fā)出警報，提醒工作者及時檢查物流運輸物品的狀態(tài)，以確保安全送達。

智能貨物運輸箱終端設(shè)備包括一個運輸箱和多種模塊，可以在貨物運輸過程中進行對箱內(nèi)溫度、濕度、物品運輸?shù)乩砦恢靡约芭鲎矙z測等，其中多種傳感器模塊對物流物品進行監(jiān)測，溫濕度模塊可以根據(jù)貨物運輸箱內(nèi)的溫濕度環(huán)境進行實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，如果運輸生鮮類高端食物，對溫度要求較高的話，這一功能可以更加有效地發(fā)揮作用。定位模塊，進行物流物品的位置采集，通過調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，當一個物品對于消費者非常珍貴且迫切見到它時，用戶便會對物品運輸過程的關(guān)注度明顯增加；通信模塊，進行對采集信息的傳輸，使得信息到達操作者手中，以確保信息的可靠性；電源模塊，則為整個物流箱的正常工作，提供動力支持。

以上所提及的總體設(shè)計方案中，我們進行了詳細的可行性研究分析，明確地整理出該系統(tǒng)的功能和可用性，同時我們將使用市面上簡單的模塊，去實現(xiàn)較為多且復(fù)雜的效果。因此，我們進行了系統(tǒng)硬件部分的合理假設(shè)，運用黑盒測試技術(shù)[10]進行了分析處理，最終確立了系統(tǒng)硬件部分的組成。智能貨物運輸箱的硬件總體設(shè)計圖，如圖1所示。

2 智能快遞包裹箱系統(tǒng)設(shè)計

本項目的硬件部分之一——智能貨物運輸箱，是運輸物品的媒介。我們根據(jù)國家出臺的相關(guān)政策，例如國家郵政局下發(fā)了《快遞業(yè)綠色包裝指南（試行）》[11]，要求快遞業(yè)堅持“標準化、減量化和可循環(huán)”的綠色包裝工作目標，加強與上下游協(xié)同，逐步實現(xiàn)包裝的綠色環(huán)保和可循環(huán)再利用等，推出環(huán)保箱的想法。通過大量的閱讀文獻，可以了解到物流運輸箱的循環(huán)使用，有利于環(huán)境改善，同時可以為碳中和做出較明顯的作用。智能貨物運輸箱外觀，如圖2所示。

文獻[12]提出了“有機硅塑”的概念，因為它的性能優(yōu)良，例如耐高溫、耐水性和絕緣性等好。本文設(shè)計的運輸箱主要是“有機硅塑”外殼和保溫泡沫箱內(nèi)膽組成，在溫度和濕度的控制方面極大程度保持了它們的穩(wěn)定性。通過文獻[13]發(fā)現(xiàn)，利用可循環(huán)的箱子，在經(jīng)濟和環(huán)境保護這兩方面有著很大的作用。

從用戶使用方面而言，智能貨物運輸系統(tǒng)最重要的部分就是貨物運輸箱，本智能貨物運輸箱是使用STM32 單片機作為控制單元，同時與眾多模塊相互協(xié)作從而完成對物流物品的實時監(jiān)控等功能，各功能模塊選用如圖3所示的主要硬件設(shè)備。

其中智能貨物運輸箱的設(shè)計包括主控模塊、監(jiān)測模塊、通信模塊以及電路供電模塊等組成。當溫濕度傳感模塊、定位模塊、碰撞檢測模塊和ADC光敏模塊在物流物品運輸過程中所采集到的數(shù)據(jù)通過STM32單片機進程簡單處理后存入本地存儲中，在任何一環(huán)節(jié)都有數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯誤的可能性，因此，我們設(shè)計分析了多種錯誤的解決措施，但在某些關(guān)鍵技術(shù)方面，我們團隊依舊無法解決，例如模塊實時數(shù)據(jù)采集時的數(shù)據(jù)紊亂現(xiàn)象等。

2.1 硬件電路設(shè)計

本設(shè)備通過GPS模塊與STM32單片機之間進行通信，將包裹箱的位置信息（經(jīng)/緯度）發(fā)送給單片機；單片機再將包裹箱的信息進行整理后發(fā)送給NB-IoT模塊，NB-IoT模塊采用COAP協(xié)議與云端對接，將包裹箱的信息發(fā)送至云端并完成數(shù)據(jù)備份。當包裹箱到站后，系統(tǒng)將接收包裹的位置信息并自動向用戶發(fā)送信息。每個包裹箱都配有無線充電模塊，為包裹箱內(nèi)的電池提供電能，以此保證對包裹箱電量的供給。硬件電路設(shè)計框圖，如圖4所示。

2.2 主控模塊

在此次設(shè)計中，考慮到STM32單片機是集成了較豐富的內(nèi)核和外設(shè)找資源、各傳感器的通信接口的兼容性以及該單片機的低功耗和便利特點。同時該芯片，內(nèi)置了ARM 型Cortex?-M3[14]，其中它的處理速度也很快，還有本地存儲空間，為數(shù)據(jù)采集后做基礎(chǔ)，當然，為確保功耗，芯片內(nèi)部也有三種模式進行調(diào)節(jié)。其中最方便的是外接的顯示屏和多種調(diào)式的接口，包括JTAG接口和SWD接口，可以在不同環(huán)境下，直觀看到設(shè)備的狀態(tài)以及提高了設(shè)備的可用度，因此，STM32滿足了對智能貨物運輸箱硬件的設(shè)計需求。

2.3 監(jiān)測模塊

貨物在運送時，智能貨物運輸箱會實時采集數(shù)據(jù)，包括但不限于溫度、濕度、亮度、聲音分貝值、加速度、坐標位置等信息。系統(tǒng)設(shè)計中，加入了溫濕度監(jiān)測模塊，其目的是更好地監(jiān)測到箱內(nèi)物品的溫濕度狀態(tài)，通過對傳感器的測量范圍、測量精度、工作溫度以及功耗等性能參數(shù)進行考慮，溫濕度參量的采集選用SHT31溫濕度傳感器。SHT31具有信號處理能力較強、傳輸可靠性高和穩(wěn)定性好等特點，提供IIC接口且支持CRC傳輸校驗；加入的定位模塊，是在傳統(tǒng)的車載定位的情況下進行更加精確的物流物品的實時定位，以提高定位數(shù)據(jù)的高可靠性，定位參量采集選用GPS/北斗定位模塊ATK-1218-BD，其支持雙模定位且體積較小，便于集成；加入的碰撞檢測模塊，是在對昂貴、珍貴物品的實時狀態(tài)有更加精確的數(shù)據(jù)輔助作用，通過振動信號來判斷其姿態(tài)，振動參量的采集選用ADXL345三軸加速度傳感器，其可通過SPI（3線或4線）或IIC數(shù)字接口進行采集，ADXL345與主控模塊采用SPI方式通信；加入電源模塊，是為了給整個智能貨物運輸箱終端設(shè)備提供穩(wěn)定的電壓和電流，確保箱體的穩(wěn)定工作。

例如在運送需冷藏或保持低溫的物品時，溫度和濕度的監(jiān)控尤為重要，以及防碰撞模塊采集的加速度信息，如果運送的是精密儀器出現(xiàn)故障時，根據(jù)加速度信息可以判斷快遞包裹是否曾碰撞過和碰撞強度；更有在運送具有唯一性以及紀念性物品時，能根據(jù)定位模塊，更為精確地找到丟失的物品。采集的數(shù)據(jù)會立即保存到單片機內(nèi)置的存儲空間內(nèi)，并且同時實時通過NB-IoT 模塊上傳到服務(wù)器。

2.4 通信模塊

NB-IoT 模塊為智能貨物運輸箱提供物聯(lián)網(wǎng)支持，使其可以隨時在物聯(lián)網(wǎng)信號覆蓋的地方與互聯(lián)網(wǎng)通信，智能貨物運輸箱將實時上傳采集到的數(shù)據(jù)上傳到云端服務(wù)器，在貨物丟失等情況下也可以追溯到貨物丟失前所記錄到的最后一次位置，從而作為追查尋找的重要依據(jù)。該模塊可以進行無線傳輸，同時傳輸速率也大大提高，為數(shù)據(jù)傳輸過程做好堅實的基礎(chǔ)。通過實驗可以得知，搭載BC95模塊的話，模組能夠支持UDP 協(xié)議和CoAP 協(xié)議。最后，NB-IoT 模塊與STM32模塊之間通過串口通信，將多個傳感模塊所采集的數(shù)據(jù)統(tǒng)一發(fā)送到NB-IoT網(wǎng)絡(luò)中，最后再將數(shù)據(jù)上傳到云端，然后把云端數(shù)據(jù)經(jīng)過技術(shù)分析和處理后，以直觀可視化的方式提供給用戶實時查詢，使其了解到物流貨物的全部狀況。

2.5 電路供電模塊

智能貨物運輸箱的硬件需要穩(wěn)定的電流和電壓進行持續(xù)的運作支持工作，因此，該箱體需要一種能夠為其持久供電的一種方式。筆者考慮到貨物運輸經(jīng)常需要移動，如果箱子數(shù)量過多，使用有線充電的話，有可能造成數(shù)據(jù)線的混亂排列，不利于管理，因此打算在智能貨物運輸箱采用內(nèi)置可循環(huán)充電電池和無線充電的方案。無線充電模塊能自動適配合適的電流電壓為供電電池供電，穩(wěn)壓電源模塊能自動調(diào)整合適的功率為STM32 單片機和其他模塊供電。雖然已經(jīng)搭載了穩(wěn)壓模塊，但是否真的起到作用，仍需要在后續(xù)的實戰(zhàn)中進行探究和實驗，同時也要做好相關(guān)的應(yīng)急備選方案，以確保箱體的正常工作。例如，采用常規(guī)的有線充電模式，搭載快充充電器，或許比無線充電更加便捷。

3 智能快遞包裹箱系統(tǒng)實現(xiàn)

本次智能貨物運輸箱的設(shè)計的測試和驗證方法最主要是通過仿真與自測方式。實驗步驟：首先，將硬件設(shè)備組裝好；然后，把準備的不同溫度和濕度的礦泉水依次放入運輸箱；最后，在電腦端進行數(shù)據(jù)的記錄。通過變量分析，將數(shù)據(jù)進行表格整理和計算分析，總結(jié)數(shù)據(jù)采集的準確度。

3.1 定位功能實現(xiàn)

智能貨物運輸箱中的定位模塊能夠在全球定位系統(tǒng)或北斗導(dǎo)航系統(tǒng)下通過NB-IoT 模塊的數(shù)據(jù)傳輸功能，將數(shù)據(jù)反饋到地圖，進而顯示該用戶運輸?shù)奈锲返木唧w所在位置以及運輸?shù)木唧w軌跡。其中運行軌跡的實現(xiàn)需要進行定位數(shù)據(jù)的采集進而運用數(shù)據(jù)可視化技術(shù)，同步實現(xiàn)到網(wǎng)站上進行呈現(xiàn)。在定位功能的本次設(shè)計，將側(cè)重在定位功能的實現(xiàn)，如圖5所示，貨物運輸?shù)膶崟r定位。

3.2 溫濕度功能實現(xiàn)

在本設(shè)計中溫濕度的監(jiān)測功能是重點之一，在溫濕度傳感器的監(jiān)測端口下，呈現(xiàn)出的數(shù)據(jù)是不太直觀的，所以在這次設(shè)計中，使用了阿里云平臺，進行數(shù)據(jù)存儲與數(shù)據(jù)的實現(xiàn)，同時可以呈現(xiàn)出按小時為計量單位的圖表，這樣可以更加便利地方便查看。這一操作，給實現(xiàn)過程帶來了極大的便利。如圖6所示，溫度變化圖。如圖7所示，濕度變化圖。

3.3 數(shù)據(jù)呈現(xiàn)優(yōu)化方案

以上數(shù)據(jù)的呈現(xiàn)方式簡單粗暴，接下來將把收集的數(shù)據(jù)進行整理，設(shè)計智能貨物運輸箱數(shù)據(jù)網(wǎng)站，進行數(shù)據(jù)的存儲和實現(xiàn)。通過數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)可視化技術(shù)，運用現(xiàn)代先進的可視化組件，進行貨物運輸過程中位置信息的呈現(xiàn)，包括具體位置，歷史途經(jīng)路線，預(yù)計到達時間和偏離計算等功能，同時，呈現(xiàn)出更加簡潔直觀的溫度濕度的變化圖和預(yù)警提示等功能。

4 結(jié)束語

基于STM32單片機的智能貨物運輸箱的設(shè)計與實現(xiàn)的過程中，通過市場調(diào)研，確定客戶所需，總結(jié)以往問題所在，進而設(shè)計了這一款更加完備的方案。本文主要從系統(tǒng)總體設(shè)計和硬件設(shè)計方面進行研究。

1） 采用系統(tǒng)化的調(diào)研方式，發(fā)現(xiàn)了現(xiàn)階段社會上所存在的問題，例如運輸?shù)陌踩煽啃浴h(huán)境保護等問題，通過以上設(shè)計，進而實現(xiàn)增加物流物品在運輸過程中安全可靠的指數(shù)。擬通過可行性分析，側(cè)重貴重物品的運輸?shù)确矫妫瑥亩岣咧悄茇浳镞\輸箱的實用性。

2） 采用STM32單片機作為“主力”，是考慮到它的便攜與便利，可以和多個模塊通過接口進行連接使用，以及它的低功耗，使得它的優(yōu)秀指數(shù)直升。

3） 采用各種模塊，去實現(xiàn)各種功能。例如，定位模塊，使用了GPS定位系統(tǒng)和北斗定位系統(tǒng)，通過實現(xiàn)的過程中，發(fā)現(xiàn)GPS定位系統(tǒng)較易上手。但是，翻閱大量文獻，發(fā)現(xiàn)國內(nèi)的北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)才是“主戰(zhàn)場”。在疫情當下，食物運輸車、流動核酸檢測車等各種人工智能的定位系統(tǒng)，無不是使用了北斗定位系統(tǒng)去完成的。

隨著我國社會經(jīng)濟的發(fā)展，對于生活的質(zhì)量要求也變得越來越高，因此，設(shè)計并實現(xiàn)智能貨物運輸箱是非常有必要的。同時，由于它的高精準性，硬件的便攜性以及監(jiān)測指標全面，在未來將會有一個不錯的前景。