【《铁路集装箱监控系统设计》25000字】

第页铁路集装箱监控系统设计TOC\o"1-3"\h\u第1章绪论 41.1背景与意义 41.2国内外应用现状 41.3论文所做工作及思路 51.4论文章节安排 6第2章系统相关技术 72.1温湿度数据采集技术 72.1.1温度数据采集技术的选择 72.2NB-IOT物联网技术 72.2.1LWM2M技术 72.2.2物联网ONENET平台 72.2.3MQTT技术 82.3GPS卫星定位技术 102.3.1GPS定位系统组成 102.3.2GPS定位原理 112.4霍尔元件检测技术 112.5本章小结 11第3章铁路集装箱监控装置硬件设计 123.1系统架构与功能实现 123.2嵌入式微型处理器电路设计 123.2.1嵌入式微型处理器介绍 123.2.2STM32F103C8T6最小系统电路设计 143.2.3STM32F103C8T6供电电路设计 143.3霍尔传感器电路设计 153.3.1ES3144霍尔元件 153.3.2ES3144霍尔传感器电路 163.4物联网通信模组电路设计 163.4.1BC26物联网通信模组 163.4.3BC26外围电路设计 173.4.4BC26电平转换电路设计 203.5GPS定位模组电路设计 203.5.1L76_GPS定位模组 203.5.2L76引脚 223.5.3L76_GPS定位模组电路 233.6接口电路设计 243.7复位和供电电路设计 253.7.1Reset复位电路 253.7.2供电电路 253.8温湿度传感器电路设计 273.8.1DHT11温湿度传感器 273.8.2DHT11温湿度传感器原理 273.8.2DHT11温湿度传感器引脚 293.8.2DHT11温湿度传感器电路 303.8本章小结 30第4章铁路集装箱监控装置软件设计 314.1软件开发环境介绍 314.2系统程序设计 314.2.1主函数程序设计 314.2.2温湿度传感器模块程序设计 324.2.3霍尔传感器模块程序设计 324.2.4蜂鸣器报警模块程序设计 324.3BC26物联网模块程序设计 324.3.1TCP\IP协议 324.3.2MQTT协议 364.3.3JSON数据包发送 364.4GPS定位模块程序设计 384.5本章小结 40第5章系统调试 415.1温湿度传感器模块调试 415.2GPS定位模块调试 415.3BC26物联网通信调试 425.4中移物联网ONENET平台通信调试 425.5本章小结 42结论 43第1章绪论1.1背景与意义随着全球经济化的进行，一带一路丝绸经济带的建设，高铁领域得到了飞速发展，走出中国，物流运输发展速度也十分迅猛。所以铁路运输也要紧密结合实际，采取积极有效措施，逐步构筑起覆盖全路的现代物流信息平台，加快现代物流和电子商务的融合，实现对物流各环节的实时跟踪同时也保证运输各类货物的安全性高效性。此时集装箱作为物流运输的重要手段，是一种简洁高效的运输方式可以同时适用于水运、公路以及铁路运输。用集装箱转运货物，可直接在发货人的仓库装货，运到收货人的仓库卸货，中途更换车、船时，无须将货物从箱内取出换装。所以在保障了运输安全同时为货物管理人员提供了方便。集装箱运输可以说是目前货物运输最理想的方式，制约集装箱运输货物的关键就是集装箱运输信息化水平的高低。当前，我国物流运输管理仍在起步阶段，绝大多数货物物流运输仍是沿用传统货物的物流管理方法，运输的实时状态不清晰，且安全事故时有发生，存在着巨大的潜在危险。因此研发对集装箱以及运载工具的监控系统日益重要，研发一种能对货物集装箱状态信息实时采集监控的系统，将相关信息采集、传输、对比和分析，实现运输过程中的可视化现场监控预警，并将信息打包发送给Web远程监控平台，实现货物运输全程信息采集、追踪与监测，对提高我国集装箱运输安全，保护人员生命以及财产安全具有重要的意义。本论文拟设计一套智能集装箱信息采集监控装置，对集装箱内货物状态进行实时采集，实现现场人员实时监控和远端人员远程监控的目的。1.2国内外应用现状美国作为最早研究集装箱智能化的国家早在上世纪90年代就已经成功利用GPS定位技术对集装箱运输进行了定位追踪[1]。美国BukkapatnamS.T.S.和KomanduriR.提出了一种船载集装箱监控装置，可以实现海运集装箱的监控。国外Valente等人利用传感器和无线网络实现了对于集装箱的状态追踪[2]。IBM公司和马士基于2010年9月联合研发了一种跟踪海运货物的系统，该系统采用的实时跟踪设备被简称为TREC，该系统将一定的传感器安装在集装箱内部，采集集装箱温度、湿度和其它环境信息，然后通过集成ZIGBEE无线传感技术，将信息发送到本地船舶，本地船舶再通过卫星通信，从而实现了对集装箱环境信息的监测[3]。TREC设备便可以将集装箱的监测信息同时发送到多个客户。德国Schenker物流公司推出可以对集装箱进行持续监控的集装箱安全监控系统[4]。该系统使用RFID技术和GPS定位技术检测监控集装箱信息，包括集装箱运输途中有无非法入侵以及是否偏离航道等。系统可以确定集装箱的门何时、何处被打开过。如果门被意外强制打开，报警器会立即报警，同时适当的保安措施会被启动。与此同时数据可以汇编成报告，供Schenker公司查阅。近年来国内也越来越认识到该领域技术发展的重要性，在集成监控设备的研究上面我国虽然起步较晚，但经过长期发展已经取得了一定的成果且发展迅速。在公路运输监测方面，国内的赛格、华强厂家等利用GPS检测集装箱运输车辆行进路线来间接实现集装箱的监管。王小斌等人提出了集成RFID技术的新型集装箱理念，通过对集装箱编号识别来确认货物以及集装箱状态，利用RFID技术来检测集装箱箱门状态，确定有无非法入侵、失窃等风险[5]。车士官学校的殷鹏研究了弹药集装箱在公路上的运输安全问题，通过物联网节点实现了箱内环境参数采集。清华大学徐恩利提出剧毒货物的全程实时监控系统，通过铁道部监控中心和运输过程中途经站点的互联实现全程追踪。连云港作为新亚欧大陆东方桥头堡，在其港口示范工程实现了集装箱货物监测。华南理工的付雄新通过在冷藏集装箱内安装传感装置来确定箱内食品安全，监测集装箱内冷藏环境。周长征将GPS、GIS、GPRS技术结合研发了针对水运集装箱运输的监测系统，充分利用计算机和网络来保障货物安全。刘克中等人针对传统的海事卫星监控船舶集装箱运输状态成本过高且维护不易的问题设计了一种新型的集装箱船载运输监控系统，该系统具备异常状态报警功能[6]。由上可知，研究一种实时监控系统来获取集装箱异常状态信息，将损失制止是极其有必要的。而现有的监测方式往往不能同时满足集装箱铁路运输安全监控的实时性高效性要求，无法适用于复杂的运输环境、运输货物或者特殊品。为此本论文在原有的监测设备的基础上对集装箱运输状态信息采集与监测设备进行了深入的研究。1.3论文所做工作及思路 本论文将要自行设计并制作一套铁路运输中的集装箱监控装置，对铁路集装箱的状态信息实时采集并上传到云端。主要分五步进行：1.监控装置总体系统框架搭建。主要是对方案的确立，采用MicrosoftVisio2013绘制系统框架图，能清楚的反应出监控装置的硬件组成部分和功能模块；2.设计硬件电路原理图并进行电路板布局和布线，采用AltiumDesigner17软件先绘制出电路原理图。期间涉及到电子元器件的选型、电子元器件封装的绘制与选择以及电路功能的实现，需要对模拟电子技术和数字电子技术深入学习，以确保功能的顺利实现；3.对已经完成的电路原理图进行DRCCheckOut电气检查后，再进行PCBLayout。主要会涉及到3D封装的建模、传输线理论中的一部分知识以及3W原则，还需要注意线宽和电流的关系；4.PCB打样以及焊接测试电路板。焊接测试电路板需要对焊接技术有较高要求，同时在测试电路板时需要关注供电电压和功能是否正常实现。准备通过使用万用表和示波器来对问题进行一一排查并解决。5.嵌入式程序编写。需要实现开关门信号检测函数、温湿度数据采集函数、GPS定位信息检测函数、蜂鸣器报警函数以及物联网数据上传函数五个部分。开关门信号检测函数和蜂鸣器报警函数主要是一个GPIO口的控制，温湿度数据采集函数就需要用到ADC，将模拟量转换为数字量后采集传输。物联网数据上传函数主要需要采用以TCP/IP协议为基础的MQTT协议来进行数据传输，将数据传输中国移动物联网平台ONENET进行web端实时显示采集到各类数据以及地图定位显示。1.4论文章节安排本论文以铁路运输中集装箱的状态信息的采集监控作为研究背景，针对铁路运行过程中的集装箱进行实时监控，并根据现有问题设计了温湿度超标报警功能、实时GPS卫星定位功能以及集装箱箱门开关检测功能，从某些角度上极大地提升了铁路运输中的集装箱环境监控的智能化和无人化水平。本装置采用了基于高性能、低功耗的NB-IoT无线通信技术，并使用了中国移动的ONENET物联网平台搭建出分布式的铁路集装箱实时监控报警后台，实现了对铁路集装箱中温湿度、开关门信息和GPS定位信息的任意时刻实时监控。在此基础上完成了ONENET上监控报警后台的开发，实现了监控数据流的数据可视化，具有实时的数据流图表进行呈现。本论文的内容结构主要分为以下几个部分：第一章为绪论部分，简单的阐述了本文的研究背景和研究意义，并阐述了国内外专家学者对集装箱监控方面的研究应用情况，最后介绍了本文的所做工作和论文的研究思路及技术路线。第二章为集装箱信息采集原理介绍部分，首先阐述了温湿度数据采集技术的现状和发展情况，并针对本文的技术路线，选择了合适的温湿度传感器类型。然后介绍了M2M系统物联网产品的工作原理，其中主要分别介绍了：M2M技术、物联网ONENET平台和MQTT技术。接着阐述了GPS卫星定位技术的重要协议和定位原理。然后是霍尔传感器的原理，最后阐述了本系统的物联网装置系统架构，将构思的系统流程完整叙述出来。第三章为铁路集装箱监控装置硬件设计部分，主要阐述了以嵌入式处理器为核心的硬件电路设计，将使用到的元器件详尽的介绍其特性和符合技术路线的原因阐明。第四章为铁路集装箱监控装置软件设计部分，首先简要说明了软件的开发环境，最后按顺序依次叙述出主函数程序、传感器程序和物联网数据传输程序的算法流程。第五章为系统调试部分，通过实际操作去从部分角度测试了装置从硬件到软件上的功能均已实现，附带有调试的测试结果。实现了装置能上传温湿度数据、定位数据和开关门状态，并能后台监控查看。本文在最后总结并思考了本装置的不足，提出了几点可以优化的地方，展望未来希望能继续改进提高。第2章系统相关技术2.1温湿度数据采集技术 温度是反映物体冷热程度的物理量，是由于物体内部有许多微观粒子在做无规则的运动产生的，可以说温度与人类的各种生产、作息活动密切相关。如今的各类工程应用中，温度数据采集技术已经成为现代电子测控技术最为成熟的测控技术之一。温度数据采集的测量方式繁多，温度数据采集技术测量时按感温元件是否直接接触被测物体，被分为接触式和非接触式测量。接触式温度测量的测量精度相比于非接触式测量更高，但是接触式温度测量需要接触被测物体表面，因此测量距离更短。本文是基于物联网的实时温湿度监控装置，温度数据采集的实时性和准确性十分重要，因此选取接触式温度数据采集传感器更加合适，更不容易受到测量物体的测量位置和热量辐射发射情况等外部因素影响。 湿度是反应水分含量的物理量，是指介质中的水分子多少，即水分子密度的单位。湿度根据定义又可以分为绝对湿度和相对湿度，绝对湿度指单位体积的空气介质与所具有的水蒸气质量之比，相对湿度指绝对湿度值和空气中水蒸气饱和时与最高湿度的比值。数字式温湿度传感器是当前十分流行的温湿度传感器，它能通过模数转换器将环境中的温湿度模拟量转化为便于处理和存储的数字量，方便了开发者的开发，有卓越的长期稳定性以及超低能耗等优点。现如今的传感器技术随着科技进步在不断完善和提升，有很多的先进技术被加入到温湿度数据采集传感器中，进一步提升了温湿度传感器的采集精度，为进行数据采集的嵌入式系统开发奠定了很好的基础。2.2M2M系统物联网产品工作原理由于硬件基础是在物联网模块BC26下进行的，所以利用4G网络，通过TCP/IP协议建立了Socket连接，实现信息传输，最终搭建了M2M系统框架下的物联网系统。图4-12M2M概念图2.2.1M2M技术 M2M技术通过综合了数据采集、GPS、远程监控、通信、信息等技术，实现机器、设备、应用处理过程与后台信息系统甚至操作者共享信息，完成业务流程的自动化。M2M技术使所有机器设备都具备无线联网和通信能力，它让机器、人相互之间达到超时空的无缝连接。广义上说，M2M包括：机器对机器(MachinetoMachine)；人对机器(MantoMachine)；机器对人(MachinetoMan)；移动网络对机器(MobiletoMachine)。铁路运输中的集装箱监控装置有一个核心问题：设备之间如何实现信息的传输，司机如何第一时间得到自己的集装箱中的采集数据？在行业内，物联网产品的迅速发展替我们解决了这个难题。让机器具有信息感知、信息加工和无限加工的能力，通过具备联网能力和远程通信的部件，从不同设备中汲取需要的信息，传输到分析部分，实现信息收集和整合效果。这就是M2M技术为我们带来的改变，让人与人、人与机器、机器与机器之间能够互相沟通。M2M技术为各行各业提供数据的采集、传输、分析及业务管理为一体的综合解决方案，实现业务流程、工业流程更加趋于自动化。主要领域包括在交通领域(物流管理、定位导航)上的应用。表4-2M2M应用系统构成及功能M2M应用系统构成具体元件功能智能化机器DHT11温湿度传感器让机器具有信息感知、信息加工及无线加工的能力GPS定位模块霍尔传感器M2M硬件BC26物联网模块进行信息提取，从不同设备内汲取需要的信息，传输到分析部分续表通信网络4G网络通过该网络将M2M硬件传输的信息送达指定位置中间件M2M网关(TCP/IP协议)完成在不同协议之间的转换，在通信网络和IT系统之间建立桥梁2.2.2物联网ONENET平台OneNET定位为PaaS服务，是在物联网设备和云服务器之间建立起的高效快捷桥梁：面向设备，能够兼容现如今多种无线通信协议，能通过不同的配置方式快速接入各种不同设配，适配范围极广；面向应用层，强大的数据推广和分发能力能直接和不同的软件平台对接，无需受限制，使开发者更加省心方便，也能不用担心开发能力不够无法完成开发功能，更不用在接口开发上花费大量心思和时间，从而大大缩短了物联网应用的开发周期，降低产品设备的开发成本。图x物联网ONENET数据结构图 正如上图的物联网ONENET平台数据结构示意图，有了ONENET物联网平台，可以将物联网开发完美的分为两部分：ONENET平台MQTT协议产品和物联网IOT产品，即软件部分和硬件部分。软件部分由ONENET负责平台上的接入以及数据存储和处理，硬件部分即为用户开发的硬件物联网设备。产品数据结构主要是使用JSON格式，其中的主要内容为：传感器数据信息、通知状态、设备配置信息、设备事件信息和设备标识。经过MQTT协议转化后，在移动ONENET平台上转化为分类明确的数据流，在和实时时钟对应后，生成时间序列数据点，最终构成直观的可视化数据图表，一眼便知集装箱的当前状态和坐标位置。2.2.3MQTT技术MQTT是一种基于代理的发布/订阅消息协议设计为开放、简单、轻量级和易于实现，全称为MessageQueuingTelemetryTransport(消息队列遥测传输)。它是为连接需要“小代码占用”或网络带宽有限的远程位置。MQTT是基于TCP的一个协议包，可以说是轻量级稳定性很高的协议，目前普遍被应用在很多产品设备里面。MQTT与我们无处不在，比如支付宝支付，手机扫码开锁单车都是离不开MQTT。可以说MQTT协议在物联网世界里起着举足轻重的地位。MQTT是基于TCP协议的，所以TCP的基本的思路在MQTT是一致的。比如说登录服务器，发布数据，接收数据概念都是一样的。不过MQTT的区别在于，有了一个服务器，不同的设备可以通过一个服务器任意的交互数据，而对于客户端设备而言，不必要知道另一个设备的IP信息以及相关参数。这一点是TCP无能企及的，对于这样的场景也是非常合适于大批量设备相互交换数据，而对客户端要求是极其简单的。MQTT协议运行在TCP/IP或其他网络协议，提供有序、无损、双向连接。其特点包括：(1)使用的发布/订阅消息模式，它提供了一对多消息分发，以实现与应用程序的解耦；(2)对负载内容屏蔽的消息传输机制；(3)对传输消息有三种服务质量(QoS)：①最多一次，此时服务质量值Qos为零，丢包率可能不为0%。对传输消息实时性水平不高的情况下可以使用这一服务质量下的传输。Qos=0一半多用于对实时性和准确性要求不严格的传输环境，例如温湿度数据采集传感器，即使出现了丢包，但是因为是循环重复检测，会有下一次传输数据进行覆盖这一数据空白，所以对最终反映的结果影响较小；②最少一次，此时的服务质量值Qos为1，这一服务质量下，丢包率稳定为0%，即不会出现丢包，但可能会因为时钟传输误差出现重复包发送；③恰好一次，服务质量数值Qos为2，丢包率为0%且数据包重复率也为0%，是最好的传输数据服务质量。这一服务质量条件多用于如单车结束后关锁计费，在确定车辆已关闭并计费时，服务质量要求将极高，为了避免因为出现丢包而没有收到服务结束这一消息，或因为重复受到消息而导致多次扣费这些影响用户体验的情况。(4)数据传输和协议交换的最小化（协议头部只有2字节），以减少网络流量；(5)通知机制，异常中断时通知传输双方。要实现MQTT协议，客户端和服务器方必须完成通信。在通信过程中，MQTT协议有发布人（Publish）、代理（Broker）服务器、订户（Subscribe）三种身份，其中发布人和订户都是客户端，信息代理是服务器，发布人可能是订户。MQTT传输的消息分为：主题(Topic)和负载(Payload)两部分(1)Topic，可以理解为消息的类型，订阅者订阅(Subscribe)后，就会收到该主题的消息内容(Payload)；(2)Payload，可以理解为消息的内容，是指订阅者具体要使用的内容。图xMQTT协议实现方式2.3GPS卫星定位技术全球实时卫星定位系统（GPS）是由美国国防部研制建立的一种具有全方位、全天候、全时段、商精度的卫星导航系统，能为全球用户提供低成本、高精度的空间立体位置、速度和实时时间等导航信息。如今，GPS的应用已经深入各个领域以及人们的生活中，GPS技术主要有以下特点：（1）卫星定位准确度高；GPS的卫星定位准确度可达10至6米（50千米范围内），10至7米（100千米至500千米范围内），10至9米（1000千米范围内）。（2）卫星搜星时间短：当卫星到定位点位直线距离小于20千米时，搜星时间不到五分钟便可连接，使用实时精确定位动态测量时，搜星时间小于10秒钟。（3）任意时刻可工作：目前GPS网络定位卫星数量多，网络中的星座分布均匀，确保了现如今地球上任意位置任意时刻的天空均有四颗以上的定位卫星，能忽略时间工作，完全不受气候天气影响。（4）GPS设备自动化程度高：GPS系统中随着技术的不断更新换代，仪器的操作变得越来越简便。搜星和通讯等功能均已能自动按流程完成，无需人员介入，使得定位更加便捷智能。2.3.1GPS定位原理 GPS定位系统主要是通过测量用户定位设备和通讯卫星之间的距离，这颗卫星是已知位置的卫星网络中的一颗，这样通过与多颗卫星网络中的已知卫星计算间隔距离，就可以得到用户定位设备的具体位置。设t时刻地面用户在固定收发点位进行GPS定位，则根据无线电的速度以及已知卫星和固定收发点位之间的距离，就可以计算出卫星到测量点之间的传输时间，最后加入卫星星座之间的星历等数据，可得以下方程组：a1−a2+ 此方程组中的参数含义如下：ai为卫星某一时刻t时在空间中的横坐标,bi为卫星某一时刻t时在空间中的纵坐标,ci为卫星某一时刻t时在空间中的竖坐标，均可通过向定位卫星发送请求获取其当前空间位置；a,b,c为需要求解的未知量，即待测定位点的空间坐标值。tt0为用户的时钟差值，tti为定位卫星的时钟差值，2.3.2NMEA-0183协议简介L76GPS/北斗模块同外部设备的通信接口采用UART（串口）方式，输出的GPS/北斗定位数据采用NMEA-0183协议（默认），控制协议为MTK协议。以下先简要介绍NMEA-0183协议。NMEA0183是美国国家海洋电子协会（NationalMarineElectronicsAssociation）为海用电子设备制定的标准格式。目前已成了GPS/北斗导航设备统一的RTCM（RadioTechnicalCommissionforMaritimeservices）标准协议。NMEA-0183协议采用ASCII码来传递GPS定位信息，我们称之为帧。帧格式形如：$aaccc,ddd,ddd,…,ddd*hh(CR)(LF)1、“$”：帧命令起始位；2、aaccc：地址域，前两位为识别符（aa），后三位为语句名（ccc）；3、ddd…ddd：数据；4、“*”：校验和前缀（也可以作为语句数据结束的标志）；5、hh：校验和（checksum），$与*之间所有字符ASCII码的校验和（各字节做异或运算，得到校验和后，再转换16进制格式的ASCII字符）；6、(CR)(LF)：帧结束，回车和换行符NMEA-0183常用命令如下表所示：表x序号指令释义帧长度1$GNGGAGPS/北斗的定位位置数据722$GNGSA当前连接的卫星数据653$GPGSV可搜寻到的GPS卫星数据2104$BDGSV可搜寻到的北斗卫星数据2105$GNRMC推荐卫星的定位数据706$GNVTG相对地面的速度数据347$GNGLL相对地面的坐标数据--8$GNZDA当前的卫星时间(UTC1)数据--2.4霍尔元件检测技术霍尔元件是一种磁场传感器，它可以感知磁场及其变化，并且可以在与磁场相关的各种场所使用。霍尔元件以霍尔效应为基础，它们的结构坚固、重量轻、寿命长、安装方便、公费少、频率高（可达到1MHZ）。抗震性强，不怕灰尘、油污、水蒸气和盐雾等污染或腐蚀。霍尔线性器件的精度高、线性度好；霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高（可达μm级）。取用了各种补偿和保护措施的霍尔器件的工作温度范围宽，可达-55℃～150℃。按照霍尔器件的功能可将它们分为:霍尔线性器件和霍尔开关器件。前者输出模拟量，后者输出数字量。按被检测的对象的性质可将它们的应用分为:直接应用和间接应用。前者是直接检测出受检测对象本身的磁场或磁特性，后者是检测受检对象上人为设置的磁场，用这个磁场来作被检测的信息的载体，通过它将许多非电、非磁的物理量例如力、力矩、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等，转变成电量来进行检测和控制。在霍尔元件的两端施加电压，由于其内部的磁场作用，会产生变化的电压，使得霍尔元件的输出脚会有输出信号产生，在经过数字信号处理后，就会得到仅有高低电平的输出信号供单片机处理。2.5物联网装置系统架构 装置的总体系统结构采用ONENET物联网的的资源模型进行数据的处理显示。装置大致分为四个层次：感知层、传输层、支撑层和应用层。感知层处于四层架构的最低端，它的主要功能是通过泛性感知采集各类数据，包括各种传感器信息、图像、视频和音频等。物联网传输层是在如今已有的4G网络的基础上建立并被使用起来的，它负责使用4G网络来传输感知层采集到的数据信息到支撑层，极大的解决了传统自动化设备受传感器数据传输距离受限而导致的智能化程度不高的问题。支撑层主要是对采集到的信息数据进行加工处理，包括使用服务器进行存储、通过云计算或人工智能算法处理数据，最后将处理得到的数据发送至应用层。应用层的主要功能是将支撑层计算得到的数据信息通过各种设备反映到可视化界面，能与人员进行直接交互，提高智能化和自动化水平。本装置中的感知层即温湿度数据采集传感器、GPS卫星定位模块和开关门检测霍尔元件，各传感器能够实时的采集得到集装箱内任意时刻、任意位置的数据信息，后通过嵌入式微型处理器，在每个集装箱数据节点的数据处理模块中将实时现场数据进行加工处理，计算出有效数据并打包便于直接发送传输。物联网通信模块接入移动通信网络，根据TCP/IP协议直接与云服务器建立可靠的端到端的连接，进而进入建立连接的网络的计算机系统，通过4G网络传输到远程的ONENET平台上，实现了对传感器数据的集中监控管理。支撑层主要包括数据服务器，应用层则为客户监控终端。后端用户监控平台采用中国移动公司开发的ONENET物联网平台，采用TCP通信技术和MQTT技术实现数据的远程发送、实时存储和随时查看，便于以后对历史数据的分析研究和日常对集装箱内的监控维护。维护人员可以随时远程登陆ONENET平台，实时获取集装箱内部的监控信息确保集装箱内的工作状态正常稳定，通过友好的用户界面检查和监视远程集装箱监控装置的状态。物联网系统架构图如下图所示：图x 第3章铁路集装箱监控装置硬件设计3.1系统架构与功能实现铁路集装箱监控装置硬件部分作为下位机部分，负责采集本系统中温湿度数据、GPS定位数据和开关门状态数据。其中采集数据的传感器主要有温湿度传感器DHT11以及用于检测开关门状态的霍尔传感器M12。同时使用移远L76_GPS模块获取集装箱实时地理位置数据，经过STM32F103C8T6处理运算过后得到最终数据，最后采用BC26物联网模块将数据打包上传至中移ONENET物联网平台服务器，使集装箱接入物联网平台ONENET，实时传输各传感器数据，以远程确保铁路集装箱状态的安全稳定。硬件结构组成主要包括：嵌入式微型处理器、温湿度传感器、物联网通信模块、GPS模块、电源模块和报警模块等部分构成。硬件电路框架图如下图所示：图x铁路集装箱监控装置硬件电路结构框图3.2嵌入式微型处理器电路设计3.2.1嵌入式微型处理器介绍 本系统中硬件嵌入式微型处理器选用的是意法半导体(ST)的32位中密度性能微控制器STM32F103xx系列处理器。该系列的ARM芯片可以为性能要求较低、功耗和成本要求较高的应用场景提供支持。STM32F103xx系列处理器适用于多种应用，如电机驱动、应用控制、医疗和手持设备、PC和游戏外围设备、GPS平台和工业设备等。表xSTM32F103xx系列处理器外围设备STM32F103TxSTM32F103CxSTM32F103RxSTM32F103VxFlash（Kbytes）64128641286412864128SRAM（Kbytes）20202020定时器通用3333高级1111通信接口SPI1222I2C1222USART2333USB1111CAN1111GPIOs2637518012位同步ADC通道数210通道210通道216通道216通道CPU频率72MHz工作电压2.0to3.6V工作温度环温：-40to+85°C/-40to+105°C;结温：-40to+125°C封装VFQFPN36LQFP48,UFQFPN48LQFP64,TFBGA64LQFP100,LFBGA100,UFBGA100表x介绍了STM32F103xx系列微控制器外围设备资源。本文通过合理分配以上各种资源，在最大化利用各种资源的情况下，选择封装为LQFP64的STM32F103C8T6嵌入式微型处理器，处理器实物图如图x所示。STM32F103C8T6芯片具有64KB程序存储器（Flash）空间、20KB的大容量SRAM以及10通道的12位同步模数转换器，在性能和功能方面能很好的满足本文的需求。图x3.2.2STM32F103C8T6最小系统电路设计图x为STM32F103C8T6的最小系统原理图。此芯片提供两个外部时钟输入接口，分别为：外部高速时钟（HSE）和外部低速时钟（LSE）。外部高速时钟选用的是频偏小于20ppm的8MHz晶振，用于提供相比于内部时钟更加精确的系统时钟。而外部低速时钟选用的是频偏小于20ppm的32.768KHz晶振，为精确定时器服务，可以用于RTC电路时钟源，为低功耗提供计时器服务。使用PA0做电池电压采集，将其配置为ADC12_IN0模式，通过两个47K电阻分压为小于最大工作电压3.6V的情况下进行电压数据采集，PA0脚采集到的电压为：V采集电压=V电池电压/2。BOOT0通过跳线帽短接切换配置高低电平，BOOT1直连47K电阻到地配置为低电平。图xSTM32F103C8T6最小系统原理图3.2.3STM32F103C8T6供电电路设计STM32F103C8T6采用单电源供电，VBAT供电范围为2.0-3.6V，常用最佳工作电压为3.3V。当使用3.7V锂电池作为电源进行供电时，因为已经超过MCU的工作电压范围，所以需要使用降压芯片调压至3.3V后供电。本文采用的是XC6206线性稳压器进行调压，XC6206是高纹波抑制率、低功耗、低压差且具有过流和短路保护的CMOS降压型电压稳压器，输入电压范围为1.8-8.0V，输出电压。由于输入输出间的电压差很小和静态偏置电流很小，XC6206尤其适合希望延长电池寿命的电池供电类设备，所以此处本文选择使用XC6206系列进行供电降压。原理图是基于XC6206P332MR芯片设计的STM32F103C8T6芯片供电电路，XC6206P332MR采用的是SOT-23封装方式，它的输出电压是规定的Vout=3.3V。图x3.3霍尔传感器电路设计3.3.1ES3144霍尔元件ES3144采用双极技术制造，每个装置都包括一个电压调节器，用于供电操作电压为4.5至24伏，反向蓄电池保护二极管，二次型霍尔电压发生器，温度补偿电路，小信号放大器，施密特触发器，和一个开路集电极输出到接收器高达25毫安。通过适当的输出上拉，它们可以与双极或CMOS逻辑电路。ES3144具有广泛的工作电压范围和工作温度范围，因此非常适合作为铁路集装箱监控装置的开关门状态检测传感器。ES3144具有如下特点：1.内置反向电压保护器；2.工作电压范围宽，从3.8V到24V；3.灵敏度高，反应快；4.宽工作温度范围-40℃至150℃；5.高可靠性，微型，超薄封装；表x决定因素符号值单位工作电压VDD24V反向电压VDD24V输出电压VOUT30V输出电流IOUT25mA磁通量密度BNoLimit工作温度范围TA-40~150℃储存温度范围TS-65~150℃最大结温TJ+150℃焊接温度+250℃封装功耗SOT23-3L230mW3.3.2ES3144霍尔传感器电路 ES3144霍尔元件的PIN3脚为磁场信号输出脚，输出是为未经数字信号处理的信号波形，通过第一三极管U1A进行数字信号处理后，输出TTL高低电平，即可直接接入嵌入式微型处理器，使用嵌入式微型处理器的定时器中断进行计数。R3可调节输出信号的电压幅度，此处将R3调节为0欧姆，则输出信号幅度值为3.3V。当三极管的基极小于开门电压时，三极管截至输出信号则为高电平。当三极管的基极电压大于开门电压，三极管导通使发射极和集电极导通，则输出信号脚被拉低，使得输出信号保持低电平。图x3.4物联网通信模组电路设计3.4.1BC26物联网通信模组BC26是一款性价比较高的低功耗的NB-IoT系列模块。BC26模块采用LCC贴片封装，并具有17.7mm×15.8mm×2.0mm的超小尺寸，能最大限度地满足本装置设备对尺寸要求极小的需求，并能为本装置提供可靠的连接方式。通过NB-IoT的3GPPRel.13和3GPPRel.14无线电通信协议，BC26模块能够和物联网运营商平台建立直接通信。BC26提供丰富的外部接口（UART，SPI，ADC等）和协议栈（UDP/TCP，CoAP，LWM2M等），同时也支持中国移动ONENET物联网云平台，使其成为本装置在采集数据传输过程的理想选择，以提供完备健全的数据传输功能。BC26模组有三种工作方式：活动模式、浅睡眠模式和省电模式。活动模式下模组正常工作，可以进行收发数据等所有功能。浅睡眠模式下模组只可接受寻找的消息，此时网络连接未断开。省电模式，也就是PSM模式，此模式下只有RTC可以工作，网络连接已被断开，无法接收和发送消息，此时模组的功耗最低，能够极大的延长电池使用时间。3.4.2BC26引脚配置BC26模组主要分为八类引脚：电源、地线、串口、SIM接口、RF天线、SPI、其他和预留引脚。这些引脚根据I/O参数的定义又可以分为七种类型：双向端口(IO)、数字输入(DI)、数字输出(DO)、电源输入(PI)、电源输出(PO)、模拟输入(AI)以及模拟输出(AO)。电源类引脚主要有VBAT_BB为模块基带电源，VBAT_RF为模块射频功能电源，电压范围均为2.1~3.63V。VDD_EXT为1.8V输出电源，但此输出电源在PSM模式下无电压输出，可以为模块的上拉电路提供电源。PSM_EINT接口引脚为PSM_EINT，是数字输入类引脚，主要是外部中断引脚，可以从PSM唤醒模组。NETLIGHT引脚是用于网络状态指示的引脚，连接LED灯即可构成网络状态指示灯，ADC接口引脚ADC0是用于通用模数转换的接口，采集的电压范围为0~1.4V。BC26模组有三个串口，分别为主串口（对应引脚RXD和TXD）、辅助串口（对应引脚RXD_AUX和TXD_AUX）以及调试串口（对应RXD_DBG和TXD_DBG），均为1.8V电源域的串口通信引脚，因此本装置中需要使用3.3V转1.8V电路，来保证串口通信电平不冲突。振铃信号引脚RI，用作振铃指示器，当有信号发生反射，带来振铃现象时，会使信号质量变差甚至错误的情况，所以振铃指示器可用作错误提醒反馈引脚。USIM接口主要有SIM_VDD引脚是USIM卡电源、SIM_RST引脚是USIM卡复位信号、SIM_DATA引脚是USIM卡数据信号、SIM_SCLK是USIM卡时钟信号和SIM_GND为USIM卡专用地。其中数据信号对信号质量要求较高，因此电压有着严格的标准：VILmax=0.25×SIM_VDD，VIHmin=0.75×SIM_VDD，VOLmax=0.15×SIM_VDD，VOHmin=0.85×SIM_VDD。SPI接口有SPI_MISO引脚为主机输入从机输出信号、SPI_MOSI引脚为主机输出从机输入信号、SPI_SCLK引脚为串行时钟信号以及SPI_CS为片选信号脚。3.4.3BC26外围电路设计BC26模组的电源输入电压范围为2.1V~3.63V，同时在进行数据通信传输过程中，必须保证模组工作电压不低于2.1V，否则会导致模组异常。本装置中BC26模组采用3.6V电池供电和5VUSB接口两种方式同时供电，确保系统容错率提升稳定传输性能大大增加。本装置主要使用了DCDC直流电压转换器SY8088进行5V转3.6V。通过开关S1控制总电源的开断，通电后BC26模组开机并初始化，NETLIGHT网络状态指示灯会闪烁。BC26模组又为外部电路提供1.8V电源VDD_EXT和SIM_VDD0，VDD_EXT用于串口电平转换芯片和SPI电平转换芯片，而SIM_VDD0用于给USIM卡供电。BC26模组的电源框架图如下图所示：在供电引脚处，并联了两个10uF的电容和一个100nF的电容用于滤波，以保障电源供电稳定性能优秀。芯片的供电电源开启或关闭有先后顺序的要求，这个先后顺序就是上下电时序。如果上下电时序不符合芯片的设计要求，严重可能会导致概率或批次性不开机等比较隐蔽的质量问题。RF_ANT引脚接入RF天线，采用SMA接口方式直接使用2G的天线接入，并保证50欧姆阻抗匹配，避免因阻抗原因带来传输线时延，使得信号错误，模块工作异常。最后在VDD_EXT引脚输出处串联一个0欧姆电阻，避免因外界接入电流过大，直接损坏BC26模组。图xBC26外围电路原理图物联网模组外部复位电路控制引脚连接BC26模组的PIN15脚RESET，此引脚为数字输入脚,专门用于复位模组，仅在低电平时有效。通过CPU控制PA8引脚为高电平，导通Q1三极管，进而拉低RESET引脚合适的时间可以使模块复位。图x物联网复位电路物联网模组软启动电路控制引脚连接BC26模组的PIN7脚PWRKEY，此引脚为数字输入脚，输入高电平最小为0.7*VBAT，输入低电平最大为0.3*VBAT。当BC26模组处于关机状态时，可以通过拉低PWRKEY引脚一段时间使其开机，仅需要使CPU软件控制拉高PB8引脚，将Q2这一NPN三极管导通，就能够拉低PWRKEY启动BC26模组。图x物联网软启动电路3.4.4BC26电平转换电路设计BC26串口的电平是1.8V的，所以直接跟外部设备进行通讯是容易出现问题的。所以需要加入电平转换电路将设备信号转成成外部单片机可以识别的，并将单片机的信号转成1.8V给到BC26。这里给的是3.3V电平转换的参考电路,这里采用电平转换芯片实现电平匹配问题。TXS0108EPWR是一个8位非反转电平转换器，它使用两个独立的可配置电源栏杆。A端口跟踪VCCA引脚电源电压。VCCA引脚可接受1.4V到3.6V之间的任何电源电压。B端口跟踪VCCB引脚电源电压。VCCB引脚接受任何电源电压在1.65V和5.5V之间。两个输入电源引脚允许低电压在1.5V、1.8V、2.5V、3.3V和5V这几个电压节点之间双向转换。当输出启用（OE）输入低时，所有输出处于高阻抗（Hi-Z）状态。确保在上电或断电期间处于Hi-Z状态周期，通过下拉将OE连接到GND电阻器。电阻器的最小值为由当前的驱动芯片上拉电流的能力决定。TXS0108EPWR有以下特点：（1）无需方向控制信号；（2）最大数据速率可达到110Mbps（推挽输出模式）\1.2Mbps（开漏输出模式）；（3）A端口为1.4V至3.6V，B端口为1.65V至5.5V（VCCA≤VCCB）；（4）无需电源排序–即VCCA或VCCB都可以先上电；（5）闭锁性能超过100毫安/秒JESD78，二级；（6）ESD保护超过JESD22（A端口）–2000-V人体模型（A114-B）–150-V机型（A115-A）–1000-V充电装置型号（C101）（7）IEC61000-4-2ESD（B端口）–±8kV接触放电–±6kV气隙放电它的转换电压范围符合应用范围，因此采用TI公司的TXS0108EPWR电平转换芯片来将1.8V与3.3V之间做信号匹配比较合适。TXS0108E设备是一种无方向电压电平转换器，专门设计用于转换逻辑电压水平。A端口接受1.2V到3.6V的I/O电压。B端口接受1.65V的I/O电压至5.5V。该设备使用带边缘速率加速器（单次）的通过门结构来提高整体性能数据速率。上拉电阻器，通常用于开漏应用，已方便地集成，所以不需要外部电阻器。虽然该设备是为开漏应用而设计的，但该设备可以也推挽CMOS逻辑输出。TXS0108E有一个OE引脚输入，用于通过将OE引脚设置为低来禁用设备，从而将所有I/O处于Hi-Z状态。禁用时间（tdis）表示OE引脚变低和断开之间的延迟当输出实际被禁用时（Hi-Z）。启用时间（ten）表示设计必须花费的时间量在OE引脚变高后，允许单次电路工作。此处直接将OE引脚接到VDD_EXT来保证TXS0108EPWR持续工作使能，下图为BC26电平转换电路原理图:图x3.5GPS定位模组电路设计3.5.1L76_GPS定位模组GPS模块的主要功能是通过接收机接收卫星发射的信号，微处理器将接收到的信号数据进行处理和解译，解读和计算出卫星的位置，测得卫星和用户之间相对位置等参数，最后实时地结算出测站的Ｈ维位置、速度和时间，将数据按照一定的协议通过串口发送给主控制器。L76系列模块是与GLONASS/北斗和GPS系统集成的单接收机模块。它是能够以最低的功耗实现业界最高水平的灵敏度、准确度和TTFF小尺寸无铅包装的消费。嵌入式闪存为存储特定于用户的配置并允许将来进行更新。L76系列模块支持多种定位和导航系统，包括自主GPS，GLONASS、北斗、SBAS（包括WAAS、EGNOS、MSAS和GAGAN）、QZSS和AGPS。内置多种高级节电模式，包括period、AlwaysLocateTM、standby和备份方面，L76系列模块在不同场景下具有优异的低功耗。L76系列模块的核心特点是易用技术，它是一种AGPS。能够收集和处理GNSS模块处理所有内部辅助信息，如GPS时间、星历、最后位置等在热启动或热启动时提供非常短的TTFFL76系列模块是SMD型模块，紧凑型10.1毫米×9.7毫米×2.5mm外形尺寸。它可以通过18针焊盘嵌入到应用程序中。它提供了必要的硬件接口与主PCB的连接。本系统中使用的GPS定位模块为Quectel_L76模块。Quectel_L76模块是上海移远通信公司推出的一款低成本高性能的GPS/北斗双模定位模块，具有以下特点：1.模块采用L76模组，体积小巧，性能优异；2.模块采用SMA接口，可以连接各种有源天线，本文直接连接GPS/北斗双模有源天线；3.模块兼容3.3V/5V电平，方便连接各种单片机系统；4.模块自带可充电后备电池，可以掉电保持星历数据，在主电源断开后，后备电池可以维持半小时左右的GPS/北斗星历数据的保存，用于支持温启动或热启动，从而实现快速定位。5.模块通过串口与外部系统连接，串口波特率支持4800、9600、19200、38400、57600和115200（默认）等不同速率，兼容5V/3.3V单片机系统，本文选择串口波特率为115200默认通信速率。如下是L76模组的主要参数：特点实施参数接收机类型GPSL11575.42MHzC/A码GLONASSL11598.0625~1605.375MHzC/A代码（L76和L76-L）北斗B11561.098MHzC/A码（L76B）供电电源电源电压：2.8V-4.3V典型值：3.3V灵敏度捕获：-148dBm@L76重捕：-160dBm@L76追踪：-165dBm@L76捕获：-149dBm@L76-L重捕：-161dBm@L76-L追踪：-167dBm@L76-L捕获：-148dBm@L76B重捕：-160dBm@L76B追踪：-166dBm@L76B水平位置精度（自主）<2.5米CEP@-130dBm更新速率高达10Hz，默认为1Hz1PPS信号的准确性典型精度<10ns时间脉冲宽度100ms速度精度无辅助：0.1m/s加速度精度无辅助：0.1m/s²动态特性最高海拔：18000米最大速度：515m/s加速度：4GUART端口UART端口：TXD1和RXD1支持从4800bps到115200bps的波特率；默认为9600bpsUART端口用于NMEA输出、PMTK/PQ命令输入和固件升级I2C支持快速模式，比特率高达400kbps支持7位地址读取时默认输出NMEA数据；它还可以接收通过I2C总线的PMTK/PQ命令。工作温度范围正常操作：-45℃+85℃储存温度：-45℃+125℃物理特性尺寸：10.1±0.15×9.7±0.15×2.5±0.15毫米重量：约0.6克3.5.2L76引脚VCC引脚为BB、RF、I/O和RTC域供电，电源电压范围为2.8V~4.3V，同时要正常工作需要确保负载电流小于150mA。VCC引脚的负载电流随时间而变化到VCC级别，供给电源给处理器负载和卫星采集。GPS期间，典型的VCC峰值电流为40mA通电后采集。因此，提供足够的电流，保证电源的清洁和稳定是非常重要的稳定。同时，应选择没有内置输出高速放电功能的LDO来实现保持较长的输出电压下降周期。使用了10uF和100nF电容器的解耦组合并联在VCC附近的引脚。V_BCKP引脚为备用电源供给，在备用模式下，电源范围为1.5V~3.3V电流IV_BCKP=7uA。当VCC电源域断电时，会启动V_BCKP为RTC供电。VCC_RF引脚主要为外部RF部件提供电源，电压范围与VCC一致，通常为外部有源天线或低噪声放大器供电。未使用时需要保证引脚打开，VCC_RF≈VCC。RESET引脚的高电平范围为2.1V~3.1V，低电平范围为-0.3V~0.7V，它处于低电平激活状态。ANTON引脚为省电模式下的外部LNA控制引脚和有源天线功率控制引脚，有效输出低电压最大为0.42V，输出低电压最小为2.4V。STANDBY引脚主要用于进入或退出待机模式，在待机模式下GPS模组需要被快速唤醒，因此STANDBY引脚非常重要。同时待机模式的控制使用，能有效地使模组功耗降低，优化成本。此引脚在内部通过软件控制被拉起，主要是通过输入电压边缘触发的。它的输入电压低电平有效值为-0.3V~0.7V。1PPS输出引脚，用于上升沿时钟同步边缘，脉冲宽度为100毫秒，每秒钟一个脉冲。FORCE_ON引脚可以通过逻辑高将强制模块从备用模式唤醒，它属于RTC电源域，因此电压范围和STANDBY引脚一致。在进入备用模式前，保持此针脚打开或拉低。该模块提供一个通用异步收发串口。模块是设计为DCE（数据通信设备），遵循传统的DCE-DTE（数据终端设备）连接。模块和客户机（DTE）通过中所示的信号连接下图。它支持从4800bps到115200bps的数据波特率。UART端口：TXD1：向DTE的RXD信号线发送数据RXD1：从DTE的TXD信号线接收数据此UART端口具有以下功能：1.UART端口可用于固件升级、NMEA输出和PMTK专有消息输入；2.默认的输出NMEA类型设置为RMC、VTG、GGA、GSA、GSV和GLL；3.UART端口支持以下数据速率：4800、9600、14400、19200、38400、57600、115200bps；4.默认设置为9600bps，8位，无奇偶校验位，1个停止位；5.不支持硬件流控制和同步操作。因为GNSS模块输出的数据比单个GPS系统多。默认输出NMEA类型正在运行在4800bps波特率和1Hz更新率将丢失一些数据。避免数据丢失的解决方案4800bps波特率和1Hz更新率是减少输出NMEA类型。波特率为9600bps足以在默认设置下传输GNSSNMEA，因此使用此波特率。3.5.3L76_GPS定位模组电路L76系列模块支持GPS和GLONASS/北斗系统。射频信号来自射频输入引脚。射频迹线的阻抗应控制在50欧姆，迹线长度应尽量简短。V_BCKP引脚为RTC域供电。4.7uF和100nF组合的单体电池电容器建议靠近V_BCKP引脚。RTC域的电压范围为1.5V～4.5V。在为了获得更好的首次修复时间（TTFF），RTC域应该一直有效。它可以提供电源SRAM内存在RTC域，其中包含所有必要的GPS信息的快速启动和少量用户配置变量。模块与单片机连接最少只需要4根线即可：VCC、GND、TXD、RXD。其中VCC和GND用于给模块供电，模块TXD和RXD则连接单片机的RXD和TXD即可。L76模块兼容5V和3.3V单片机系统，所以可以很方便的连接到本装置里面去。PPS与嵌入式处理器GPIO（通用IO口）的连接完成后，定位正常，会输出一段脉冲，能进行定位检测使用或者同步数据信息。L76模块的TXD和RXD脚是TTL电平，不能直接连接到电脑的RS232串口上，必须经过电平转换芯片(MAX232之类的)，所以电平转换后，才能与之连接。此外对L76模组接上备用电源，使用纽扣电池供电，避免因为装置断电而GPS定位断开连接。L76模组主电路原理图如下图所示：图x3.6接口电路设计SP3485是+3.3V低功耗半双工收发器符合RS-485和RS-422串行协议的规范。这些设备都是pin-topin与SipexSP481、SP483和SP485设备以及流行行业兼容标准，允许低功耗在不牺牲性能的情况下运行。SP3481和SP3485采用Sipex的BiCMOS工艺。SP3485符合电气要求RS-485和RS-422串行协议的规格，负载下最高可达10Mbps。SP3485的驱动器输出差分输出完全能够满足RS-485和RS-422标准，使得信号误差率大大降低。典型电压输出空载时的摆幅为0伏至+3.3伏。负载54Ω穿过差速器输出，驱动器保持大于1.5V电压水平。SP3485驱动程序有一个使能控制线处于高激活状态。DE上的逻辑高电平（引脚3）将启用差分驱动器输出。DE（引脚3）上的逻辑低电平将使驱动器输出。SP3485中的收发器运行速度高达10Mbps。250mAISC驱动器输出的最大限制允许SP3485能够承受在-7.0V到+12.0V之间无限短路共模范围无突变IC损坏。PIN1脚为RO,即接收器输出引脚，PIN2脚为RE,即接收器输出激活低电平。DE引脚是驱动器输出激活高电平，DI引脚为驱动器数据输入脚。A引脚主要是用于驱动器输出/接收器输入，B引脚是驱动器输出/接收器输入。RS485总线接口原理图如下图所示：图xRS485总线接口SP3223芯片是RS-232收发器解决方案，用于便携式或便携式设备手持式应用，如笔记本电脑和掌上电脑。SP3223使用内部高效电荷泵电源，只需要0.1µF电容器3.3V运行。这种电荷泵和Sipex的驱动结构允许SP3223系列可从单个电源提供符合RS-232标准的性能从+3.3V到+5.0V。SP3223是一个2驱动器/2接收器设备，适用于笔记本电脑/笔记本电脑和PDA应用。SP3223具有Sipex芯片专有和专利（美国—5306954）产生电流的电荷泵电路±5.5V，RS-232电压水平从单个+3.0V至+5.5V电源。SP3223设备可以在满载时的典型数据速率为235kbps。SP3223系列是理想的选择对电源敏感的设计。SP3223设备具有自动在线功能®减少电源消耗的电路到1µ电源电流。在许多便携式或手持式应用，RS-232电缆可以可以断开或连接外围设备已关闭。在这种情况下，内部充电泵和驱动器将关闭。否则，系统会自动启动在线。此功能允许设计工程师解决省电问题设计变更。自动联机功能允许设备在关机时自动“唤醒”连接RS-232电缆且连接的外设打开时的状态。否则设备自动关闭至电流小于1µA.RS232通讯串口接口原理图3.7供电电路设计USB输入电压5V。由于BC26的GSM功能在组网的瞬间电流需要达到500mA左右，从电压输入的地方至少需要保证500mA的提供，才可以让模块正常工作。当然用户为了节约成本可以采用LDO的方式直接供电，比如RT9193或者1117-3.3这样的。但是从可靠性以及效率来看，采用开关电源是较为好处的。所以此处采用sy8088开关电源的方式进行设计。最高可达1A电流，完全足够开发板的正常运行。SY8088是一种高效率的1.5MHz同步步进电机下直流/直流稳压器集成电路能够提供高达1A输出电流。它可以在很宽的输入范围内工作电压范围从2.5V到5.5V，集成主电源开关和同步开关，RDS极低（ON）减少传导损耗。由于SY8088集成电路集成度高，因此基于该稳压器芯片的应用电路比较简单，仅输入电容CIN，输出电容COUT，输出电感L和反馈电阻（R1和R2）需要为目标应用程序选择R1和R2对正确的输出进行编程电压。最大限度地降低轻载时，宜选用电阻大的R1和R2值。值介于100kΩ之间还有1mΩ，强烈建议用于两个电阻器。如果R2=120kΩ则R1可计算为：SY8088稳压器的版图设计相对简单，为了获得最佳效率和最低噪音，我们应该放置以下组件靠近IC:CIN、L、R1和R2。1.最好使PCB铜面积最大化连接到GND引脚以实现最佳的散热和散热效果噪声性能。如果电路板空间允许地平面是非常理想的。2.CIN必须靠近引脚IN和GND。循环由CIN和GND形成的区域必须最小化。3.与LX引脚相关的PCB铜区域必须尽量减少噪音以避免潜在的噪音问题。4.组分R1和R2以及迹线连接到FB引脚不得与LX网对PCB的布局避免了噪声问题。5.如果与EN引脚接口的系统芯片有关机模式下的高阻抗状态和IN引脚直接连接到电源，如锂离子电池，最好加一个下拉1欧姆EN和GND引脚之间的电阻，以防止停机时错误开启调节器产生的噪音模式。3.8温湿度传感器电路设计3.8.1DHT11温湿度传感器DHT11温湿度传感器采用温湿度传感器复杂的校准数字信号输出。采用专用数字信号采集技术和温湿度传感技术，保证了高可靠性和高可靠性良好的长期稳定性。该传感器包括电阻式湿度测量组件和NTC温度测量组件，并连接到高性能8位微控制器，品质优良，响应速度快，抗干扰能力和成本效益高。每个DHT11元件都在实验室进行了严格的校准，在现场非常精确湿度校准。校准系数作为程序存储在OTP存储器中，用于传感器内部信号检测过程。单线串行接口使系统集成快速方便。其体积小，功耗低，最高可达20%仪表信号传输使其成为各种应用的最佳选择，包括最苛刻的环境也能适应。组件为4针单排针封装，很方便可根据用户要求提供连接和专用软件包。3.8.2DHT11温湿度传感器原理单片机与单片机之间采用单总线数据格式进行通信和同步DHT11传感器。一个通信过程约4ms。数据由小数部分和整数部分组成。一个完整的数据传输是40位，并且传感器首先发送更高的数据位。数据格式：8位整数RH数据+8位十进制RH数据+8位整数T数据+8位十进制T数据数据+8位校验和。如果数据传输正确，校验和应该是数据的最后8位“8位整数RH数据+8位十进制RH数据+8位整数T数据+8位十进制T数据”当MCU发出启动信号时，DHT11从低功耗模式切换到低功耗模式运行模式，等待MCU完成启动信号。一旦完成，DHT11发送一个包含相对湿度和温度信息的40位数据的响应信号微控制器。用户可以选择收集（读取）一些数据。没有来自MCU的启动信号，DHT11不会向MCU发出响应信号。一旦收集到数据，DHT11将变为低功耗模式，直到它再次从MCU接收到启动信号图2整体沟通流程数据单总线空闲状态处于高电压水平。当单片机与DHT11开始，单片机程序将数据单总线电压电平由高到低进行设置而这个过程至少需要18ms才能保证DHT检测到MCU的信号，然后MCU将拉高电压并等待20-40us，等待DHT的响应。图3MCU发出启动信号和DHT响应一旦DHT检测到启动信号，它将发出一个低电压电平响应信号，这是持续80分钟。然后，DHT程序将单母线电压水平由低到高进行设置，并对数据进行处理为DHT准备发送数据保留80us。当数据单总线处于低电压水平时，这意味着DHT正在发送响应信号。一旦DHT发出响应信号，它就会将电压升高并保持80us和80us准备数据传输。当DHT向MCU发送数据时，每一位数据都从50us的低电压电平开始以下高电压电平信号的长度决定数据位是“0”还是“1”（见图4和图5）。图4数据“0”指示图5数据“1”指示如果来自DHT的响应信号总是处于高电压水平，则表明DHT不是正确响应，请检查连接。当传输最后一位数据时，DHT11降低电压电平并保持50us。然后单母线电压被电阻器拉起，使其回到自由状态。Pin名称注释1VDD供电3V-5.5V范围内的直流电源2DATA串行数据总线3NC悬空引脚，未接4GND引脚接地3.8.3DHT11温湿度传感器电路当连接电缆短于20米时，可以使用5K上拉电阻器；当连接电缆长度超过20米时，根据需要选择适当的上拉电阻器需求。DHT11的电源为3-5.5VDC。当传感器通电时，不要发送任何信号指示传感器在一秒钟内通过不稳定状态。一个可在VDD和GND之间添加值为100nF的电容器，用于电源滤波。 第4章铁路集装箱监控装置软件设计4.1软件开发环境介绍 本文使用C语言编写嵌入式控制器程序，需要生成嵌入式的机器指令（二进制代码），选用“Keil5”程序编辑、编译软件，利用USB转串行口线连接单片机，故需要安装USB驱动程序“USBtoUARTDriver”，同时使用串口ISP下载程序“FlashLoaderDemonstrator.exe”和串行口调试程序“sscom5.13.1”。本装置通过串口1接上USB_TTL模块来进行程序下载的方式，需要将BOOT0从GND的连接地方用跳线帽接入到3V3，并重新开机，为了方便重启的时候，系统进入bootloader程序，然后进行串口程序下载。图x4.2系统程序设计4.2.1主函数程序设计系统主程序的工作流程如图x所示，上电后嵌入式微型处理器对系统各个硬件模块进行初始化操作，包括引脚配置、串口初始化设置、BC26开机并初始化、GPS设备初始化以及MQTT初始化等。初始化完成后，系统将显示主界面并进入系统主循环，主要进行读取温湿度数据、获取GPS模块的经纬度数据。当检测到获取变化的有效采集数据时，首先经过内部处理器计算将采集数据处理为有效数据，并通过处理器更改格式为JSON格式后打包。再将数据发送至与BC26模组相连接的串口，准备根据物联网发送至ONENET平台。最后确定连接后，将打包好的JSON数据包发送到云平台并喂狗保持重置定时器计数。4.2.2温湿度传感器模块程序设计 温湿度传感器模块控制程序由四个函数组成，分别为：DHT11初始化函数、DHT11复位函数、DHT11读取数据函数和DHT11自检函数。

DHT11初始化函数主要用于初始化DHT11的IO口并检测DHT11传感器是否已接入电路，确保硬件的功能正常且完整。流程为先完成GPIOA时钟的使能后初始化GPIOA7引脚，将其模式配置为推挽输出模式、IO口的传输速度设置为50MHz。然后重启DHT11传感器，最后返回DHT11自建结果作为初始化函数的返回值。 DHT11复位函数主要用于复位DHT11传感器，通过复位IO口的高四位，将其配置为低电平，然后数据左移三位后得到的数值这一命令来控制。发出命令后，随即拉低DQ引脚至少18ms后，再重置DQ引脚为高电平20~40us，则完成复位动作。 DHT11读取数据函数可直接从DHT11读取一次数据，温度的读取数据范围为0~50摄氏度，湿度的读取数据范围为20%~90%有效，若读取正常返回‘0’，读取失败返回‘1’。函数执行流程主要为：首先进行DHT11复位操作作为判断条件，复位成功后则开始循环读取40bit数据，并分别存入指针数组中。 DHT11自检函数先将DHT11配置为输入模式，随后DQ引脚会拉低40~80us，通过使用参数和DQ值相与，可以判断每1us中DQ的状态，如果最后参数大于DQ正常拉低时间的范围，则表明DHT11连接状态异常，反之正常工作。4.2.3霍尔传感器模块和蜂鸣器报警模块程序设计 霍尔传感器模块控制程序主要流程为： Step1：初始化GPIO口，进行模式配置为输入并初始化串口中断； Step2：循环读取霍尔传感器开关门状态值是否为‘0’，每次读取之间加入50us作为消除抖动函数，避免误触发行为发生； Step3：确认霍尔传感器触发后，设置寄存器为0x01并延时200ms后发送到MCU，在串口中断函数中使开关门标志位为‘1’，表示铁路集装箱门未关闭。 蜂鸣器报警模块控制程序流程与开关门状态信息密切相关，具体流程如下： Step1:初始化蜂鸣器引脚，因为本装置中的蜂鸣器为有源蜂鸣器，因此仅需使用高低电平即可控制蜂鸣器报警，则配置好IO口状态模式； Step2：根据预设的温湿度门限值以及开关门标志位数值，当不满足预设条件时，对蜂鸣器报警模块输出高电平，蜂鸣器开始报警同时报警指示灯亮起，同时列车人员处理完毕后再进行后续运输操作。4.3BC26物联网模块程序设计BC26物联网模块建立的通信网络在整个M2M技术框架中处于核心地位，铁路运输中的集装箱监控装置是实时无接触式的所以采用4G网络来实现，其中包括了数字信号从硬件传感器采集到ONENET云服务器的往来通信，以及数据处理之后上传到服务器在后台实时显示的通信。4.3.1TCP\IP协议 MQTT协议是基于TCP/IP协议的一个协议包，因此BC26模组与ONENET平台进行通信时，首要是先进行TCP/IP协议的部分连接，建立通路。因此TCP/IP协议也至关重要，同时，通过建立TCP连接的情况下，使用SOCKET连接可以进行端对端的通信，实现实时后台显示数据。以下是建立SOCKET连接的流程：服务器与BC26模块建立连接BC26网络模块向ONENET服务器发送连接请求，通过4G网络使用三次握手协议建立连接。在TCP/IP协议中，TCP协议提供可靠的连接服务，采用三次握手建立一个连接。第一次握手：建立连接时，BC26模块发送SYN包(SYN=j)到服务器，并进入SYN_SEND状态，等待服务器确认；第二次握手：服务器收到SYN包，必须确认EC20模块的SYN(ACK=j+1)，同时自己也发送一个SYN包(SYN=k)，即SYN+ACK包，此时服务器进入SYN_RECV状态；第三次握手：BC26模块收到服务器的SYN+ACK包，向服务器发送确认包ACK(ACK=k+1)，此包发送完毕，BC26模块和服务器进入ESTABLISHED状态，完成三次握手。完成三次握手后，服务器与BC26模块可以开始传送数据。图4-14三次握手建立连接示意图创建Socket(套接字)每个TCP连接的两端都会关联一个套接字和该套接字指向的文件描述符，所谓套接字，实际上是一个通信端点，每个套接字都有一个套接字序号，包括主机的IP地址与一个16位的主机端口号。进行通信则应该有两个端点建立通道，故需要创建Socket(套接字)，再进行双向透传；图4-15创建Socket(套接字)流程图进行数据传输将两个套接字连接起来后，打开套接字的输入输出流。DHT11温湿度传感器读取集装箱中实时温湿度数据后经串口发送到物联网模块BC26，BC26物联网模块中的温度湿度数据输入流被发送到移动ONENET服务器。经平台后台处理后，得到实时数据点，使用图表显示采集数据。图3-10Onenet数据流显示-1数据传输完毕后，关闭套接字连接，然后进行四次挥手断开TCP连接。图4-16数据传输过程4.3.2MQTT协议GPS定位数据传输采用了MQTT通信协议。通过移动物联网平台ONENET设置规则引擎，来达到对传感器数据的监视、推送以及处理。图xMQTT物联网产品架构图本系统中我们的传感器采用MQTT协议+json数据格式进行传感器数据传输，以移动物联网平台ONENET作为代理服务器进行消息的推送。然后将传感器的数据在平台上生成时间数据点后进行监视，同时可以以推送的形式播报给需要查看集装箱定位信息的用户。(1)连接MQTT服务器。创建TCP模式，并采用MQTT方式去连接ONENET(TCP原理同上节)。(2)构建MQTT连接包并登录ONENET。MQTT连接包内设置有“client_id”、“username”和“password”字段。client_id设置为平台创建设备时的设备id；username设置为“项目ID”,项目ID是在平台添加项目时平台生成的ID；password设置为“鉴权信息(APIKey)”，APIKey是在平台上创建产品时生成的鉴权信息。图4-20Onenet物联网产品信息(3)BC26物联网模块发送注册设备ID和token到ONENET平台，请求注册设备。ONENET平台根据设备ID读取出对应设备注册信息，并进行安全鉴权(即使用access_key来验证token是否一致)。(4)将采集数据转换为json数据格式并发送采集到传感器数据后，根据json格式加入字符构成json数据包①数据类型：订阅类型RegisterDeviceDeviceDat