基于MEMS加速度傳感器的“快遞黑匣子”

周達(dá)左++李紅麗

摘 要：通過加速度傳感器對(duì)快遞包裹在運(yùn)輸過程中所受的物理沖擊，包括撞擊、顛簸、翻轉(zhuǎn)等進(jìn)行捕捉，在此過程中，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并與器件中已存數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，若沖擊強(qiáng)度超過預(yù)設(shè)值，我們即認(rèn)為此次物理沖擊會(huì)對(duì)物品造成潛在危害，隨即對(duì)此次沖擊的強(qiáng)度進(jìn)行記錄存儲(chǔ)。若買家收到物品時(shí)，發(fā)現(xiàn)物品已有損壞，可調(diào)出隨物品一同運(yùn)輸?shù)摹昂谙蛔印辈榭丛谶\(yùn)輸過程中的沖擊記錄，為損失索賠提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：物理沖擊；捕捉；預(yù)設(shè)值；記錄

中圖分類號(hào)：TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2017）07-00-02

0 引 言

隨著網(wǎng)上購物的快速發(fā)展，物流行業(yè)也在蓬勃發(fā)展，但發(fā)展的同時(shí)問題不斷[1，2]。物品損壞是個(gè)大問題，供貨商與快遞公司之間相互推脫責(zé)任，針對(duì)這種情況，本文設(shè)計(jì)了一種基于MEMS加速度計(jì)的“快遞黑匣子”。它采用雙軸加速度計(jì)作為核心傳感器件，將MSP430F1611IPM作為微處理器，系統(tǒng)微處理器根據(jù)加速度傳感器的X、Y兩路加速度信息，通過系統(tǒng)設(shè)定的分析、處理算法生成設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)。將此值與系統(tǒng)設(shè)定值相比，配合實(shí)時(shí)時(shí)鐘記錄芯片的使用狀況，獲取物品在運(yùn)輸過程中所受的接近或大于設(shè)定值的加速度及其對(duì)應(yīng)時(shí)間，為物品損壞分析提供數(shù)據(jù)。

1 “快遞黑匣子”的工作原理

“快遞黑匣子”采用低功耗芯片，在物品運(yùn)輸過程中可準(zhǔn)確記錄物品所受的接近或大于設(shè)定值的加速度及其對(duì)應(yīng)時(shí)間，在一次使用后可以選擇復(fù)位以達(dá)到重復(fù)利用的目的。

2 “快遞黑匣子”硬件電路設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)包括單片機(jī)模塊，傳感器與時(shí)鐘模塊，電源模塊，USB轉(zhuǎn)UART模塊[3-6]。單片機(jī)模塊電路如圖1所示，其最大的特點(diǎn)是低功耗，因此我們?cè)O(shè)計(jì)的“快遞黑匣子”在物品運(yùn)輸過程中無需擔(dān)心電量不足的問題。

復(fù)位電路如圖2所示。每次使用前為確保數(shù)據(jù)記錄容量，按下S1，即達(dá)到復(fù)位效果，使得該產(chǎn)品可回收，可重復(fù)使用，大大節(jié)約了物流行業(yè)的成本。

時(shí)鐘電路如圖3所示。晶振結(jié)合其他電路產(chǎn)生單片機(jī)所必須的時(shí)鐘頻率，單片機(jī)一切指令的執(zhí)行都建立在其基礎(chǔ)上，晶振提供的頻率越高，單片機(jī)運(yùn)行得越快。

傳感器與時(shí)鐘模塊如圖4所示。M41T0計(jì)時(shí)器RAM是一個(gè)低功耗串行計(jì)時(shí)器，其內(nèi)建32.768 kHz振蕩器，外部晶體控制八個(gè)寄存器用于實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘日歷的功能，同時(shí)還配置了二進(jìn)制編碼的十進(jìn)制格式地址和數(shù)據(jù)傳輸，通過兩線的雙向總線連續(xù)傳輸讀或?qū)憯?shù)據(jù)字節(jié)時(shí)，內(nèi)建地址寄存器自動(dòng)增加，可計(jì)秒、分鐘、小時(shí)、天、星期、月、年和世紀(jì)等。特殊軟件可編程輸出，當(dāng)加速度傳感器感知到大于設(shè)定值的加速度時(shí)，配合此時(shí)鐘芯片，單片機(jī)能記錄此刻的加速度及對(duì)應(yīng)時(shí)間。

電源模塊如圖5所示。該充電器是定時(shí)終止恒流/恒壓線性充電器，利用USB對(duì)鋰電池充電，充電電流由PROG（7）引腳上的電阻來設(shè)定，浮動(dòng)電壓預(yù)設(shè)為4.2 V。TC4053具有完善的溫度檢測(cè)和補(bǔ)償、調(diào)整功能，允許用戶安全地以較大電流充電從而大大減少充電時(shí)間，配合穩(wěn)壓芯片的使用能更好地保護(hù)電路中的各個(gè)器件。

USB轉(zhuǎn)UART模塊如圖6所示。CP2101中的USB功能控制器和收發(fā)器是一個(gè)符合USB2.0規(guī)范的全速器件，集成收發(fā)器和片內(nèi)相應(yīng)的上拉電阻。USB功能控制器管理USB和UART間所有的數(shù)據(jù)傳輸及由USB主控制器發(fā)出的命令請(qǐng)求和用于控制UART功能的命令。USB終止和恢復(fù)信號(hào)支持功能便于CP2101器件以及外部電路的電源管理。當(dāng)在總線上檢測(cè)到終止信號(hào)時(shí)，CP2101將進(jìn)入終止模式，在進(jìn)入終止模式時(shí)CP2101會(huì)發(fā)出SUSPEND和/SUSPEND信號(hào)。SUSPEND和/SUSPEND在一個(gè)CP2101復(fù)位后也會(huì)發(fā)出，直到USB要求的器件配置完成。

圖6 USB轉(zhuǎn)UART模塊

3 “快遞黑匣子”軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)包括單片機(jī)程序開發(fā)、USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)、主機(jī)應(yīng)用程序開發(fā)[7-10]。三者互相配合才能完成可靠、快速的數(shù)據(jù)傳輸。其中USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序由Cygnal公司提供。剩下一部分為單片機(jī)MSP430F11611的串行通信程序，即波特率、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位等；另一部分為MEMSIC加速度計(jì)C62020M和實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片M41T0的程序設(shè)計(jì)。

4 結(jié) 語

“快遞黑匣子”具有結(jié)構(gòu)簡單，體積小，功耗低，成本較低，可回收重復(fù)利用等特點(diǎn)。若能將此感知器廣泛應(yīng)用于快遞行業(yè)，它能夠記錄物品傳輸過程中所受的各種沖擊力度，使得快遞運(yùn)輸向“透明化”進(jìn)程邁出重要一步，大大增強(qiáng)快遞人員的責(zé)任感，也為快遞過程中產(chǎn)生的糾紛提供了很好的“證據(jù)”，有助于合理解決糾紛。此外，由于本產(chǎn)品可以記錄各類物理沖擊，所以在應(yīng)用上不會(huì)局限于快遞包裹運(yùn)輸，對(duì)于需要記錄遭受顛簸、翻轉(zhuǎn)等沖擊的物品，例如實(shí)驗(yàn)室研究、精密儀器和重要物品的大規(guī)模運(yùn)輸?shù)龋井a(chǎn)品均可發(fā)揮作用。

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