基于MEMS加速度傳感器的“快遞黑匣子”

引 言

隨著網(wǎng)上購(gòu)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。

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(jiǎn)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)?，本產(chǎn)品均可發(fā)揮作用。