王宏善 崔建顺 胡跃明 付柏杨
第一作者简介：王宏善（1989-），男，硕士，工程师。研究方向为智能交通与物联网。
DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.15.029
摘 要：针对家电物流运输过程货损比例高、监管难、追责无依据等问题，设计基于运动传感器的家电物流监管系统，该系统由监管终端和监管平台组成。监管终端基于STM32L431和运动传感器低功耗设计，通过采集并处理家电运输过程中货物的位置、温湿度、加速度、角速度等信息，生成货物跌落、倒置、倾斜等告警信息，以4G通信方式上报给监管平台进行数据处理、统计分析，形成业务数据供用户查看。试验结果表明，该系统合理可行，可对家电物流运输进行全过程监管，促使相关人员规范作业，从而有效降低货损率。
关键词：运动传感器；STM32L431；低功耗；家电；物流监管
中图分类号：TP277 文献标志码：A 文章编号：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
在家电行业，因物流过程中碰撞跌落、挤压变形等因素产生的家电货损比例非常高，约占总货损的70%。特别是人工装卸车过程，像抛掷、高处拽落、高处滑落和肩扛等动作极易造成货损，装车不盖防雨布被雨淋、仓库湿度高也是造成货损的常见因素[1]。目前货损管控比较困难，存在货物状态信息难获取、运输配送难监管、货物损坏追责无依据等问题。针对此问题，本文设计了基于运动传感器的家电物流监管系统，由监管终端实时监测货物的位置、温湿度、加速度和角速度等信息，融合计算后，将跌落、倒置、倾斜和位置等信息上报给监管平台分析处理，生成业务数据供用户查看，使货损监管人员如临其境，及时掌握追责定损依据，促使相关人员规范作业，有效降低货损率，为智能监管和降本增效提供可靠的信息化保障。
1 系统总体设计
家电物流监管系统由监管终端和监管平台组成。监管平台部署在公网可访问的服务器上，监管终端安装于家电包装箱内。监管终端在货物运输全周期内实时监测货物跌落、倒置、倾斜、急加速和急减速等异常行为，通过4G移动通信方式将可能发生货损的异常行为告警、温湿度、位置等状态信息上报给监管平台进行数据分类和存储，形成基础数据库和时序数据库，进而由数据模型对数据进行运损定责、运损趋势、运损损失等全方位数据分析。用户通过浏览器即可远程访问物流监管平台，进行平台登录、用户管理、信息设置与查询、货物状态监控、物流整体态势监管和运损信息查询等操作。此外，监管平台可对监管终端设备进行全生命周期管理，如货品和设备绑定、设备参数阈值设置、监控参数信息统计等。系统总体框图如图1所示。
图1 系统总体框图
2 系统硬件设计
系统硬件设计主要是监管终端的硬件电路设计，其硬件构成框图如图2所示，主要由主控模块、电源模块、运动传感器模块、温湿度传感器模块、蜂窝通信模块组成。
图2 硬件构成框图
2.1 主控模块
监管终端采用电池供电，要求待机时间长、功耗低，在器件选型、电路设计时需要考虑低功耗需求。STM32L431CBT6是一款超低功耗32位单片机[2]，最低功耗模式耗电仅为0.01 μA，正常运行模式耗电为84 μA/MHz，最高主频80 MHz，带浮点运算单元，能很好得满足低功耗设计需求和运动状态评估计算需求。图3为STM32L431CBT6最小系统图。
2.2 低功耗电源电路设计
在进行低功耗设计时，需要选择静态电流小的电源转换器芯片。静态电流是衡量一款电源转换器芯片是否适合低功耗应用的核心指标之一，静态电流是指电源转换器在无负载条件下自身消耗的电流。像工程上常用的AMS1117电源芯片，其静态电流典型值为5 mA，显然不适合低功耗应用场景。考虑电池满电电压约为5.1 V，选用TPS62740作为主电源芯片[3]，输入电压范围2.2～5.5 V，静态电流典型值仅为0.36 μA，非常适合电池供电的低功耗应用场景，通过VSEL引脚将输出电压设置成3.3 V给STM32L431和3.3 V外设供电。对于蜂窝通信模组，供电电压为4.08 V，考虑电池电量消耗后电压会下降到4 V以下，选用可升压降压的buck-boost电源转换器MP28164给蜂窝通信模组供电，输出电压通过反馈电阻设置成4.08 V，为降低待机功耗，通过STM32L431的IO口对MP28164的EN使能管脚进行控制，待机时关闭MP28164电源，以降低待机功耗。TPS62740与MP28164电路图如图4所示。
图3 STM32L431CBT6最小系统图
2.3 运动传感器电路设计
物流监管终端可能会随家电存放在仓库达半年之久，要求待机时间至少1年以上。为满足待机时长，选用一款超低功耗三轴MEMS加速度计ADXL362[4]，工作于运动触发唤醒模式，功耗为0.27 μA，当ADXL362监测到监管终端运动时，通过中断输出管脚INT连接STM32F431的PA0管脚唤醒单片机进行货物运动信息监测。选用MPU6050传感器进行货物加速度、角速度监测，当ADXL362监测到货物静止时，通过STM32F431的IO关断MPU6050传感器的电源，以降低待机功耗。ADXL362与MPU6050电路图如图5所示。
2.4 温湿度传感器电路设计
温湿度传感器采用SHT20[5]，待机模式功耗典型值为0.15 μA，温度测量范围-40 ℃～125 ℃，精度0.01 ℃；湿度测量范围0%～100% RH，精度0.04% RH。SHT20电路图如图6所示。
图4 TPS62740与MP28164电路图
图5 ADXL362与MPU6050电路图
2.5 蜂窝通信电路设计
物流监管终端通过蜂窝通信模组与监管平台进行无线通信[6]，同时通过蜂窝基站进行定位信息获取。蜂窝通信模组选用Air720D，该模组支持2G/4G通信，最大上行速率50 Mbps，最大下行速率150 Mbps，支持串口数据传输。STM32L431通过串口与Air720D进行数据交互，Air720D将数据转发至部署在公网服务器上的监管平台，进而完成物流监管终端与监管平台的数据交互。蜂窝通信电路实物图如图7所示。
图6 SHT20电路图
图7 蜂窝通信电路实物图
3 系统软件设计
系统软件设计主要包括监管终端的嵌入式软件设计和监管平台的云平台软件设计。
3.1 监管终端软件设计
监管终端软件设计主要包括低功耗唤醒[7]、状态监测、运动状态分析和数据上报等内容。监管终端上电后会自动进入低功耗待机状态，当监测到设备移动时，唤醒单片机进入正常工作模式，实时分析MPU6050输出的三轴加速度和角速度信息，计算货物运动状态及姿态并存储。当监测到货物有跌落、倾倒、急加速和急减速等异常状态时，通过蜂窝通信模组将告警信息发送至物流监管平台。当未检测到异常状态时，5 min后监管终端重新进入低功耗待机模式。监管终端随货物放置于仓库时仍需监控其位置、设备电量等信息，所以每隔24 h进行一次RTC（实时时钟）唤醒，将设备姿态角度、温湿度、电量等信息上报至监管平台。软件流程如图8所示。
3.2 监管平台软件设计
物流监管平台采用B/S架构，部署在公网可访问的服务器上，主要实现设备实时监测、设备管理、告警管理和系统管理等功能，软件架构分为设备接入层、数据平台层、业务平台层3层，软件架构图如图9所示。
图8 监管终端软件流程图
设备接入层，通过网络协议接入物流监管终端，实时接收并解析终端上报的位置、温湿度、运动状态、电量和告警等协议数据，进而交由数据平台层处理。
数据平台层，对原始采集的终端监控数据进行清洗、分类、存储，形成基础数据库和时序数据库，进而由数据模型对处理后的数据进行运损定责、运损趋势、运损损失、设备运动行为和物流公司运输安全性等方面的分析，为物流运输管理和业务数据展现提供强有力支撑。
业务平台层，以友好的操作界面直面用户使用，为用户提供设备监测、设备管理、设备告警等业务功能，以此进一步提供了物流货品运输过程的全程监控、运输异常结果及原因分析，为物流运输监控、运损监测、运损复盘、物流过程分析及业务决策提供业务支撑。
4 系统测试
为验证家电物流监管系统的功能和性能，进行监管终端和平台联调测试。家电在装箱前，将监管终端固定于家电包装箱内，通过开关打开监管终端电源，家电与监管终端按照映射关系在平台端进行绑定，之后即可在家电出厂、搬运、运输、仓储和配送等货物运输全周期内查看货物的状态，实时数据可在监管平台上查看，如图10所示，可查看每个装有监管终端的货物信息，包括商品状态、倾斜角度、温湿度、终端电量、商品批次和异常告警等。
货物运输的整体态势、数据统计分析可在监管平台总览界面中查看，如图11所示，物流监管平台支持电子地图显示所有设备位置，支持实时状态、历史告警、设备运动轨迹查询，支持物流公司所属设备查询、区域内设备查询，支持设备全生命周期管理，如货品和设备绑定、设备参数阈值设置、监控参数信息统计等，支持设备告警信息查询、告警分类、告警统计，支持用户管理、用户角色管理、用户权限管理和系统日志管理等。
图9 平台软件架构图
图10 监管终端实时数据平台端显示界面
监管终端跌落高度计算的准确性，对货损定责来说至关重要。跌落类型按平跌、角跌进行分类，平跌是指货物正常姿态放置、水平跌落，角跌是指货物与地面有一定倾角、某个角先着地的跌落过程，同样的跌落高度，角跌比平跌货损严重，角跌与平跌可通过x、y、z三轴角速度计算的倾角进行区分。如图12所示，按跌落高度60 cm平跌，跌落高度60 cm、倾角45°角跌分别进行5组测试，跌落高度计算结果见表1。由表1可知，经反复实验测试，跌落误差可稳定保持在4 cm以内，测量精度满足物流监管货损定责需求，根据计算的跌落高度、货物倾角、温湿度，以及告警发生的时间和位置，即可做为货损定责依据，能够有效监管货物运输全周期内参与人员的行为。
图12 货品跌落测试
表1 实验数据表
5 结束语
本文设计了一套基于运动传感器的家电物流监管系统，从系统总体设计、硬件设计、终端嵌入式软件设计和平台软件设计等方面详细阐述了家电物流监管系统设计的全过程，并且在实际应用环境下进行了系统功能性能测试，试验测试证明系统设计合理可行。该系统可对家电出厂、搬运、运输、仓储和配送等环节进行全过程监管，解决了家电物流运输过程中货物状态信息难获取、货物定损追责无依据等问题，能够促使物流运输全周期内的参与人员规范作业，从而有效降低货损率。目前，该系统已在某家电厂商投入使用。
参考文献：
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