謝留婉

（江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院蘇州工業(yè)園區(qū)分院 江蘇 蘇州 215123）

1 引言

制冷設(shè)備在我們?nèi)粘Ｉ?、工業(yè)生產(chǎn)以及醫(yī)療等場(chǎng)景中，使用越來(lái)越廣泛，如大型冷庫(kù)、移動(dòng)冷鏈配送以及家用電冰箱設(shè)備等，都是需要對(duì)食品或物品冷凍保質(zhì)保鮮的以及在醫(yī)療中需要對(duì)各種藥物或疫苗等恒溫保存。對(duì)于這些應(yīng)用場(chǎng)景下，制冷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)也對(duì)保存的物品安全性起到非常關(guān)鍵的作用。其實(shí)，大部分制冷設(shè)備工作原理基本相似。我們以目前日常使用的家用電冰箱為例，當(dāng)冰箱在發(fā)生掉電或出現(xiàn)故障時(shí)，人們基本不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，很容易出現(xiàn)冰箱中的食物變質(zhì)腐壞，造成不必要損失；如果在電冰箱出現(xiàn)各類異常時(shí)發(fā)出自動(dòng)報(bào)警提醒用戶及時(shí)處理，可以大大降低損失的發(fā)生率[1]。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

為了解決上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種制冷設(shè)備掉電及監(jiān)測(cè)異常遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)報(bào)警系統(tǒng)，具體從硬件電路和單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)兩方面分析研究。根據(jù)制冷設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)工作情況，分析出需要實(shí)現(xiàn)的功能要求，要能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)制冷設(shè)備的供電情況，當(dāng)出現(xiàn)由于跳閘等原因造成的掉電情況，以及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)制冷室中溫度出現(xiàn)異常時(shí)，系統(tǒng)需要立即發(fā)出聲光報(bào)警信息提醒用戶注意；考慮到有可能人員不在現(xiàn)場(chǎng)，還需要能遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)報(bào)警，可以通過(guò)增加4G網(wǎng)絡(luò)通信模塊，向用戶發(fā)送遠(yuǎn)程報(bào)警信息，提醒用戶及時(shí)處理突發(fā)狀況；由于系統(tǒng)要能在掉電后還能繼續(xù)向外發(fā)出報(bào)警信息，系統(tǒng)需要內(nèi)置鋰電池進(jìn)行供電，并設(shè)計(jì)鋰電池充電和電源電路。下面將根據(jù)系統(tǒng)功能要求，從核心器件的選型、硬件電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)等方面介紹設(shè)計(jì)方案。

2.1 硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件電路主要需要滿足上述系統(tǒng)總體功能要求，如4G網(wǎng)絡(luò)模塊數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程發(fā)送、實(shí)時(shí)溫度檢測(cè)和設(shè)備掉電狀態(tài)檢測(cè)等需求。通過(guò)查詢相關(guān)資料，可以選用SIM7600CE的4G模塊能夠?qū)崿F(xiàn)4G網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程發(fā)送。另外，考慮到系統(tǒng)掉電后還能向外發(fā)送報(bào)警數(shù)據(jù)，系統(tǒng)需要內(nèi)置鋰電池供電，在單片機(jī)選型方面需要考慮低功耗的芯片。另外，需要對(duì)制冷設(shè)備實(shí)時(shí)溫度檢測(cè)，可以選用數(shù)字式溫度傳感器DHT22，既可以檢測(cè)溫度，還可以測(cè)量濕度，且最低可以測(cè)量-40 ℃，可以滿足絕大部分制冷設(shè)備的制冷溫度測(cè)量。下面將從核心器件以及相關(guān)模塊電路設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹和分析。

2.1.1 STM32L052R8T6單片機(jī)簡(jiǎn)介

STM32L052R8T6是一款超低功耗32位ARM? Cortex?-M0+內(nèi)核單片機(jī)，主頻（MAX)32 MHz，F(xiàn)LAHROM容量64 KB，RAM容量8 KB，EEPROM容量2 KB，4個(gè)16位定時(shí)器、1個(gè)8位定時(shí)器、16×12 bit的A/D轉(zhuǎn)換、1×12 bit的D/A輸出、2個(gè)SPI接口、1個(gè)USB接口、2個(gè)USART串口和1路PWM輸出等標(biāo)準(zhǔn)接口特性，工作電壓1.65～3.6 V，適應(yīng)溫度范圍為-40～85 ℃[2]。

2.1.2 SIM7600CE-T 4G模塊簡(jiǎn)介

SIM7600CE-T 4G模塊是一款支持LTE-TDD/LTE-FDD/HSPA+/TD-SCDMA/EVDO和GSM/GPRS/EDGE等頻段，支持LTE CAT4（下行速度為150 Mbps，上行50 Mbps），支持分集天線，支持GPS和北斗定位功能，支持低功耗實(shí)現(xiàn)SMS和數(shù)據(jù)信息的傳輸，支持AT命令控制，供電電壓3.4～4.2 V，適應(yīng)溫度范圍為-40～85 ℃[3]。

2.1.3 DHT22溫濕度傳感器簡(jiǎn)介

DHT22數(shù)字式低功耗單總線溫濕度傳感器，電源供電電壓為3.3～6 V，溫度測(cè)量范圍-40～80 ℃，溫度測(cè)量分辨率0.1 ℃（16 bit），濕度測(cè)量分辨率0.1%RH（16bit）。

2.1.4 TP4059電池充電芯片簡(jiǎn)介

TP4059是一款完整的雙燈指示線性鋰離子電池充電控制芯片，支持600 mA的可編程鋰電池充電電流，內(nèi)部采用PMOSFET架構(gòu)，具有鋰電池正負(fù)極反接保護(hù)功能，最高輸入可達(dá)9 V，精度達(dá)到±1%的4.2 V預(yù)設(shè)充電電壓，充滿電壓固定于4.2 V，當(dāng)電池達(dá)到4.2 V之后，充電電流降至設(shè)定值1/10，TP4059將自動(dòng)終止充電，當(dāng)輸入端電源電壓為0時(shí)，TP4059自動(dòng)進(jìn)入一個(gè)低電流狀態(tài)，電池漏電流在2 μA以下。

2.1.5 硬件電路組成

系統(tǒng)硬件電路組成部分包含單片機(jī)主機(jī)控制系統(tǒng)、溫度傳感器、SIM7600CE-T 4G模塊、供電狀態(tài)掉電檢測(cè)電路、鋰電池充電電路、系統(tǒng)電源電路等部分，硬件框圖見圖1。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

下面具體介紹組成電路結(jié)構(gòu)原理。

（1）單片機(jī)主控電路：基于STM32L052R8T6單片機(jī)為控制核心，協(xié)調(diào)各組成電路模塊協(xié)同工作，主要負(fù)責(zé)將檢測(cè)的制冷設(shè)備制冷溫度數(shù)據(jù)與設(shè)定的正常值進(jìn)行比對(duì)，判斷是否出現(xiàn)異常，以及對(duì)電源供電狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)；如果出現(xiàn)異常，系統(tǒng)立即發(fā)出聲光報(bào)警，并控制4G網(wǎng)絡(luò)通信模塊遠(yuǎn)程發(fā)送報(bào)警信息給用戶。

（2）4G網(wǎng)絡(luò)通信模塊：采用SIM7600CE-T 4G模塊，使用串口與單片機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)將報(bào)警信息遠(yuǎn)程發(fā)送給用戶。

（3）溫度檢測(cè)電路：采用單總線DHT22數(shù)字式溫濕度傳感器，實(shí)時(shí)精確監(jiān)測(cè)制冷設(shè)備制冷溫度。最低溫度可檢測(cè)到-40 ℃。

（4）供電狀態(tài)掉電檢測(cè)電路：對(duì)電冰箱的電源供電端電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)電源輸入電壓消失時(shí)，觸發(fā)單片機(jī)發(fā)出掉電報(bào)警提示信息，輸入端電源電壓恢復(fù)正常后，自動(dòng)消除掉電報(bào)警提示。

（5）鋰電池充電電路：采用基于TP4059的典型鋰電池充電電路，見圖2。實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)置的鋰電池進(jìn)行充電管理，以提高鋰電池使用壽命。

圖2 典型TP4059鋰電池充電電路

（6）系統(tǒng)電源電路：采用基于MT3608開關(guān)電源輸出5V電源為SIM7600CE-T以及其他相關(guān)電路供電，再通過(guò)LM117-3.3線性LDO電源穩(wěn)壓輸出3.3 V電源為STM32L052R8T6單片機(jī)等供電。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，主要實(shí)現(xiàn)硬件系統(tǒng)檢測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，并控制相關(guān)模塊電路作出相應(yīng)操作處理。單片機(jī)系統(tǒng)需要先進(jìn)行端口配置，配置需要與4G模塊通信的串口通信的波特率，以及其他初始化處理；啟動(dòng)SIM7600CE-T 4G網(wǎng)絡(luò)模塊聯(lián)網(wǎng)，讀取數(shù)字溫度傳感器的實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)，以及制冷設(shè)備電源供電狀態(tài)，用戶可以通過(guò)遠(yuǎn)程發(fā)送查詢命令，將當(dāng)前系統(tǒng)檢測(cè)到的溫度、供電狀態(tài)通過(guò)4G模塊遠(yuǎn)程發(fā)送給用戶實(shí)時(shí)查看；考慮到不同制冷設(shè)備的使用場(chǎng)合不同，用戶可以遠(yuǎn)程發(fā)送預(yù)置的正常溫度上下限值，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)的實(shí)時(shí)溫度不在正常范圍內(nèi)或發(fā)生掉電情況時(shí)，本機(jī)立即發(fā)出聲光報(bào)警提示，并向用戶遠(yuǎn)程發(fā)送異常報(bào)警信息。軟件流程圖見圖3。

圖3 軟件流程圖

（1）系統(tǒng)初始化程序：主要完成單片機(jī)初始化配置，如I/O設(shè)置、定時(shí)器、中斷和串口波特率設(shè)置等。

（2）4G網(wǎng)絡(luò)模塊程序：主要完成4G模塊初始化，單片機(jī)使用串口發(fā)送AT命令，并啟動(dòng)4G模塊聯(lián)網(wǎng)，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸。

（3）溫度檢測(cè)程序：DHT22為數(shù)字式單總線溫度傳感器，僅需1個(gè)單片機(jī)I/O口，即可對(duì)DHT22溫度傳感器進(jìn)行操作，采用串行數(shù)據(jù)傳輸方式，讀取當(dāng)前實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)。系統(tǒng)對(duì)當(dāng)前檢測(cè)的溫度與預(yù)置的正常溫度范圍進(jìn)行比對(duì)，如超出正常范圍，立即發(fā)出溫度異常報(bào)警信息。

（4）供電狀態(tài)檢測(cè)程序：供電狀態(tài)檢測(cè)模塊，將供電狀態(tài)輸出為開關(guān)量信號(hào)，高電平為正常供電狀態(tài)；低電平為掉電狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)為低電平時(shí)，為了防止誤報(bào)警，系統(tǒng)等待10 s再次檢查是否還是為低電平，若再次檢測(cè)仍然為低電平，則已確認(rèn)確實(shí)為掉電狀態(tài)，系統(tǒng)立即發(fā)出本機(jī)聲光報(bào)警和遠(yuǎn)程發(fā)送掉電狀態(tài)報(bào)警信息，提醒用戶及時(shí)處理。

（5）系統(tǒng)遠(yuǎn)程狀態(tài)查詢程序：考慮到用戶能實(shí)時(shí)掌握制冷設(shè)備工作狀態(tài)，系統(tǒng)支持用戶遠(yuǎn)程發(fā)送查詢命令，系統(tǒng)將當(dāng)前檢測(cè)到的溫度和供電狀態(tài)的實(shí)時(shí)信息，通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)模塊遠(yuǎn)程發(fā)送給用戶。

3 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)介紹了制冷設(shè)備掉電及監(jiān)測(cè)異常遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)報(bào)警系統(tǒng)，利用智能物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)制冷設(shè)備的供電狀態(tài)以及制冷室內(nèi)部制冷實(shí)時(shí)溫度，掌握冰箱工作是否異常，當(dāng)出現(xiàn)異常時(shí)通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)模塊遠(yuǎn)程發(fā)送數(shù)據(jù)，將報(bào)警信息發(fā)送給用戶，可以解決制冷設(shè)備由于突然出現(xiàn)故障，或由于掉電，在用戶未察覺情況下造成了存儲(chǔ)在制冷設(shè)備中物品變質(zhì)的問(wèn)題。