何睿凡 秦將 姜炎 劉曉華

摘要：針對實時監(jiān)測快遞箱運輸環(huán)境的需求，提出了一種基于STM32單片機的智能快遞箱的設(shè)計方案，實現(xiàn)了溫濕度監(jiān)測、位置監(jiān)測和手機App端查詢的功能。系統(tǒng)以STM32單片機為主控制器，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，App從OneNET平臺獲取到數(shù)據(jù)，用戶即可在手機App上實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測。測試結(jié)果顯示該系統(tǒng)能實現(xiàn)對快遞箱狀態(tài)的實時監(jiān)測，具有低成本、低功耗的特點，對智能物流數(shù)據(jù)的改進(jìn)具有實際應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：STM32;智能快遞箱;溫濕度;位置;App;實時監(jiān)測

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）18-0036-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

1 引言

在高速發(fā)展的互聯(lián)網(wǎng)及物流運輸行業(yè)的大環(huán)境下，我國的快遞業(yè)務(wù)量急速增長，互聯(lián)網(wǎng)物流行業(yè)極大地便利了人們的日常生活，但同時也面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。根據(jù)國家郵政局的統(tǒng)計，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)量增長迅速的同時，快遞丟失、損壞的現(xiàn)象越來越常見，而快件丟失賠償?shù)?、貨物損壞索賠難，導(dǎo)致消費者的合法權(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)計的智能快遞箱實現(xiàn)了對快遞箱內(nèi)溫濕度以及位置信息的實時監(jiān)測，并在終端上顯示監(jiān)測到的各數(shù)據(jù)，方便用戶實時獲取到快件的狀態(tài)并及時處理異常情況，尤其對于食品級的快件具有重要意義。

2 總體設(shè)計

本設(shè)計分為硬件和軟件兩部分，硬件部分由STM32單片機、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)計與軟件程序設(shè)計。本系統(tǒng)采用STM32單片機作為主控制器，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平臺并將所測數(shù)據(jù)上傳到OneNET平臺。App根據(jù)設(shè)備ID向OneNET云平臺發(fā)送GET請求，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

智能快遞箱系統(tǒng)采用STM32F407單片機為主控核心，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

主控芯片在整個系統(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單片機內(nèi)置1024K的FLASH和192K的SRAM，具有144個I/O口，1.8～3.6V電源就能支持系統(tǒng)長時間工作，還提供了三種低功耗模式。它擁有高速的計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模塊通過移動網(wǎng)絡(luò)傳輸至OneNET云平臺。

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)字溫濕度檢測傳感器，包括了一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件[4-5]，測量范圍為20%～90%RH和0～50℃，測濕精度可達(dá)到±5%RH，測溫精度可達(dá)到±2℃。DHT11具有體型小巧、操作簡單、穩(wěn)定性高、傳輸距離長和測量精確等特點。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進(jìn)行通信，操作簡單，并且自身攜帶的SMA接口可連接有源天線，工作能力強。模塊的高靈敏度、低功耗及小巧的體積，適用于移動定位系統(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)測快遞箱的實時位置，使系統(tǒng)實用性更強，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，可滿足對空間尺寸的要求。它支持中國移動手機卡，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單片機直接連接。同時，硬件具有一路復(fù)位管腳，模塊出現(xiàn)問題時，可以復(fù)位解決。STM32通過串口發(fā)送AT指令對SIM800A進(jìn)行控制，只需進(jìn)行串口數(shù)據(jù)的收發(fā)，便可低功耗實現(xiàn)遠(yuǎn)程服務(wù)平臺的數(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

軟件設(shè)計包含了硬件功能程序設(shè)計和軟件功能程序設(shè)計。硬件功能程序設(shè)計通過Keil MDK軟件編譯實現(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

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：首先主機發(fā)送開始信號，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DHT11會拉低數(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byte相加等于byte0時校驗正確。

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平臺并傳輸數(shù)據(jù)，在此之前先對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請求方法的協(xié)議規(guī)范，包含在OneNET平臺創(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

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輸入快遞單號的方式查詢智能快遞盒詳細(xì)信息，后臺根據(jù)輸入的快遞單號通過OneNET平臺查詢快遞盒的詳細(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。該部分主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的查詢，根據(jù)輸入的快遞單號在數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行查詢，若數(shù)據(jù)庫中存在該快遞單號，則根據(jù)該單號所綁定的設(shè)備ID查詢OneNET平臺的數(shù)據(jù)，若不存在，則提示該單號未綁定智能快遞盒。

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，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，并設(shè)計了一款手機App獲取OneNET平臺上的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了在手機端即可實時監(jiān)測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)用價值。

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【通聯(lián)編輯：梁書】