王威澄

（武裝警察部隊特種警察學(xué)院，天津，102200）

0 引言

隨著硬件水平和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)[1]技術(shù)隨著人們的需求孕育而生。滿足了人們對貯運監(jiān)測方式的要求，特別是對武器裝備彈藥等貴重、危險物品貯運環(huán)境的監(jiān)測[2]。在槍械瞄準(zhǔn)鏡等高精度光學(xué)裝備器材的全壽命周期內(nèi)，溫度、濕度、振動、沖擊、磁場等因素對它有重要的影響。此外還要掌握裝備器材的位置信息，不僅是為了上級方便調(diào)控物資，而且是裝備器材在運輸途中對安全的需要，同時也符合部隊信息化水平建設(shè)提高的要求。

針對以上問題，本文設(shè)計了一種依托物聯(lián)網(wǎng)的溫濕度檢測系統(tǒng)，能夠在裝備運輸管理過程中，實現(xiàn)遠程的狀態(tài)全過程監(jiān)測。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

系統(tǒng)整體的設(shè)計示意圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計示意圖

每個單位倉庫內(nèi)和裝備器材運輸車上的裝備都配備有溫度監(jiān)測終端，它會上報裝備貯運環(huán)境的溫濕度和地理位置信息到云平臺，相關(guān)人員可以通過搭載有本系統(tǒng)電腦登陸Web應(yīng)用實時掌握和管理所有導(dǎo)彈的動態(tài)信息。

2 硬件設(shè)計

系統(tǒng)的感知終端由溫濕度傳感器、GPS定位模塊、NBIoT通信模組[3]和微控制器四部分組成，總體設(shè)計包括電源及充放電電路、核心控制電路、NB-IoT無線通信電路、傳感器電路、USB轉(zhuǎn)串口/串口燒錄電路和一些外圍電路設(shè)計。本文主要介紹四部分，分別是電源及充放電電路、核心控制電路、NB-IoT無線通信電路以及傳感器電路。系統(tǒng)硬件電路整體設(shè)計示意圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

■2.1 溫濕度傳感器

溫濕度測傳感器選用SHT30，該芯片是瑞士的Sensirion公司生產(chǎn)的新型數(shù)字傳感器，具有精度高、通信速度快、封裝小、成本低等優(yōu)點。而且采用了根據(jù)IP67的PTEE膜，具有良好的防塵防水能力，能夠滿足在惡劣的環(huán)境下使用的要求。在傳感器通電的情況下，不進行測量或通信的時候，它就會自動進入空閑狀態(tài)以降低功耗。為了確保通信的可靠性，發(fā)送和接收數(shù)據(jù)采用多位CRC校驗。能夠滿足方案的需要，其主要性能參數(shù)如表1所示。

表1 SHT30性能參數(shù)

■2.2 GPS定位模塊

GPS定位采用移遠公司的一款集成貼片天線的超緊湊型GPS模塊L80-R，具有極強的捕獲和追蹤能力。擁有66個捕獲信道和22個追蹤信道。內(nèi)置LNA（低噪聲放大器），提高了接收的靈敏性。通過先進的AGPS（EASY）軌道預(yù)測技術(shù)，使得它能夠計算和預(yù)測長達三天的軌道信息，即使在室內(nèi)信號弱的情況下也能實現(xiàn)快速定位。省電模式（AlwaysLocate技術(shù)）的應(yīng)用，讓模塊具有極低的電流消耗。模塊的主要性能如表2所示，十分適合實現(xiàn)對導(dǎo)彈貯運環(huán)境位置信息的定位。

圖3 溫濕度測量電路原理圖

表2 L80-R性能參數(shù)

信號接收電路如圖4所示，模塊的供應(yīng)電源電壓范圍為3.0~4.3V，因為BaseBand、RF、I/O、LNA單元的供電由VCC引腳提供，引腳上的電流的大小會隨著工作狀態(tài)變化而變化，所以對模塊提供清澈充足的電流至關(guān)重要。利用寬電源走線和值為10μF、100nF的去耦電容組合放在VCC引腳旁來保證電流的穩(wěn)定。另外考慮到在倉庫內(nèi)，設(shè)備是不動的，GPS功能的開啟是沒有必要的電源消耗，為了能對模塊電源進行操作，增加了MOS管電路設(shè)計作為電子開關(guān)。而V_BCKP是模塊RTC（RealTimeClock）的供電引腳，直接接電源線即可，這樣可以加快模塊關(guān)閉后的啟動時間。

圖4 GPS信號接收電路

■2.3 NB-IoT通信模組

無線通信模組同樣使用的是移遠公司生產(chǎn)的BC28，該模組芯片采用海思的Boudica150，是款超緊湊、低功耗、高性能，支持多頻段的NB-IoT通信模組。專有安全核的設(shè)計和數(shù)字簽名技術(shù)從硬件方面保證了終端設(shè)備的通信安全。本方案使用的中國電信的物聯(lián)網(wǎng)卡，因為各運營商之間頻段稍有區(qū)別，所以功耗也稍有不同，故典型耗流值如表3所示。

表3 BC28耗流

BC28采用LCC封裝，擁有58個引腳，供電電壓范圍3.1~4.2V。RESET引腳內(nèi)部上拉，低電平時復(fù)位。因為模組后期可能會涉及到升級，考慮到升級失敗問題，保留復(fù)位功能，將復(fù)位引腳接到微控制器的GPIO（通用輸入輸出）引腳上，采用軟復(fù)位的方式。當(dāng)模組收到云平臺下發(fā)消息時會觸發(fā)RI引腳輸出低電平至少120ms，隨后輸出數(shù)據(jù)，輸出數(shù)據(jù)的過程中引腳維持低電平。為了方便編程對數(shù)據(jù)進行處理，可以利用RI引腳這一個特性把它接到微控制器的外部中斷接口上，每當(dāng)進入中斷時就可以對數(shù)據(jù)及時進行處理。電路部分原理圖如圖5所示。

圖5 NB-IoT無線通信電路信號處理與射頻天線部分

■2.4 主控芯片

主控芯片[4]使用STM32L431RCT6，該芯片采用了哈佛體系，是款32位的Cortex-M4低功耗系列的微控制器。具有意法半導(dǎo)體最佳的超低功耗架構(gòu)和最低的電流波動，從而在高溫下也能保證極低的功耗。有64個引腳，外設(shè)接口豐富等特點，滿足系統(tǒng)的功能要求。該芯片作為硬件終端的控制中樞，負(fù)責(zé)與各模塊的通信，接收和處理來自溫濕度傳感器、GPS定位模塊的數(shù)據(jù)，并通過AT指令控制NB-IoT無線通信模組上報信息到物聯(lián)網(wǎng)平臺以及接收控制指令。另外還有根據(jù)云端的決策是否響起蜂鳴器等功能。

微控制器的封裝類型為LQFP64封裝，以外部高速8M晶體振蕩器（HSE）為系統(tǒng)時鐘源，而大部分外設(shè)時鐘也是由此經(jīng)鎖相環(huán)（PLL）、分頻和倍頻處理后得來。晶體振蕩器兩端接在MCU的OSC_IN和OSC_OUT引腳上，在進行PCB排版時，為減少晶振輸出波形的失真，晶振和兩端的電容要盡可能靠近芯片，必要時要對其進行包地處理。

為減少電源噪聲對芯片的干擾，在所有的VDD（電源）引腳和VSS（地）引腳上并聯(lián)上100nF的電容。

微控制器的NRST（復(fù)位）引腳接低電平可以使硬件設(shè)備復(fù)位，正常工作情況下應(yīng)該是高電平，由于芯片的此引腳內(nèi)部已經(jīng)上拉，所以懸空即可。微控制器stm32L431RCT6引腳功能和一些外圍電路設(shè)計的原理圖如圖6所示。

圖6 核心控制電路原理圖

3 軟件設(shè)計

硬件設(shè)備平臺的應(yīng)用主要工作流程如下：

（1）硬件設(shè)備上電啟動，程序執(zhí)行main函數(shù)。

圖7 感知層應(yīng)用的運行流程圖

（2）對硬件資源的初始化，包括系統(tǒng)時鐘、GPIO、UART以及I2C。

（3）初始化操作系統(tǒng)內(nèi)核、創(chuàng)建系統(tǒng)主任務(wù)后將微控制器的控制權(quán)交由操作系統(tǒng)進行管理并結(jié)束main函數(shù)。

（4）加載GPS定位模塊、溫濕度傳感器和NB-IoT通信模組并設(shè)置好相關(guān)參數(shù)。

（5）對NB-IoT進行入網(wǎng)操作。

感知層應(yīng)用的運行流程圖如圖7所示。

4 結(jié)論

本文設(shè)計的基于STM32的溫濕度感知系統(tǒng)，采用物聯(lián)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)，能夠?qū)崿F(xiàn)遠程靈活的溫濕度監(jiān)測功能，對于裝備從生產(chǎn)、貯存、運輸再到使用過程中對裝備的信息識別、去向管理、環(huán)境監(jiān)測以及數(shù)據(jù)分析和處理有實踐意義，能夠幫助相關(guān)人員更好的監(jiān)測裝備動態(tài)信息。