基于STM32的物流监测系统

马 梅，周惠忠，刘 腾，杨永广

MA Mei, ZHOU Hui-zhong, LIU Teng, YANG Yong-guang

（扬州工业职业技术学院，扬州 225127）

0 引言

为了防止重要物资在物流运输环节中的损坏与丢失，本文设计出一款重要物资物流监测系统，使用时将该系统设备和被送物资一同打包。本系统采用先进全球定位系统GPS来准确检测物资当前的地理位置；通过温度，湿度以及振动传感器来了解物资当前环境状态；获取的信息通过GSM移动通信系统以短信的形式发送到用户手机，使客户可以随时了解自己物资的位置与状态；到达终点后能调出更详细的数据记录。因需要长时间工作且体积受限，设计时使用低功耗器件及高能锂电池组，来解决了续航能力的问题。整个项目设计为追踪重要物资提供了有效的解决方法，保障了重要物资的安全性与时效性，使整个物流过程更安全。整个系统组成包括：1）基于CORTEX-M3内核的ARM系列单片机；2）集成GPS与GSM为一体的SIM908模块；3）温度，湿度，加速度传感器；4）锂电池组。

1 物流监测系统的设计构架

由于此系统是由锂电池供电的，考虑到体积小和重量轻，可以方便放置在重要物品上，故不能使用太大的电池。因此本系统采用低功耗的设计，CPU不能一直处于工作状态，我们设置系统每半小时或者当接收到短信时唤醒CPU，每次工作大约两分钟，以此节约电力的消耗。每当系统唤醒时，开启GSM模块，等待与基站连接，开启GPS，等待定位完成。读取传感器的数据后保存到SD卡中，然后将传感器、GSM和GPS处理待机状态，当有查询短信进来时，将唤醒GSM模块，继而唤醒CPU，CPU唤醒其他的相关模块，把温湿度/时间/速度/加速度/海拔高度等状态信息返回手机。系统框图如图1所示。

图1 物流监测系统构建框架

2 物流监测系统硬件设计

2.1 主控电路设计

如图2为主控电路。本设计采用的核心控制芯片是STM32F103RBT6单片机，是一款基于CORTEX-M3内核、高性能、低成本、低功耗的微控制器，在软件和引脚封装方面同其他STM32系列处理器是兼容的。该微控制器属于增强型系列，时钟频率达到72MHz，是同类产品中性能最高的产品，能实现高端运算。内嵌128KB FLASH程序存储器，UART、SPI等串行接口以及最大翻转率18MHz的GPIO，所以使用STM32作为核心控制器是一个较好的选择。

图2 主控电路

2.2 电源模块电路设计

1）供电与充电模块电路

系统采用锂电池直接给SIM908模块供电的方案，GSM的供电范围为3.2～4.8V，GPS的供电范围是3.0～4.5V，因此可以直接采用锂电池供电。而单片机的供电范围是1.8～3.6V，故采用MIC5205产生提供3.3V的电压给单片机供电。

充电模块主要采用TP4057芯片。基于环保节能方面的考虑，该系统采用TP4057作为主要元器件构成充电模块，TP4057是专门为一节锂离子或锂聚合物电池而设计的线性充电器电路，利用芯片内部的功率晶体管对电池进行恒流和恒压充电。其SOT封装与较少的外部元件数目使TP4057成为便携式应用的理想选择。基于物流监测器体积小和重量轻，必须方便放置在重要物品上特点，采用此充电模块为电池充电是一个较好的选择。供电模块与充电电路分别如图4、图5所示。

图3 充电电路模块

图4 单片机供电模块

图5 SIM908模块电路设计

2.3 SIM908模块电路设计及应用

SIM908是一款集成GPS导航技术的四频GSM/GPRS模块。紧凑的模块尺寸将GPRS和GPS整合在SMT封装里，为客户实现内嵌GPS的应用节省了开发时间和费用。其工业级的标准接口和GPS功能，在GSM和GPS信号覆盖的任何地方都能实现无缝追踪。

如图6所示为SIM908模块PCB板的射频部分，射频走线遵循短而直的原则，尽量走直线或弧状线。对于射频部分设计，需要结合板层、板厚、材质等大致计算射频线宽，保证50欧姆左右的输出阻抗，然后采用PCB阻抗匹配的公式计算出印制线的宽度，计算公式可用下式表示：

其中Er为材料介电常数。一般都用FR-4材料，Er一般取4.2。H为绝缘层厚度，W为印制线宽度，T为印制线厚度。计算阻抗为50欧时印制线的宽度。

总厚度：65×0.0254＝1.6mm

Er=4.2 H=7.3mil T=1.9mil

Ln的底数=2.71828

代入公式：5 0=[8 7/(4.2 +1.4 1)1/2]xln[5.98x7.3/(0.8W+1.9)]计算出绘制PCB板时印制线的宽度为W=11.6mil。

图6 SIM908模块PCB板的射频部分

3 物流监测系统软件设计

根据物流监测系统的功能需求，首先系统初始化，根据低功耗的需求，采用两种方法唤醒CPU，其一是定时唤醒，完成信号的存储后再次进入休眠状态，其二是接收到短信之后唤醒CPU，完成信号的读取后将信号转发回去。CPU正常工作后开启其他外围模块，把温湿度、振动传感器以及GPS和GSM模块的状态信息以TXT的形式写入SD卡。程序流程图框架如图所示。

4 结论

图7 主程序流程图

本文的创新在于，其一消费者能自我掌控物流信息，物流监测系统提供实时的地理位置、环境信息并以短信的形式定时把数据发送到客户端；其二可以实现双向通信，除了手机接收信息，还可以利用手机控制得到即时信息数据；其三数据具有存储和回看功能，方便管理和提供清单，为纠纷投诉提供证据。使用微处理器整合GPS和GSM并使用低功耗器件，使整个系统灵活，稳定高效，续航时间长。

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