基于STM32單片機(jī)的智能快遞箱設(shè)計(jì)

何睿凡 秦將 姜炎 劉曉華

摘要：針對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)快遞箱運(yùn)輸環(huán)境的需求，提出了一種基于STM32單片機(jī)的智能快遞箱的設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了溫濕度監(jiān)測(cè)、位置監(jiān)測(cè)和手機(jī)App端查詢的功能。系統(tǒng)以STM32單片機(jī)為主控制器，采用DHT11溫濕度傳感器模塊和GPS定位模塊分別收集溫濕度和位置信息，通過SIM800A模塊傳輸數(shù)據(jù)至OneNET云平臺(tái)，App從OneNET平臺(tái)獲取到數(shù)據(jù)，用戶即可在手機(jī)App上實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。測(cè)試結(jié)果顯示該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)快遞箱狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，具有低成本、低功耗的特點(diǎn)，對(duì)智能物流數(shù)據(jù)的改進(jìn)具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：STM32;智能快遞箱;溫濕度;位置;App;實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：TP311? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2022）18-0036-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

1 引言

在高速發(fā)展的互聯(lián)網(wǎng)及物流運(yùn)輸行業(yè)的大環(huán)境下，我國的快遞業(yè)務(wù)量急速增長(zhǎng)，互聯(lián)網(wǎng)物流行業(yè)極大地便利了人們的日常生活，但同時(shí)也面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。根據(jù)國家郵政局的統(tǒng)計(jì)，目前，中國快遞業(yè)務(wù)量超過1000億，連續(xù)八年位居世界第一，每天服務(wù)近7億用戶[1]。但是快遞數(shù)量增長(zhǎng)迅速的同時(shí)，快遞丟失、損壞的現(xiàn)象越來越常見，而快件丟失賠償?shù)汀⒇浳飺p壞索賠難，導(dǎo)致消費(fèi)者的合法權(quán)益得不到保障，因此智能物流數(shù)據(jù)需要更加完善。本文設(shè)計(jì)的智能快遞箱實(shí)現(xiàn)了對(duì)快遞箱內(nèi)溫濕度以及位置信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并在終端上顯示監(jiān)測(cè)到的各數(shù)據(jù)，方便用戶實(shí)時(shí)獲取到快件的狀態(tài)并及時(shí)處理異常情況，尤其對(duì)于食品級(jí)的快件具有重要意義。

2 總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)分為硬件和軟件兩部分，硬件部分由STM32單片機(jī)、DHT11溫濕度傳感器模塊、NEO-6M-GPS定位模塊和SIM800A模塊組成，軟件部分可分為硬件功能程序設(shè)計(jì)與軟件程序設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)采用STM32單片機(jī)作為主控制器，負(fù)責(zé)所有數(shù)據(jù)的收發(fā)與執(zhí)行，以串口通信的方式通過溫濕度傳感器DHT11、GPS模塊采集溫濕度及位置信息，然后通過串口發(fā)送AT指令控制SIM800A，接收到期待的應(yīng)答結(jié)果后發(fā)送數(shù)據(jù)給SIM800A。SIM800A通過HTTP協(xié)議連接到OneNET平臺(tái)并將所測(cè)數(shù)據(jù)上傳到OneNET平臺(tái)。App根據(jù)設(shè)備ID向OneNET云平臺(tái)發(fā)送GET請(qǐng)求，將返回的數(shù)據(jù)解析處理后顯示在App詳細(xì)信息界面。系統(tǒng)整體框架圖如圖1所示。

3 硬件設(shè)計(jì)

智能快遞箱系統(tǒng)采用STM32F407單片機(jī)為主控核心，以DHT11為溫濕度傳感器模塊，以NEO-6M-GPS為定位模塊，以SIM800A為傳輸模塊。

3.1 STM32單片機(jī)

主控芯片在整個(gè)系統(tǒng)中承擔(dān)著最核心的任務(wù)，它像一座橋梁連接著各個(gè)模塊，負(fù)責(zé)所有數(shù)據(jù)的收發(fā)與執(zhí)行，起到承上啟下的作用[2]。在本系統(tǒng)中，需要主控芯片對(duì)各傳感器模塊輸入的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行集中處理并與SIM800A模塊產(chǎn)生交互。因此，為了實(shí)現(xiàn)智能快遞箱系統(tǒng)工作的高效性和可靠性，選擇合適的主控芯片非常重要。

基于高性能，低功耗和低成本等需求，選擇STM32F407VET6單片機(jī)作為主控芯片，它基于擁有更高性能的ARM Cortex-M4處理器內(nèi)核。STM32單片機(jī)內(nèi)置1024K的FLASH和192K的SRAM，具有144個(gè)I/O口，1.8～3.6V電源就能支持系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間工作，還提供了三種低功耗模式。它擁有高速的計(jì)算能力和豐富的外設(shè)接口，便于通過連接多種傳感器來擴(kuò)展其他功能，在同類產(chǎn)品中性能最高。利用STM32解析DHT11模塊以及GPS模塊傳來的數(shù)據(jù)信息，然后利用SIM800A模塊通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)傳輸至OneNET云平臺(tái)。

3.2 DHT11溫濕度傳感器模塊

由于快遞箱本身規(guī)模小且數(shù)量多，所以溫濕度傳感器的選擇應(yīng)盡可能地滿足集約性和小型化。另外考慮到測(cè)量的精度和消耗的功率，選擇數(shù)字溫濕度傳感器DHT11作為本系統(tǒng)溫濕度數(shù)據(jù)的采集模塊[3]。

DHT11是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字控制信號(hào)系統(tǒng)輸出的，專業(yè)的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)復(fù)合的數(shù)字溫濕度檢測(cè)傳感器，包括了一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件[4-5]，測(cè)量范圍為20%～90%RH和0～50℃，測(cè)濕精度可達(dá)到±5%RH，測(cè)溫精度可達(dá)到±2℃。DHT11具有體型小巧、操作簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性高、傳輸距離長(zhǎng)和測(cè)量精確等特點(diǎn)。DHT11模塊與STM32連接方式如圖2所示。

3.3 GPS定位模塊

考慮到本系統(tǒng)追蹤靈敏、定位精準(zhǔn)和體積小巧的需求，選擇基于NEO-6M內(nèi)核的GPS定位模塊。GPS模塊通過串口的方式與單片機(jī)進(jìn)行通信，操作簡(jiǎn)單，并且自身攜帶的SMA接口可連接有源天線，工作能力強(qiáng)。模塊的高靈敏度、低功耗及小巧的體積，適用于移動(dòng)定位系統(tǒng)的應(yīng)用，是GPS產(chǎn)品應(yīng)用的最佳選擇。在本系統(tǒng)中，它與STM32開發(fā)板連接來監(jiān)測(cè)快遞箱的實(shí)時(shí)位置，使系統(tǒng)實(shí)用性更強(qiáng)，便于攜帶[6]。GPS模塊與STM32的連接方式如圖3所示。

3.4 SIM800A傳輸模塊

SIM800A是一款兩頻GSM/GPRS模塊，工作頻率為GSM/GPRS 900/1800MHz，模塊尺寸為24*24*3mm，可滿足對(duì)空間尺寸的要求。它支持中國移動(dòng)手機(jī)卡，支持TCP/UDP通信，板載高效DC降壓電路，可以將5-18V電源穩(wěn)壓在3.8V左右，板載TTL電平串口，串口電平做了匹配，可以跟STM32單片機(jī)直接連接。同時(shí)，硬件具有一路復(fù)位管腳，模塊出現(xiàn)問題時(shí)，可以復(fù)位解決。STM32通過串口發(fā)送AT指令對(duì)SIM800A進(jìn)行控制，只需進(jìn)行串口數(shù)據(jù)的收發(fā)，便可低功耗實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程服務(wù)平臺(tái)的數(shù)據(jù)傳輸[7]。SIM800A模塊與STM32的連接方式如圖4所示。

4 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)包含了硬件功能程序設(shè)計(jì)和軟件功能程序設(shè)計(jì)。硬件功能程序設(shè)計(jì)通過Keil MDK軟件編譯實(shí)現(xiàn)，選擇C語言作為編程語言，包括了溫濕度數(shù)據(jù)采集程序，位置數(shù)據(jù)采集程序和數(shù)據(jù)傳輸程序[8]。軟件功能程序設(shè)計(jì)的開發(fā)環(huán)境使用Android Studio軟件，選擇Java語言作為編程語言，包括查詢界面和詳細(xì)信息界面兩部分。

4.1 硬件功能程序設(shè)計(jì)

1）溫濕度數(shù)據(jù)采集程序

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器采用單總線數(shù)據(jù)格式，單數(shù)據(jù)引腳端口完成輸入輸出雙向傳輸[9]。數(shù)據(jù)發(fā)送流程為：首先主機(jī)發(fā)送開始信號(hào)，即復(fù)位DHT11，拉低數(shù)據(jù)線至少18ms，再拉高數(shù)據(jù)線20～40us，然后等待DHT11的回應(yīng)，響應(yīng)成功時(shí)DHT11會(huì)拉低數(shù)據(jù)線保持40～50us，然后再次拉高40～80us，開始輸出數(shù)據(jù)。輸出的是未編碼的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，由5byte組成。濕度=byte4·byte3（%RH），溫度=byte2·byte1（℃）[10-11]，前四個(gè)byte相加等于byte0時(shí)校驗(yàn)正確。

2）位置數(shù)據(jù)采集程序

NEO-6M GPS模塊采用串口進(jìn)行通信，采用NMEA-0183協(xié)議輸出GPS定位數(shù)據(jù)，采用UBX配置協(xié)議作為控制協(xié)議。在NMEA-0183協(xié)議中，GPS定位信息以ASCII碼的形式來傳遞，我們稱之為幀。程序分別解析GPGSV信息（可見衛(wèi)星數(shù)）、GPGGA信息（GPS定位信息）、GPGSA信息（當(dāng)前衛(wèi)星信息）、GPRMC信息（推薦定位信息）和GPVTG信息（地面速度信息）[12]，提取NMEA-0183信息，從而得到GPS定位的各種信息。UBX配置協(xié)議用來控制模塊，以命令的形式進(jìn)行，配置GPS的更新頻率，NMEA輸出信息的格式等，保存在外部EEPROM里面。

3）數(shù)據(jù)傳輸程序

系統(tǒng)接通電源后，STM32發(fā)送AT指令配置SIM800A，發(fā)送“AT+CIPSTART=“TCP” “api.heclouds.com”“80”指令，返回“CONNECT OK”，即通過TCP協(xié)議與PC端成功建立連接，通過串口調(diào)試助手可監(jiān)測(cè)各模塊是否正常響應(yīng)。STM32通過串口向SIM800A發(fā)送數(shù)據(jù)，SIM800A通過HTTP協(xié)議接入OneNET平臺(tái)并傳輸數(shù)據(jù)，在此之前先對(duì)OneNET進(jìn)行相關(guān)設(shè)置：選擇多協(xié)議接入，選擇HTTP協(xié)議，新建設(shè)備與產(chǎn)品，新建溫濕度及位置信息的數(shù)據(jù)流模板。程序中數(shù)據(jù)流模板的名稱需與OneNET上設(shè)置一致，格式需按照POST請(qǐng)求方法的協(xié)議規(guī)范，包含在OneNET平臺(tái)創(chuàng)建的設(shè)備名、APIkey、Host和Content-Length信息。數(shù)據(jù)上傳完成后，對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)流模板將增加新數(shù)據(jù)[13]。

4.2 軟件功能程序設(shè)計(jì)

App程序使用Java語言編寫，開發(fā)環(huán)境使用Android Studio軟件，軟件主要分為查詢界面和詳細(xì)信息界面兩部分，在查詢界面可通過掃描二維碼或手動(dòng)輸入快遞單號(hào)的方式查詢智能快遞盒詳細(xì)信息，后臺(tái)根據(jù)輸入的快遞單號(hào)通過OneNET平臺(tái)查詢快遞盒的詳細(xì)數(shù)據(jù)，包括智能快遞盒的溫度、濕度信息以及定位信息，并將數(shù)據(jù)顯示在詳細(xì)信息界面，程序流程圖如圖5所示。

查詢界面由輸入框、掃碼按鈕以及查詢按鈕組成，如圖6所示。該部分主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的查詢，根據(jù)輸入的快遞單號(hào)在數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行查詢，若數(shù)據(jù)庫中存在該快遞單號(hào)，則根據(jù)該單號(hào)所綁定的設(shè)備ID查詢OneNET平臺(tái)的數(shù)據(jù)，若不存在，則提示該單號(hào)未綁定智能快遞盒。

詳細(xì)信息界面由當(dāng)前地理位置信息、當(dāng)前溫度以及當(dāng)前濕度組成，該部分負(fù)責(zé)解析OneNET平臺(tái)返回的數(shù)據(jù)并顯示在當(dāng)前界面，其中，地理位置信息通過調(diào)用百度地圖API所建立的地圖來顯示，溫度和濕度作為文本信息顯示在地圖下方，如圖7所示。

5 結(jié)束語

本文基于STM32單片機(jī)，采用DHT11，GPS模塊分別采集快遞箱的溫濕度和地理位置信息，采用SIM800A上傳這些數(shù)據(jù)到OneNET平臺(tái)，并設(shè)計(jì)了一款手機(jī)App獲取OneNET平臺(tái)上的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了在手機(jī)端即可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)快遞箱的溫濕度信息以及位置信息的功能。該系統(tǒng)功耗低，易操作，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳文麗.快遞物流業(yè)彰顯超大市場(chǎng)規(guī)模優(yōu)勢(shì)[N].中國商報(bào)，2021-12-29（1）.

[2] 傅良康，蘇威，吳文秀.基于STM32的室內(nèi)環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].科技資訊，2020，18（33）：18-20.

[3] 徐鑫秀，趙士原.基于DHT11傳感器的機(jī)房溫濕度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代信息科技，2020，4（14）：57-59.

[4] 楊冬連，耿艷香，趙晶，等.智能種植箱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].山西科技，2020，35（3）：47-49，52.

[5] 王水發(fā)，范偉華.基于Arduino的智能安全窗監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)與研究[J].電子質(zhì)量，2019（10）：43-45.

[6] 張浩華，劉凡楊，佟佳琪.基于Arduino和OneNet云平臺(tái)的溫度與行蹤監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].沈陽師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2020，38（6）：537-542.

[7] 徐晶，聶思兵，陳陣，等.基于GPRS的遠(yuǎn)程無線串口通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].山西電子技術(shù)，2021（4）：64-67

[8] 楊春麗.基于ZigBee技術(shù)的葡萄園環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2021，17（20）：159-161.

[9] 林玩杰，李水峰，毛立夫，等.基于STM32智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2019，27（24）：176-180.

[10] 葉秀斌，潘依郎，魏經(jīng)緯，等.基于NB-IoT的一種智能環(huán)衛(wèi)裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2019，9（3）：97-99，101.

[11] 肖素華.基于STM32的智能家居管理系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2020，16（20）：223-225.

[12] 寧波小遛共享信息科技有限公司.一種還車檢測(cè)的方法、系統(tǒng)及裝置：中國，202010470366.0[P].2020-10-16.

[13] 楊蕓.基于Arduino與OneNET的家居環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2020，10（9）：11-13.

【通聯(lián)編輯：梁書】