魏子彬,韦思佳,彭 涛,王子琦

(1.东北林业大学信息与计算机工程学院,黑龙江 哈尔滨 150040;2.东北林业大学交通学院,黑龙江 哈尔滨 150040)

1 引 言

随着生活节奏加快,网络购物兴起,物流快递服务行业的发展迎来前所未有的崛起机会,但快件的安全性问题也突显出来。每年发生物流车辆着火、翻车以及其他原因导致的物流运输中断,甚至威胁到了人身安全问题和贵重物品的安全问题,给人们敲响了警钟。提升物流车辆的安全性是提高物流速度与物流过程安全性的重要组成部分,所以对于物流车辆内部环境的检测以及参数控制在物流安全运输中有着重要的地位。目前现有的物流系统监控不够完备,物流运输过程中可能导致货物损坏的因素不可控,无法有针对性的改进。

针对上述问题,王史春[1]等人针对当前的物流系统,设计了基于云平台的智能物流仓储系统,对物流系统进行实时监控,提升物流智能化管理,掌握底层数据。王义勇[2]等人针对农产品冷链物流,提出并开发了一种农产品冷链物流监测平台,提高冷链物流过程的透明度,降低物流损耗,对冷链产品进行有效地监测。付雄新[3]等人针对农产品物流的特点,提出了一种基于无线传感器网络和无线数据传输技术的农产品物流运输装备智能监测与跟踪系统。陈宇铮等[4]基于RFID设计了冷链物流监测系统。然而,目前关于物流车辆内部监控的研究还存在着监控内容单一、网联稳定性差和控制智能化程度低等问题[5-7]。

针对上述的问题,本文探讨了以下内容:(1)运用Python+云服务器的数据库进行数据处理存储,指令的下发控制以及后期基于数据的实时网页可视化处理;(2)采用运行在微控制器上的嵌入式实时操作系统与闭环反馈控制技术的应用,运输过程中对于传统人工监控在多种并发性应急处理事件以及快速预警方面具有明显优势的;⑶结合物联网远程控制反馈技术和现场实时闭环控制以及远端信息安全传输等技术监测运输安全过程中的关键性问题以及控制的智能化。

2 装置设计

本项目基于STm32微控制器强大的动态数据采集以及内部逻辑控制的功能,通过现有多种外界传感器数据(密闭温湿度,火焰探测,烟雾有毒气体)采集数据,针对不同的传感器的信号输出设计不同的传感器信号调制电路。包括用于接收信号并发出控制命令的控制模块,用于采集环境信号的传感模块,用于根据收到的命令动作以改变状态的继电器模块,用于连接控制模块与通信网络的通信模块;控制模块通过MCU_SENSOR_Harness接口连接传感模块,控制模块通过MCU_RELAY_Harness接口连接继电器模块,控制模块通过MCU_SIM7600CE_Harness接口连接通信模块。

图1 装置流程

STm32微处理器核心电路包括控制器U1,型号为STm32F105RCT6,RTC电路Y132.768k,配合C2与C4起振,连接至单片机的PC14和PC15引脚,控制器晶振电路X18 mHz配合C5与C7,分别连接单片机的5与6引脚。复位电路由R1与C10构成,连接脉冲复位引脚NRST;H1与H2为两路通信串口,连接PA10与PA9引脚,连接PC11与PC10引脚。指示灯LED1与LED2连接限流电阻R4与R5至3.3V,另一端连接单片机的PA5与PB11;BOOT模式由R2电阻一端到地,一端连接60引脚BOOTO;H3为程序下载调试接口,连接单片机的PA14SWCLKPA13SWDIO。MCU SIM7600CE Harness连接外部4G模块,通信I0口分别为,串口发PA9串口收PA10RTS CTS暂时没用。MCU_SENSOR_Harness连接外部传感器模块,分别是SHT30I2C接口PA2与PA3;BH1750I2C接口与地址线,PB3,PD2与PC12;MQ-7两线通信数字DO连接PC1模拟IO连接PCO。MCU RELAY_Harness连接外部4路继电器,分别是连接PB6,PB7,PB8,PB9。

4G通信模块由SIM7600CE主通信模组配合外部通信接口芯片与保护芯片配合天线电路,指示灯电路组成;通信接口芯片U2经3.3V与1.8V经C12C13电容连接芯片VCC口,实现U3SIM7600CE串口线RTS/CTS/RXD/TXD,转换电平,连接至单片机的IO接口,接口为SIM7600CE_Harness;SIM卡接口由CARD1实现,电阻R9/R10/R11配合电容C14/C15/C16,连接至U3的17/18/19引脚,实现SIM卡电路,同时D1保护线路的静电干扰能力;U3的79引脚为GPS天线接口,R15为跨接0R电阻C18C19可不焊接,C20为信号耦合电容,配合R14与L1连接3.3 V电源为RF1接口的GPS有源天线提供驱动,E1为信号保护二极管;U3的82引脚连接外部通信主天线,同理R20为跨接0R电阻,C21/C22可不焊接;E2为保护二极管,RF2连接外部4G天线;U3的51脚为指示灯引脚,连接R18,R19控制NPN三极管Q1的基极,控制经过限流电阻RX1的LED3的运行状态。

电源输入与转化电路包括4个部分:C27与D4组成12V DC电源输入滤波与保护电路,12V电源分两路转化;第一路R24为跨接0R电阻,经C29/C30进入U4的第7脚,引脚上的R21/R21进行分压;到地连接U4的2引脚,使能电源芯片工作,C23跨接U4的1/8引脚,U4的6引脚上的电阻R25控制开关频率,U4的3引脚上的电阻R26与电容C28为补偿控制;U4的1引脚为输出电压引脚,由D3整流二极管与L2功率电感,保证续流作用;C24/C25为输出旁路电容;U4的4引脚为反馈电压引脚,连接R28/R27至电源输出端;R23为输出5 V跨接0R电阻。第二路经LDO U5的输入旁路电容连接至3引脚,1引脚接地,2/4引脚为输出3.3 V;电源C34为旁路滤波电容,R29为3.3V跨接0R电阻。由U4转化的5V电源,经R32跨接电阻配合C41/C42滤波电容进入U6的3引脚,R34连接输入端;与5引脚的芯片使能功能,C35连接芯片的输出2引脚与6引脚,跨接电容作用,输出电压经L3电感续流,连接R33/R35分压反馈输入U6的4引脚,输出电压3.8 V经一系列电容C36/C37/C38/C39/C40连接;R30跨接电阻,输出电压3.8 V。

参见图5,继电器模块RELAY_Harness由单片机控制,分别控制4路继电器IO,分别连接至U7的1/3/6/8引脚;9脚为接地引脚,控制输出引脚分别为18/16/13/11引脚,C43为去耦合电容连接10引脚到地;控制信号RELAY1连接K1继电器的8引脚,并连接续流二极管D5的正极端,K1的2/7引脚不接,3/6引脚连接外部12 V电源,4/5引脚连接CN1的2引脚,CN1的1引脚接地;同理RELAY2信号控制D6/K2/CN2,RELAY3信号控制D7/K3/CN3,RELAY3信号控制D7/K3/CN3,RELAY4信号控制D8/K4/CN4。

SENSOR_Harness由单片机控制,分别控制3种传感器的通信总线;传感器P2GY-SHT30-D的1引脚连接C45去耦合电容至3.3V电源,2引脚接地;3/4引脚分别为I2C通信总线,连接至外部单片机IO上通信。传感器P3GY-302BH17501/2/3引脚分别为地址控制线与I2C控制通信线,直接连接至外部单片机的IO引脚进行通信,4/5引脚为地线与电源线引脚连接5V电源,C46去耦合电容;传感器P4 mQ-741/5引脚为地线与电源线引脚连接5V电源,C46去耦合电容。

3 装置效能

本文提出的物流安全运输监测根据运输货物与运输车辆的安全问题及实时性,结合物联网远程控制反馈技术和现场实时闭环控制以及远端信息安全传输等技术,实时监测车辆运行位置与车内储存环境状态等参数,一旦发生阈值超限的状态,监控系统中的硬件装置会急速采取相应的应急措施。

本装置基于远程通信控制系统与现场自动控制技术,通过实时采集多种车辆内部环境参数与定位消息,并将参数实时上传至监控服务端以分析并对比标准操作决策,确定控制举措,确保产品运输过程中处于优良可调控的环境。

通过采用物联网与自动控制技术的应用,可以在完成控制手段后闭环反馈当前控制手段的不完善的地方执行二次闭环回路控制。如在进行降温的操作之后再次将多种外界的环境参数融合分析作为温度失控的原因,并执行二次控制。如打开排气阀与加湿器协同空调,对整个温度进行降温的。同样的,在远端监测到了车辆内部具有异常的情况发生,远端服务器会下发协同控制的指令,会将情况下发送到司机的手机当中,在多方面同时精确掌握运输过程中的安全问题,实时控制物流运输状态。

通过对比国内外现代化物流安全监测和网联交通设施设备的发展现状[8-9],针对当前物流运输管理过程需要解决的病痛点,提出当前主要解决的问题有运输车内环境多种参数的传感器采集测量、远程控制机构的智能化管理、联网数据库的存入与调取。通过解决关键性的问题,达到精准型与智能化的物流车辆内部控制系统。

4 结 语

本装置是根据物流运输过程中食品和车辆的实时环境和安全性,结合物联网远程控制反馈技术和现场实时闭环控制以及远端信息安全传输等技术,实时监测当前物流运输车辆运行的位置与车厢内物件的储存环境状态等参数,一旦发生阈值超限的状态,监控系统中的硬件装置会急速采取相应的应急措施。采用运行在微控制器上的嵌入式实时操作系统与闭环反馈控制技术,运输过程中较传统人工监控在多种并发性应急处理事件以及快速预警方面具有明显优势,满足物流安全运输现代化进程的发展目标。该方法以实时检测的各种物流车辆的内外状态为基础,进行闭环回路性控制,与传统人为监控手段方法相比,所需的控制时间更为快速,检测的办法更为省时省力,是物流运输方面的一种新的尝试,可以为物联网发展下的智能运输系统安全提供参考性的建议与可行性的手段。