基于智能电子标签的贮运环境监测系统设计

2018年第1期《智能包装》栏目优秀论文推送

王雪姣，李新娥，李杨

（中北大学 电子测试技术国家重点实验室，太原 030051）

摘要：目的加强贮运过程的监督管理，保障物流物品的安全。方法设计由智能电子标签、智能移动终端和管理系统组成的贮运环境监测系统。结果智能电子标签能完成物品在仓库贮存和运输过程中对温度、湿度、冲击振动加速度等环境参数的实时采集和存储，同时记录事件发生的时间；智能移动终端用来移动读取传感器信息和存储模块内的测试数据，且能与上位机进行通信，把数据上传至计算机，写入物流数据库；上位机管理系统可以对智能移动终端和智能电子标签进行配置。通过对系统进行小环境试验，在高低温箱内对环境参数进行采集，温度误差为±0.5℃，相对湿度误差为±1%，冲击台试验加速度误差为±2g。结论通过温度及冲击试验验证，所设计电子标签对于环境参数的监测可行且稳定性好。
关键词：贮运监测；电子标签；信息采集


在物流行业中，贮运是一个不可或缺的组成因素，贮运技术的进步能极大促进现代物流行业的飞速发展，然而现代贮运技术仍然存在明显的缺点和不足。目前，国内外贮运监测技术主要有3种，即人工定点巡检、有线传感网络和自动化识别技术。人工定点巡检存在数据量庞大、劳动强度大、数据误码率高以及实时性差的缺点。有线传感网络由于传感器种类较多、数目巨大以及布设繁杂，也带来不少弊端。各种自动识别监测技术，例如生物识别、图像识别、条形码、磁卡以及RFID，虽然各有长处，但监测参数和智能性普遍较差。由此，这里拟设计一种基于智能电子标签的低功耗、微型化、能够智能感知触发的贮运环境监测系统，该系统通过基于I2C通信的数字式传感器进行环境信息的采集，包括温度、湿度、冲击加速度等，实现对被监测物品的实时监测。
1 系统硬件设计
在对贮运监测技术中的低功耗、微型化、人机交互以及安全性等问题进行分析和研究后，提出了由智能电子标签、智能移动终端和管理系统组成的贮运环境监测系统，能够完成物品贮运过程中多种环境信息的采集、存储和传输，以及测试数据的处理、查询和统计分析等功能。系统总体方案见图1。

图1 贮运环境监测系统组成

1.1 智能电子标签硬件组成

传感器信息采集存储模块主要由传感模块、辅助模块、报警模块、休眠唤醒模块、运动感知触发模块、电池电量监测模块、智能控制器、数据加密模块、存储模块、红外通信模块、电源管理模块组成，原理见图2a。
传感模块实现物品贮运过程中多种环境信息的采集；辅助模块包括ID号模块和实时时钟，能为每个智能采集单元产生唯一的ID号码，并提供时间基准。对传感模块进行电路调试，唤醒指示灯闪烁3次后定时采集一次环境参数，唤醒指示灯再次闪烁后进入低功耗模式；敲击传感器信息采集存储模块，采集单元进入突发采样状态，唤醒指示灯闪烁并伴有蜂鸣器报警；数据加密后以文本文档的格式存储在SD卡内，同时也存储在Flash存储器内。SD卡是基于半导体的快闪记忆器，质量只有2 g，但却具有移动灵活、安全性高、容量高、数据传输率快、功耗低和非易失性等优点。休眠唤醒模块通过定时方式和响应环境突然变化产生的外部应力（如温度和冲击达到一定阈值）切换传感器信息采集存储模块的工作状态（休眠、挂起和活动），实现正常贮运状态下和突发事件状态下的系统响应，降低采集单元的功耗。当传感器信息采集存储模块工作异常、环境异常变化或电池电压过低时，系统自动进行声光报警，提醒仓库管理员作出修正。电源管理模块实现对智能采集单元供电的管理，可根据指令关断或启动电源输出，实现系统低功耗。传感器信息采集存储模块与便携式信息处理模块之间的数据传输是通过红外通信模块来实现的。

图2 贮运环境监测系统硬件组成

1.2 智能移动终端硬件组成
便携式信息处理模块主要由数据存储模块、红外通信模块、控制模块、电源管理模块、LCD显示模块、无线模块及USB通信接口组成，原理见图2b。
数据存储模块的主体是大容量Flash存储器；电源管理模块实现对便携式信息处理模块供电的管理，可根据指令关断或启动电源输出；LCD显示模块具有人机交互功能，能实时显示测试数据，触摸屏开机后进入显示操作主界面；同时，为了对数据进行系统化管理，可通过无线模块或USB与上位机进行通信。
2 系统软件设计

2.1 智能电子标签程序

传感器信息采集和存储模块粘贴在物品包装箱外侧或内嵌于包装箱内，通过定时触发以及运动感知触发控制系统的工作状态，传感器进行环境信息的采集，将采集到的数据储存在大容量非易失性存储器内，通过红外通信接口可以与便携式信息处理模块进行通信。主控制芯片STM32F407在初始上电后要经过引导程序和用户程序过程。进入用户程序后，首先要进行系统初始化，初始化完成后系统先进入休眠状态，等待进入采样、存储、报警等工作过程。
系统工作流程为：系统接通电源后进行初始化，随后进入休眠状态等待定时中断或者运动感知触发中断进而唤醒系统，进行参数采集、存储、加密以及报警处理，采集、存储完后系统自动返回休眠状态，流程见图3a。
2.2 智能移动终端程序

便携式信息处理模块用来移动读取传感器信息采集和存储模块内的监测数据。通过红外通信方式与传感器信息采集和存储模块进行通信，读取物品贮运全程环境信息、物流信息及ID号等，并将数据存储在内部大容量非易失性存储器内，也可通过USB接口或无线方式与上位机进行通信，把全部信息上传到计算机，写入物品信息数据库。便携式信息处理模块具有人机交互功能，能实时显示部分测试数据。
便携式信息处理模块主流程主要包括时钟初始化、通用输入输出口（GPIO）初始化、串口初始化、实时多任务操作系统内核（UCOS）初始化、创建初始任务、启动任务等部分，流程见图3b。

图3 贮运环境监测系统主流程

2.3 上位机

管理系统功能主要包括数据的采集、文件的管理、参数的设置、物流信息的写入、查询统计、波形处理及分析等。数据采集是监测节点完成数据监测后，通过便携式移动终端的传输网络将数据传输到网络层，继而通过大型、高速网络传输到管理软件；参数设置是在贮运监测前或监测过程中，对监测节点的采样频率、采集时间等参数的配置；物流信息写入是在监测节点开始工作前，通过管理软件对贮运物品的基本信息、仓储信息进行输入。
3 试验

为了验证智能电子标签的性能及测试精度，在此对智能电子标签进行实验室可靠性试验，记录并分析测试数据。可靠性试验包括高低温存储试验和振动冲击试验，高低温试验利用重庆四达高低温交变湿热试验箱来提供储存环境，振动冲击实验选用上海坚融CL-100苏试STI冲击试验台。通过上位机管理软件读取智能电子标签SD卡中的数据，对数据解密后利用Matlab进行数据处理。
温湿度测量芯利用数字式温湿度一体传感器SHT25，采用I2C通信协议，输出完全标定的数字信号，SHT25性能指标见表1。三轴加速度测量单元采用低功耗三轴线性加速度传感器H3LIS331DL，芯片上集成的信号处理电路把加速度数据转换成12位数字量信号，H3LIS331DL性能指标见表1。

表1 SHT25和H3LIS331DL的性能指标

电子标签的程序设定为每小时进行一次定时采样，上电后，通过上位机管理软件对电子标签ID号、时间、采样频率进行配置，将高低温快速温度变化试验箱温度设置为40 ℃，相对湿度设置为0%，一段时间后试验箱温相对湿度稳定在设置值，此时把低功耗状态的电子标签放入试验箱进行4 h的存储以及定时采数。通过Matlab处理的低温存储试验数据见图4a。随后，将试验箱温度设置为80 ℃、相对湿度设置为70%，温湿度稳定后，放入电子标签放入进行4 h的存储以及定时采数。通过Matlab处理的高温存储试验数据见图4b。

图4 高低温测试温湿度数据

冲击试验是为了验证电子标签在高冲击下的性能，在10g~400g中选取3个代表性数值，这里选择40g，200g，380g进行验证，经过多次实验，在放置2块厚毡片的前提下，台面依次从200，600，900 mm的高度落下所产生的加速度峰值分别为40g，200g，380g左右，因此，选取这3个高度进行试验。冲击试验时，通过敲击电子标签壳体，让电子标签在产生加速度前进入突发采样状态，从而保证可有效获取完整的加速度曲线。
试验过程：依次将电子标签以及标准传感器固定在冲击台上，电子标签固定时采用水平方向放置，x轴、y轴为平行地平面方向，z轴为垂直地平面方向，标准传感器连接到冲击台上位机的相应通道；放置2块厚毡片，将台面上升到一定高度后，用镊子之类的物品敲击电子标签，将其从休眠状态唤醒（伴随声光报警），随即让台面下落。标准传感器的数据会实时传送到冲击台的上位机，通过上位机可以得到标准传感器的加速度曲线，从而可将电子标签采集的数据与标准传感器采集的数据进行比较分析。通过Matlab处理的冲击数据见图5。敲击电子标签后，控制台面下落的时间是随机的，产生冲击的时间也是随机的。电子标签采集的数据与标准传感器采集的数据对比结果见表2。

图5 冲击测试数据

表2 电子标签与标准传感器采集数据对比

4 结语

从测试数据可以看出，在试验箱环境下，温湿度基本保持恒定，由于试验箱自身的温湿度调整，低温测试结果中，温度为（40±0.5）℃，相对湿度为（0±1）%；高温测试结果中，温度为（80±0.5）℃，相对湿度为（70±1）%。高低温存储试验结果表明，电子标签可以在高低温存储过程中可靠工作。冲击测试数据与标准传感器数据进行比较，可知误差为±2g，能准确采集冲击信息。
针对物品贮运监测的需求，在分析了贮运监测技术基本概况的前提下，提出了贮运监测的方案。贮运监测系统包括智能电子标签、智能移动终端和上位机管理系统，基于ARM微处理器的智能电子标签具有低功耗、微体积的特点。经测试，智能电子标签在高温80 ℃、低温40 ℃存储时均能准确采集温湿度信息，经过多次冲击试验证明，其能准确采集冲击加速度信息，具有较高的可靠性。




作者简介：王雪姣（1993—），女，中北大学硕士生，主攻动态测试与智能仪器。
通信作者：李新娥（1971—），女，博士，中北大学教授，主要研究方向为测试计量技术与仪器。

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