基于近场通讯的低功耗运输状态监测仪设计

(北京强度环境研究所，北京 100076)

0 引言

近年来，随着我国制造业的发展，越来越多的大型结构件和精密仪器如风机叶片、卫星、医疗设备等，均采用整体出厂，现场安装的方式进行交付。这些产品对于运输过程中经受的冲击、振动和温湿度等环境条件都有着严格的要求，一旦超过了规定的承受范围，将会导致产品性能劣化、寿命缩短、甚至完全不能使用[1]。另一方面，对于具有易燃、易爆、腐蚀、放射等特性的危险货物，在运输过程中对冲击、温湿度和载运工具等运输环境条件要求很高，否则容易造成财产毁损和人身伤害[2]。因此对产品的运输状态进行实时监测就显得十分重要。

目前国内物流行业通常使用冲击监测仪对运输过程中的振动状态进行记录，此类设备监测参数单一、续航能力有限，且数据输出一般通过有线接口或微型打印机完成，可操作性和实时性不强[3]。针对这些问题，本文设计了一款基于近场通讯(Near Field Communication，下文简称“NFC”)的低功耗运输状态监测仪，该设备能够以触发方式记录产品运输过程中的“加速度超限事件”，具有监测参数多、运行功耗低、能与移动端进行实时数据交互等特点。

1 硬件构架及工作原理

本监测仪由电源管理模块、加速度传感器、温湿度传感器、存储芯片、NFC模块、微控制器等部件组成，整体硬件构架如图1所示。

图1 运输状态监测仪硬件构架

其中，电源管理模块使用电池管理和稳压芯片，负责将外部输入电源或内置电池电压调理至后端电路所需电压；加速度传感器负责实时监测设备当前加速度值，并根据用户设定阈值判断“超限事件”的发生与否；温湿度传感器用于测量当前环境中的温度和湿度值；存储芯片是监测仪的数据存储单元，能够在微控制器的控制下写入或读取事件记录；NFC模块是监测仪与移动端进行数据交互的桥梁；微控制器是设备的控制调度中心，它既能够控制和读取MEMS传感器，并根据事件触发信号将事件记录写入存储芯片，又能与NFC模块进行数据交换，并根据解析到的外部指令，执行对应的操作。

在工作过程中，监测仪使用MEMS三轴加速度传感器对货物在运输过程中承受的加速度值进行实时测量，并与用户预设的超限阈值进行比较。一旦传感器监测到任意轴向加速度超过阈值即认为“超限事件”被触发，随即开启事件记录功能，将当前时间、温湿度和设定时间段内的加速度等信息存入存储芯片。同时，监测仪通过NFC模块与外界进行数据交换，它既可以将微控制器上传的数据调制为符合NFC协议的射频信号发送给移动端，也可以将接收到的移动端射频信号解调成数字信号后，下发给微控制器以执行相应的指令。

2 硬件设计及关键元件选型

为实现设备功能、降低系统功耗、减小外形尺寸，运输状态监测仪在硬件设计过程中对关键元件进行了充分的调研和选型。

2.1 加速度传感器

监测仪选用ADI公司生产的ADXL345型数字三轴加速度传感器，其测量范围最大为±16 g，采样率可达3200 Hz，分辨率在全量程内均保持为4 mg/LSB(最低有效位)。

该芯片基于MEMS工艺制成，体积小(3 mm×5 mm×1 mm)、功耗极低，工作状态下电流消耗仅为23 uA，其内置的32级FIFO缓冲器可减轻微控制器负荷，从而进一步优化系统功耗。同时，ADXL345提供活动监测功能，能够将任意轴向加速度超过预设阈值的状态判定为活动事件，并产生触发信号。传感器留有编程接口，用户可根据使用需求随时更改测量量程、采样率及活动监测阈值等参数[4]。

2.2 温湿度传感器

SHT21型温湿度传感器由SENSIRION公司出品，其内部集成有一个电容式湿度传感器和一个带隙式温度传感器，测量范围分别为0～100% RH和-40～125 ℃，在本监测仪中使用该型号产品足以应对工业级的气候环境。

同时，因为采用了COMSens®专利技术，使得SHT21测量功耗低，结合“长待机+间歇测量”的工作模式，芯片的平均电流消耗可低至0.1 μA，有利于增加设备待机时间。

2.3 NFC模块

NFC是一种短距离的高频无线通信技术，它通过电磁感应耦合方式进行信息传递。因其独特的信号衰减技术，使得NFC具有成本低、安全性高、能耗低等特点[5]。

本设备选用TI公司生产的RF430CL331H型芯片作为NFC模块，它能够自动完成RF射频信号的调制、解调工作，最高通讯速率可达848 kb每秒。该芯片待机消耗电流低至4 μA，当它应用于RF电场中时，提供微控制器唤醒功能。同时凭借NFC特有的负载调制技术，RF430CL331H在通信连接过程中可作为无源器件，完全由主机提供通讯电源，从而大幅延长监测仪的电池使用寿命。

2.4 微控制器

作为监测仪的控制调度中心，微控制器采用了TI公司基于铁电存储器(FRAM)的MSP430FR5969。该产品内置12位模数转换器(ADC)和3通道内部直接存储器访问(DMA)，且外设接口丰富，可同时支持三个增强型串行通信接口(eUSI)，十分适用于本设备外接芯片较多的情况。

同时，由于使用了更为先进的存储单元，MSP430FR5969相较于传统的闪存器件，它具有更快的写入速度和更低的功耗[6]。搭配经优化的超低功率模式，微控制器在工作状态下电流消耗约为100 μA/MHz，而在待机状态下，消耗电流仅为0.4 μA，这大幅的提升了监测仪的续航能力。

经过架构制定、元器件选型和PCB板布线后，完成了基于NFC的低功耗运输状态监测仪硬件设计。设备外形尺寸为(45×45×25)mm3，整机重量(含电池)约为80克，加速度监测范围为±16 g，温湿度量程分别为-40～85 ℃和0～100% RH，内置存储芯片大小为64 Mbit，可记录事件次数大于1300次。

同时由于关键元器件均选用了低功耗芯片，使得本监测仪待机状态下的设计电流消耗仅为0.55 mA，工作状态下的设计电流消耗最大约为17.2 mA。

3 嵌入式软件设计

嵌入式软件主要用于控制微控制器完成与各个硬件模块之间的数据交换和工作流程切换，它由系统初始化和引导程序、事件监测中断服务程序以及NFC模块中断服务程序三部分组成。

各程序流程图如图2所示，其中：系统初始化和引导程序在监测仪上电后，首先对微控制器进行芯片引脚分配、系统时钟选择、RTC和ADC外设功能配置。然后对MEMS传感器、存储芯片以及NFC模块等外部数字芯片进行串行通讯接口的初始化，再通过读取各芯片内部的ID寄存器可以验证芯片连接是否正常。若连接失败，向NFC模块缓存中写入“初始化失败”的标识符；若连接成功则按照默认设置对各芯片内部寄存器进行配置以完成初始化，并向NFC模块缓存中写入“初始化成功”的标识符。最后，开启微控制器引脚中断并使能加速度传感器和NFC模块的中断输出后，进入待机模式，等待外部中断的唤醒。

图2 嵌入式软件流程图

在加速度传感器检测到事件发生后，会产生中断信号触发微控制器进入事件监测中断服务程序。程序首先会唤醒微控制器从待机模式进入工作模式，然后读取事件发生时刻MEMS传感器测得的的加速度和温湿度值，同时导出当前RTC模块中的时间值，再将上述三方面信息作为本次事件的时间戳存入微控制器缓存。随后服务程序将判断本次事件已采样时间是否达到用户设定值，若采样时间未达到，则继续读取加速度值存入事件缓存，当缓存数据量达到程序预定值时，缓存区内数据将被转存入存储芯片中，并再次判断采样时间是否完成；若采样时间已完成，则本次活动事件的记录信息更新完成，然后退出中断服务程序，等待下次活动事件的触发。

当NFC模块检测到射频场且与移动端有数据交换时，会产生中断信号触发微控制器进入NFC模块中断服务程序。程序首先会唤醒微控制器从待机模式进入工作模式。然后读取NFC芯片的相应寄存器以判断是否成功解析到外部命令，若未解析到命令则退出中断服务程序，微控制器重新进入待机模式；若解析到外部命令则按照命令内容执行相应的程序流程。最后在各命令执行完成后，微控制器会控制NFC模块发送“命令执行完成”的回应，再退出中断服务程序进入待机模式，等待下次通讯事件的触发。

同时从图2中可以看出，程序在执行过程中，对设备工作状态的切换进行了优化，使监测仪在无任务的情况下总是处于待机模式，从软件方面进一步降低了设备功耗，延长了监测时间。

4 移动端应用程序设计

移动端应用程序是为了实现移动端对监测仪的控制和对事件记录的读取、保存而开发，程序的主要流程如图3所示[7]。

打开移动端应用软件后，程序会主动获取NFC模块适配器，检测移动端是否含有NFC功能模块。若没有此功能，程序会向移动端推送“该设备不支持NFC”的信息；若有此功能程序会继续检测移动端的NFC功能模块是否开启，如模块未开启则跳转至移动端功能设置界面，等待用户打开该模块。在开启移动端NFC功能后，程序就进入了指令设置界面。在该界面下，程序会主动获取监测仪的设备信息，如设备类型、设备编号、电池电量和总记录次数等状态信息，并显示在屏幕上供用户查阅。同时在该界面下，后台会不断检测是否有命令按键被按下，如没有则继续等待；若有按键被触发，程序即会执行按键对应的命令，如开始/停止采集、参数设置/读取、数据读取/保存等。然后检测命令是否被成功执行，如执行成功，程序会推送“命令执行成功”的信息；如执行失败，则会推送“命令执行失败”的信息。最后在当前命令执行完成后，程序会返回指令设置界面，等待新的命令触发。应用程序界面截图如图4所示。

5 样机测试

根据上述设备的软硬件设计方案，最终完成了基于NFC的低功耗运输状态监测仪的样机研制，为验证样机的工作性能，进行了如下测试：

5.1 功能测试

本监测仪通过“敲击法”对设备的事件监测功能进行了测试，图5为其中某次“超限事件”的波形记录曲线。

图4 移动端应用程序界面截图

图5 “超限事件”波形记录曲线图

从图5中可以看到，监测仪完整的捕捉到了“超限事件”发生前后加速度的变化曲线，这样用户就能够根据事件记录计算出本次冲击的能量大小和量级、分析出振动频率谱，从而对货物的运输过程做出评价。

5.2 功耗测试

通过测量供电线路上的电流消耗，即可反映出监测仪的功耗大小[8]。设备在不同工作状态下的电流消耗如表1所示。

表1 运输状态监测仪电流消耗

从表1中可以看出，经过软硬件优化设计后，监测仪的系统功耗极低。在内置电池(容量为1 100 mAh)供电的情况下，设备待机时间可达60余天，同时配合“触发”的工作方式，监测仪足以完成两个月之内的运输状态监测任务。

6 结束语

本监测仪能够准确、完整地对货物运输过程中出现的“超限事件”进行监测和记录，可广泛应用于物流、运输等行业，为以下工作提供有效的数据支持：

1)对于运输过程中的超限情况进行记录；

2)评估运输过程中各种环境因素对产品所造成的影响；

3)检测产品包装是否达到预期效果；

4)考察产品运输路线的严酷程度并进行合理规划；

5)对产品已经发生的损坏进行责任界定。