一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的物流柜振動(dòng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

文章設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的物流柜振動(dòng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)監(jiān)控物品運(yùn)輸過(guò)程中的溫濕度、方位角、加速度、振動(dòng)功率譜等參數(shù)，并通過(guò)N8-410T接入物聯(lián)網(wǎng)云端，可實(shí)時(shí)查詢，并對(duì)可能發(fā)生的貨物損壞做出預(yù)警。

1 系統(tǒng)總體方案

采用物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)思維，基于高精度數(shù)字傳感器技術(shù)、ZigBee短距離無(wú)線通信技術(shù)、NB-0T低功耗廣域網(wǎng)(LPWAN)以及高性能低功耗數(shù)字信號(hào)處理器(D0igital Signal Processing,DP)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)采用分布式組網(wǎng)方式，主要由物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)組成，其中網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)均裝置于物流柜內(nèi)。系統(tǒng)總體方案如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要包含傳感器節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)兩部分。

2.1 傳感器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)硬件系統(tǒng)包含ZigBee控制/通信單元、六軸運(yùn)動(dòng)傳感器、溫濕度傳感器等幾部分，其原理框圖如圖2所示。

1)ZiqBee控制/通信單元

文章選用CC2530作為微控制器和ZigBee通信單元，進(jìn)一步簡(jiǎn)化硬件系統(tǒng)，降低系統(tǒng)功耗，降低系統(tǒng)成本，CC2530是美國(guó)德州儀器公司(T)推出的一款基于Simplelink解決方案的無(wú)線應(yīng)用單片機(jī)系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的8051核單片機(jī)不同，CC2530內(nèi)置了射頻收發(fā)器，提供了一種滿足2.4 GH2應(yīng)用的第二代片上系統(tǒng)解決方案、支持IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)、ZigBee協(xié)議及RF4CE標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，結(jié)合了德州儀器的業(yè)界領(lǐng)先的黃金單元ZigBee協(xié)議棧(Z-StacKTM),提供了一個(gè)強(qiáng)大和完整的ZigBee解決方案，其電路原理圖如圖3所示。

2)六軸運(yùn)動(dòng)傳感器單元

文章選用ICM+20602作為加速度傳感器和方位角傳感器，ICM.20602是一個(gè)六軸運(yùn)動(dòng)跟蹤裝置，包含一個(gè)3軸陀螺儀和一個(gè)3軸加速度計(jì)，具有和串行外設(shè)接口(Seral peipheral interace,SPl)，通過(guò)對(duì)分散原件的系統(tǒng)級(jí)整合，提供了最佳的運(yùn)動(dòng)性能，支持20 000 g的沖擊可靠性，具有很高的魯棒性,其功能框圖如圖4所示。

3)溫濕度傳感器單元

文章選用HDC2010作為溫度傳感器和濕度傳感器。HDC2010是一款采用超緊湊晶圓片級(jí)芯片規(guī)模封裝(wafer Level chip Scale Packaging,WLCSP)的集成式濕度和溫度傳感器，能夠以超低功耗提供高精度測(cè)量。HDC2010的傳感元件位于器件底部，有助于免受粉塵、灰塵以及其他環(huán)境污染物的影響，從而更加穩(wěn)定可靠，為各種環(huán)境監(jiān)測(cè)應(yīng)用和物聯(lián)網(wǎng)提供高精度測(cè)量功能，溫度精度為0.2'℃,相對(duì)濕度精度為2%,并配備了加熱元件，可消除冷凝和濕氣，從而增加可靠性。其功能框圖如圖5所示。

2.2 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)硬件系統(tǒng)包含DSP單元，ZoBee通信單元、容帶物聯(lián)網(wǎng)lNamow Band Intemetof Things,NBD0T)、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Globa Navgation Satelite systemn, GNSS)通信單元、實(shí)時(shí)時(shí)鐘(ReITime CocK,RTC)單元、有機(jī)發(fā)光二極管(0rganic lightEmiting Diode,OLED)顯示單元、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元等幾部分，其原理框圖如圖6所示，其中，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)采用與傳感器節(jié)點(diǎn)一樣的zgBe通信單元電路，通過(guò)異步串行通信與DSP進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

1)DSP單元

TMS320F2808是德州儀器(T1推出的一款高件能32位教字信號(hào)外理器，具有低成本，低功耗和高件能的特點(diǎn)，最高運(yùn)行速度可達(dá)100 MPS,片上集成了多種功能強(qiáng)大的增強(qiáng)型外設(shè)模塊，使其具有強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理能力，又具有強(qiáng)大的事件管理能力和嵌入式控制功能，形成了真正的單校片教字信號(hào)處理控制器，特別活用于工業(yè)、汽車，醫(yī)療和消費(fèi)類市場(chǎng)中有大量數(shù)據(jù)處理的測(cè)控和電機(jī)控制場(chǎng)合。其電路原理圖如圖7所示。

2)NB-IOT、GNSS通信單元

文章采用移遠(yuǎn)通信的BC20作為NB-OT、GNSS通信單元。BC20是一款支持GNSS定位功能的高性能NB-0T模塊，通過(guò)NB-0T無(wú)線電通信協(xié)議(3GPPReL.13),BC20模塊可與網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商的基礎(chǔ)設(shè)備建立通信，GNSS接收機(jī)集成了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)(Globa Posioning Systemn,GPS)格洛納斯(GLONASS)定位和導(dǎo)航系統(tǒng)，可多系統(tǒng)聯(lián)合定位，支持多種星基增強(qiáng)系統(tǒng)(Ssatete-BasedAugmentation Syste,SBAS)信號(hào)接收處理，能夠在最小功耗時(shí)實(shí)現(xiàn)工業(yè)級(jí)的接收靈敏度、高精確度以及快速首次定位，幾乎能滿足所有機(jī)器對(duì)機(jī)器(M2M)領(lǐng)域的應(yīng)用需求，其電路原理圖如圖8所示。

3)RTC單元

文章采用美信半導(dǎo)體(MAXIM)的DS1307作為RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘單元，利用法拉電容為RTC提供備用電源，DS1307是一種低功耗、全二進(jìn)制編碼十進(jìn)制時(shí)鐘/日歷，通過(guò)PC雙向總線串行傳輸。DS1307具有內(nèi)置電源感應(yīng)電路，可檢測(cè)電源故障并自動(dòng)切換到備用電源，確保計(jì)時(shí)操作繼續(xù)進(jìn)行。其電路原理如圖9所示。

4)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元

文章采用意法半導(dǎo)體(ST)的M24M02作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元。M24M02為industialLPus級(jí)105 ℃標(biāo)準(zhǔn)I2C EEPROM產(chǎn)品，具有更大的工作溫度范圍，適用于智慧城市和智能產(chǎn)業(yè)解決方案。產(chǎn)品采用I2C協(xié)議，工作于1MHz,存儲(chǔ)容量可達(dá)2 M,支持每字節(jié)高達(dá)400萬(wàn)次、每設(shè)備超過(guò)1億次寫入/擦除，具有200年的數(shù)據(jù)保存時(shí)間。其電路原理如圖10所示。

5)OLED顯示單元

文章采用金鵬電子的OLED模組作為顯示單元。OCMO25664-3是一款OLED顯示器，控制器為SSD1322,顯示256x64點(diǎn)陣，顯示對(duì)比度強(qiáng)烈，支持8位680和8080并口，三線和四線SPI串口，其電路原理如圖11所示。