基于MEMS加速度传感器的“快递黑匣子”

引 言

随着网上购物的快速发展，物流行业也在蓬勃发展，但 发展的同时问题不断 [1,2]。物品损坏是个大问题，供货商与快 递公司之间相互推脱责任，针对这种情况，本文设计了一种基 于 MEMS 加速度计的“快递黑匣子”。它采用双轴加速度计作 为核心传感器件，将 MSP430F1611IPM 作为微处理器，系统 微处理器根据加速度传感器的 X、Y 两 路加速度信息，通过系统设定的分析、 处理算法生成设备的状态数据。将此值 与系统设定值相比，配合实时时钟记录 芯片的使用状况，获取物品在运输过程 中所受的接近或大于设定值的加速度及 其对应时间，为物品损坏分析提供数据。

1 快递黑匣子 的工作原理

快递黑匣子采用低功耗芯片， 在物品运输过程中可准确记录物品所受的接近或大于设定值的加速度及其对应时间，在一次使用后可以选择复位以达到重复利用的目的。

2 快递黑匣子 硬件电路设计

硬件系统包括单片机模块，传感器与时钟模块，电源模块，USB 转UART 模块 [3-6]。单片机模块电路如图 1 所示，其最大的特点是低功耗，因此我们设计的 快递黑匣子 在物品运输过程中无需担心电量不足的问题。

复位电路如图 2 所示。每次使用前为确保数据记录容量， 按下S1，即达到复位效果，使得该产品可回收，可重复使用，大大节约了物流行业的成本。

时钟电路如图 3 所示。晶振结合其他电路产生单片机所 必须的时钟频率，单片机一切指令的执行都建立在其基础上， 晶振提供的频率越高，单片机运行得越快。

传感器与时钟模块如图 4 所示。M41T0 计时器 RAM 是 一个低功耗串行计时器，其内建 32.768 kHz 振荡器，外部晶体控制八个寄存器用于实现时钟日历的功能，同时还配置了 二进制编码的十进制格式地址和数据传输，通过两线的双向 总线连续传输读或写数据字节时，内建地址寄存器自动增加， 可计秒、分钟、小时、天、星期、月、年和世纪等。特殊软件 可编程输出，当加速度传感器感知到大于设定值的加速度时， 配合此时钟芯片，单片机能记录此刻的加速度及对应时间。

电源模块如图 5 所示。该充电器是定时终止恒流 / 恒压 线性充电器，利用 USB 对锂电池充电，充电电流由 PROG（7） 引脚上的电阻来设定，浮动电压预设为 4.2 V。TC4053 具有 完善的温度检测和补偿、调整功能，允许用户安全地以较大 电流充电从而大大减少充电时间，配合稳压芯片的使用能更好 地保护电路中的各个器件。

USB 转 UART 模块如图 6 所示。CP2101中的 USB 功能 控制器和收发器是一个符合 USB2.0 规范的全速器件，集成 收发器和片内相应的上拉电阻。USB 功能控制器管理 USB 和 UART 间所有的数据传输及由 USB 主控制器发出的命令请求 和用于控制 UART 功能的命令。USB 终止和恢复信号支持功 能便于 CP2101 器件以及外部电路的电源管理。当在总线上检 测到终止信号时，CP2101 将进入终止模式，在进入终止模式 时 CP2101 会发出 SUSPEND 和 /SUSPEND 信号。SUSPEND 和 /SUSPEND 在一个 CP2101 复位后也会发出，直到 USB 要 求的器件配置完成。

3“快递黑匣子”软件系统设计 

系统程序设计包括单片机程序开发、USB 设备驱动程序 开发、主机应用程序开发 [7-10]。三者互相配合才能完成可靠、 快速的数据传输。其中 USB 设备驱动程序由 Cygnal 公司提 供。剩下一部分为单片机 MSP430F11611 的串行通信程序，即 波特率、数据位、校验位等 ；另一部分为 MEMSIC 加速度计 C62020M 和实时时钟芯片 M41T0 的程序设计。 

4 结 语

“快递黑匣子”具有结构简单，体积小，功耗低，成本较 低，可回收重复利用等特点。若能将此感知器广泛应用于快 递行业，它能够记录物品传输过程中所受的各种冲击力度，使 得快递运输向“透明化”进程迈出重要一步，大大增强快递人 员的责任感，也为快递过程中产生的纠纷提供了很好的“证据”， 有助于合理解决纠纷。此外，由于本产品可以记录各类物理冲 击，所以在应用上不会局限于快递包裹运输，对于需要记录遭 受颠簸、翻转等冲击的物品，例如实验室研究、精密仪器和 重要物品的大规模运输等，本产品均可发挥作用。