基于運動傳感器的家電物流監管系統設計

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。研究方向為智能交通與物聯網。

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

摘? 要：針對家電物流運輸過程貨損比例高、監管難、追責無依據等問題，設計基于運動傳感器的家電物流監管系統，該系統由監管終端和監管平臺組成。監管終端基于STM32L431和運動傳感器低功耗設計，通過采集并處理家電運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通信方式上報給監管平臺進行數據處理、統計分析，形成業務數據供用戶查看。試驗結果表明，該系統合理可行，可對家電物流運輸進行全過程監管，促使相關人員規范作業，從而有效降低貨損率。

關鍵詞：運動傳感器；STM32L431；低功耗；家電；物流監管

中圖分類號：TP277 文獻標志碼：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，因物流過程中碰撞跌落、擠壓變形等因素產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，存在貨物狀態信息難獲取、運輸配送難監管、貨物損壞追責無依據等問題。針對此問題，本文設計了基于運動傳感器的家電物流監管系統，由監管終端實時監測貨物的位置、溫濕度、加速度和角速度等信息，融合計算后，將跌落、倒置、傾斜和位置等信息上報給監管平臺分析處理，生成業務數據供用戶查看，使貨損監管人員如臨其境，及時掌握追責定損依據，促使相關人員規范作業，有效降低貨損率，為智能監管和降本增效提供可靠的信息化保障。

1? 系統總體設計

家電物流監管系統由監管終端和監管平臺組成。監管平臺部署在公網可訪問的服務器上，監管終端安裝于家電包裝箱內。監管終端在貨物運輸全周期內實時監測貨物跌落、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生貨損的異常行為告警、溫濕度、位置等狀態信息上報給監管平臺進行數據分類和存儲，形成基礎數據庫和時序數據庫，進而由數據模型對數據進行運損定責、運損趨勢、運損損失等全方位數據分析。用戶通過瀏覽器即可遠程訪問物流監管平臺，進行平臺登錄、用戶管理、信息設置與查詢、貨物狀態監控、物流整體態勢監管和運損信息查詢等操作。此外，監管平臺可對監管終端設備進行全生命周期管理，如貨品和設備綁定、設備參數閾值設置、監控參數信息統計等。系統總體框圖如圖1所示。

圖1? 系統總體框圖

2? 系統硬件設計

系統硬件設計主要是監管終端的硬件電路設計，其硬件構成框圖如圖2所示，主要由主控模塊、電源模塊、運動傳感器模塊、溫濕度傳感器模塊、蜂窩通信模塊組成。

圖2? 硬件構成框圖

2.1? 主控模塊

監管終端采用電池供電，要求待機時間長、功耗低，在器件選型、電路設計時需要考慮低功耗需求。STM32L431CBT6是一款超低功耗32位單片機[2]，最低功耗模式耗電僅為0.01 μA，正常運行模式耗電為84 μA/MHz，最高主頻80 MHz，帶浮點運算單元，能很好得滿足低功耗設計需求和運動狀態評估計算需求。圖3為STM32L431CBT6最小系統圖。

2.2? 低功耗電源電路設計

在進行低功耗設計時，需要選擇靜態電流小的電源轉換器芯片。靜態電流是衡量一款電源轉換器芯片是否適合低功耗應用的核心指標之一，靜態電流是指電源轉換器在無負載條件下自身消耗的電流。像工程上常用的AMS1117電源芯片，其靜態電流典型值為5 mA，顯然不適合低功耗應用場景?？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，靜態電流典型值僅為0.36 μA，非常適合電池供電的低功耗應用場景，通過VSEL引腳將輸出電壓設置成3.3 V給STM32L431和3.3 V外設供電。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電源轉換器MP28164給蜂窩通信模組供電，輸出電壓通過反饋電阻設置成4.08 V，為降低待機功耗，通過STM32L431的IO口對MP28164的EN使能管腳進行控制，待機時關閉MP28164電源，以降低待機功耗。TPS62740與MP28164電路圖如圖4所示。

圖3? STM32L431CBT6最小系統圖

2.3? 運動傳感器電路設計

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

2.4? 溫濕度傳感器電路設計

溫濕度傳感器采用SHT20[5]，待機模式功耗典型值為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? 蜂窩通信電路設計

物流監管終端通過蜂窩通信模組與監管平臺進行無線通信[6]，同時通過蜂窩基站進行定位信息獲取。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，支持串口數據傳輸。STM32L431通過串口與Air720D進行數據交互，Air720D將數據轉發至部署在公網服務器上的監管平臺，進而完成物流監管終端與監管平臺的數據交互。蜂窩通信電路實物圖如圖7所示。

圖6? SHT20電路圖

圖7? 蜂窩通信電路實物圖

3? 系統軟件設計

系統軟件設計主要包括監管終端的嵌入式軟件設計和監管平臺的云平臺軟件設計。

3.1? 監管終端軟件設計

監管終端軟件設計主要包括低功耗喚醒[7]、狀態監測、運動狀態分析和數據上報等內容。監管終端上電后會自動進入低功耗待機狀態，當監測到設備移動時，喚醒單片機進入正常工作模式，實時分析MPU6050輸出的三軸加速度和角速度信息，計算貨物運動狀態及姿態并存儲。當監測到貨物有跌落、傾倒、急加速和急減速等異常狀態時，通過蜂窩通信模組將告警信息發送至物流監管平臺。當未檢測到異常狀態時，5 min后監管終端重新進入低功耗待機模式。監管終端隨貨物放置于倉庫時仍需監控其位置、設備電量等信息，所以每隔24 h進行一次RTC（實時時鐘）喚醒，將設備姿態角度、溫濕度、電量等信息上報至監管平臺。軟件流程如圖8所示。

3.2? 監管平臺軟件設計

物流監管平臺采用B/S架構，部署在公網可訪問的服務器上，主要實現設備實時監測、設備管理、告警管理和系統管理等功能，軟件架構分為設備接入層、數據平臺層、業務平臺層3層，軟件架構圖如圖9所示。

圖8? 監管終端軟件流程圖

設備接入層，通過網絡協議接入物流監管終端，實時接收并解析終端上報的位置、溫濕度、運動狀態、電量和告警等協議數據，進而交由數據平臺層處理。

數據平臺層，對原始采集的終端監控數據進行清洗、分類、存儲，形成基礎數據庫和時序數據庫，進而由數據模型對處理后的數據進行運損定責、運損趨勢、運損損失、設備運動行為和物流公司運輸安全性等方面的分析，為物流運輸管理和業務數據展現提供強有力支撐。

業務平臺層，以友好的操作界面直面用戶使用，為用戶提供設備監測、設備管理、設備告警等業務功能，以此進一步提供了物流貨品運輸過程的全程監控、運輸異常結果及原因分析，為物流運輸監控、運損監測、運損復盤、物流過程分析及業務決策提供業務支撐。

4? 系統測試

為驗證家電物流監管系統的功能和性能，進行監管終端和平臺聯調測試。家電在裝箱前，將監管終端固定于家電包裝箱內，通過開關打開監管終端電源，家電與監管終端按照映射關系在平臺端進行綁定，之后即可在家電出廠、搬運、運輸、倉儲和配送等貨物運輸全周期內查看貨物的狀態，實時數據可在監管平臺上查看，如圖10所示，可查看每個裝有監管終端的貨物信息，包括商品狀態、傾斜角度、溫濕度、終端電量、商品批次和異常告警等。

貨物運輸的整體態勢、數據統計分析可在監管平臺總覽界面中查看，如圖11所示，物流監管平臺支持電子地圖顯示所有設備位置，支持實時狀態、歷史告警、設備運動軌跡查詢，支持物流公司所屬設備查詢、區域內設備查詢，支持設備全生命周期管理，如貨品和設備綁定、設備參數閾值設置、監控參數信息統計等，支持設備告警信息查詢、告警分類、告警統計，支持用戶管理、用戶角色管理、用戶權限管理和系統日志管理等。

圖9? 平臺軟件架構圖

圖10? 監管終端實時數據平臺端顯示界面

監管終端跌落高度計算的準確性，對貨損定責來說至關重要。跌落類型按平跌、角跌進行分類，平跌是指貨物正常姿態放置、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，角跌比平跌貨損嚴重，角跌與平跌可通過x、y、z三軸角速度計算的傾角進行區分。如圖12所示，按跌落高度60 cm平跌，跌落高度60 cm、傾角45°角跌分別進行5組測試，跌落高度計算結果見表1。由表1可知，經反復實驗測試，跌落誤差可穩定保持在4 cm以內，測量精度滿足物流監管貨損定責需求，根據計算的跌落高度、貨物傾角、溫濕度，以及告警發生的時間和位置，即可做為貨損定責依據，能夠有效監管貨物運輸全周期內參與人員的行為。

圖12? 貨品跌落測試

表1? 實驗數據表

5? 結束語

本文設計了一套基于運動傳感器的家電物流監管系統，從系統總體設計、硬件設計、終端嵌入式軟件設計和平臺軟件設計等方面詳細闡述了家電物流監管系統設計的全過程，并且在實際應用環境下進行了系統功能性能測試，試驗測試證明系統設計合理可行。該系統可對家電出廠、搬運、運輸、倉儲和配送等環節進行全過程監管，解決了家電物流運輸過程中貨物狀態信息難獲取、貨物定損追責無依據等問題，能夠促使物流運輸全周期內的參與人員規范作業，從而有效降低貨損率。目前，該系統已在某家電廠商投入使用。

參考文獻：

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