景小萍，李玉峰

（1.青島光電醫(yī)療科技有限公司，山東 青島 266107；2.青島海威物聯(lián)科技有限公司，山東 青島 266042）

0 引 言

隨著科技發(fā)展水平的提高，人們對(duì)物品工藝參數(shù)的要求越來(lái)越嚴(yán)格。為保證物品的工藝品質(zhì)，對(duì)其移動(dòng)運(yùn)輸過(guò)程中的溫控管理越來(lái)越緊迫和嚴(yán)格。傳統(tǒng)的物品溫控管理是采用在設(shè)備表面安裝測(cè)溫傳感器，然后人工讀取并記錄溫度數(shù)據(jù)后再把數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳的模式。該模式存在設(shè)備表面安裝傳感器困難、數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性和共享性較差、人工參與后數(shù)據(jù)可信度較低、不能實(shí)現(xiàn)物品移動(dòng)過(guò)程中溫度數(shù)據(jù)和運(yùn)動(dòng)軌跡的實(shí)時(shí)監(jiān)控等問(wèn)題。本文設(shè)計(jì)的基于SIM7600的無(wú)線定位測(cè)溫終端，通過(guò)采用SIM7600實(shí)現(xiàn)將物品定位數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳到上位機(jī)管理系統(tǒng)解決了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和真實(shí)性難題，通過(guò)采用MLX90614在實(shí)現(xiàn)非接觸式無(wú)線紅外測(cè)溫功能的同時(shí)解決了現(xiàn)場(chǎng)傳感器現(xiàn)場(chǎng)安裝難題。另外，該設(shè)備支持電池供電和外接電源供電，在使用過(guò)程中具有安裝施工簡(jiǎn)單、位置和溫度數(shù)據(jù)上傳及時(shí)準(zhǔn)確、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)無(wú)需人工干預(yù)的特點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

微控制器根據(jù)預(yù)先設(shè)定的數(shù)據(jù)采集頻率實(shí)時(shí)讀取被測(cè)物品的溫度和位置信息，通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)將相關(guān)信息實(shí)時(shí)發(fā)送到上位機(jī)管理平臺(tái)。當(dāng)上行4G網(wǎng)絡(luò)不通或服務(wù)器異常時(shí)，將相關(guān)數(shù)據(jù)本地存儲(chǔ)，待上行網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)后將數(shù)據(jù)批量上傳，以保證歷史數(shù)據(jù)不丟失，同時(shí)根據(jù)運(yùn)算及設(shè)定情況作出相應(yīng)的狀態(tài)指示。本文設(shè)計(jì)的無(wú)線定位測(cè)溫終端系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

系統(tǒng)主要由微控制器電路、電源電路、存儲(chǔ)電路、紅外測(cè)溫電路、時(shí)鐘電路、4G/北斗定位通信電路、串行通信電路、LED信號(hào)指示電路和看門(mén)狗復(fù)位電路組成。電源電路采用雙電源設(shè)計(jì)，既可以電池供電，又可以外接電源供電，完成對(duì)各功能模塊供電，并進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換和電源切換。存儲(chǔ)電路一是存儲(chǔ)終端信息，二是和時(shí)鐘電路一起配合完成對(duì)設(shè)備采集運(yùn)行過(guò)程沒(méi)有上傳到上位機(jī)的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行本地存儲(chǔ)；紅外測(cè)溫電路完成對(duì)被測(cè)物品的非接觸式溫度測(cè)量，并將測(cè)量后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成與微控制器約定好的數(shù)據(jù)類(lèi)型和格式；4G/北斗定位通信電路一是完成終端本地的經(jīng)度和緯度位置信息測(cè)定，二是完成和系統(tǒng)上位機(jī)的

圖2 電源輸入電路

數(shù)據(jù)通信；LED信號(hào)指示電路主要對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的各種信號(hào)及工作狀態(tài)進(jìn)行指示；看門(mén)狗復(fù)位電路是為保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行而設(shè)置的。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 電源電路

為解決物品運(yùn)輸載體無(wú)外接電源或外接電源施工困難的情形，本方案設(shè)計(jì)中采用電池供電和外接電源供電雙電源供電電路。在有外接電源的地方用外接電源供電，沒(méi)有外接電源的地方用電池供電，系統(tǒng)的電源輸入電路部分如圖2所示。

電 路 中，JP1、F1、D1、U1、U2、C1、C2組 成 外接電源供電電路，U1選用支持超寬電壓輸入的DC/DC電源模塊URB2405YMD，外接DC電源電壓9～36 V，輸出功率10 W，具備輸入欠壓、過(guò)流過(guò)壓保護(hù)功能；BT1、U3、R2、R3、D2等組成了電池供電輸入電路，其中BT1選用的是7.2 V的鋰電池組，經(jīng)U3、R2和R3的變換后轉(zhuǎn)換成5.7 V，經(jīng)D2后變成系統(tǒng)的二次主電壓等級(jí)5 V，Q1、R1、R9、R10組成控制部分，當(dāng)不需要電池供電時(shí)關(guān)閉轉(zhuǎn)換電路，延長(zhǎng)電池的使用時(shí)間。

2.2 紅外測(cè)溫電路

紅外測(cè)溫電路的設(shè)計(jì)及傳感器選型是本測(cè)溫設(shè)備的一個(gè)核心單元。為應(yīng)對(duì)使用場(chǎng)景豐富、移動(dòng)測(cè)溫的實(shí)際需求，本著體積小、精度高、測(cè)溫范圍寬、易校準(zhǔn)、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的原則，選用了MLX90614傳感器。MLX90614是Melexis公司生產(chǎn)的一款使用方便、免校正的高精度紅外測(cè)溫傳感器，具有高精度、寬測(cè)溫范圍、可直接輸出經(jīng)過(guò)環(huán)境溫度補(bǔ)償?shù)耐耆€性化數(shù)字溫度等特點(diǎn)，精度可達(dá)到±0.5%，溫度分辨率可達(dá)到0.02 ℃[1]，完全滿足本設(shè)計(jì)要求的技術(shù)指標(biāo)。系統(tǒng)應(yīng)用電路如圖3所示。

圖3 紅外測(cè)溫應(yīng)用電路

2.3 4G/北斗定位通信電路

4G/北斗定位通信電路主要完成經(jīng)緯度數(shù)據(jù)獲取及與上位機(jī)管理系統(tǒng)進(jìn)行通信工作。本設(shè)計(jì)采用SIMCOM公司的4G全功能通信模塊SIM7600CE-T。該模塊采用Mini-PCIE封裝，方面更換模塊及后續(xù)產(chǎn)品功能升級(jí)，支持電信聯(lián)通移動(dòng)4G、3G、2G，支持GPS/GLONASS/BD，開(kāi)闊地帶定位精度高于2.5 m。和傳統(tǒng)的4G模塊+GPS定位模塊分離器件相比，它的一體化機(jī)構(gòu)更加緊湊，綜合功耗更低，使用更加簡(jiǎn)單[2]。系統(tǒng)應(yīng)用電路如圖4所示。

該模塊通過(guò)三線制的串行口和微控制器進(jìn)行通信，通過(guò)AT指令獲取模塊的定位數(shù)據(jù)和發(fā)送相關(guān)數(shù)據(jù)到上位機(jī)管理平臺(tái)。針對(duì)該模塊的定位功能應(yīng)用，本設(shè)計(jì)重點(diǎn)使用AT命令“AT+CGPSINFOCFG”，配置時(shí)只讓模塊返回輸出“$GPRMC”的相關(guān)數(shù)據(jù)，其中的一條數(shù)據(jù)為“$GNRMC,022845.00,A,3608.76611,N,12023.11618,E,0.000,,010420,,,A,V*1D”。該條數(shù)據(jù)包含了系統(tǒng)的經(jīng)度信息、緯度信息、系統(tǒng)時(shí)間和系統(tǒng)日期，內(nèi)容能完全滿足系統(tǒng)定位功能需要。

2.4 存儲(chǔ)電路

圖4 4G/北斗定位通信電路

存儲(chǔ)電路主要完成系統(tǒng)本機(jī)參數(shù)存儲(chǔ)、系統(tǒng)運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)暫存等功能。本設(shè)計(jì)中選用I2C接口的容量為2 MB的大容量鐵電存儲(chǔ)器FM24V20，數(shù)據(jù)按條進(jìn)行存儲(chǔ)和讀取，一條數(shù)據(jù)共計(jì)20 Bytes，具體的數(shù)據(jù)格式如表1所示。

表1 存儲(chǔ)數(shù)據(jù)格式

實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，一條數(shù)據(jù)按照20 Bytes進(jìn)行設(shè)計(jì)。選用的鐵電存儲(chǔ)器FM24V20可按位進(jìn)行寫(xiě)入和讀取，共計(jì)256 kB的容量，預(yù)留1 kB的系統(tǒng)參數(shù)存儲(chǔ)空間。在數(shù)據(jù)域共有255 kB的存儲(chǔ)空間，共計(jì)可存儲(chǔ)255×1 024/20=13 056（條）數(shù)據(jù)。按照5 min讀取存儲(chǔ)一條數(shù)據(jù)，共計(jì)可存儲(chǔ)45天的歷史數(shù)據(jù)，完全滿足現(xiàn)場(chǎng)歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)需求。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用了模塊化的分層設(shè)計(jì)思想，按照硬件電路功能模塊編寫(xiě)相應(yīng)的硬件驅(qū)動(dòng)函數(shù)，按照軟件應(yīng)用功能編寫(xiě)相應(yīng)的可移植、復(fù)用程度高的功能應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)軟件設(shè)計(jì)的易維護(hù)和高效率[3]。本系統(tǒng)軟件采用前后臺(tái)系統(tǒng)，應(yīng)用系統(tǒng)中斷來(lái)及時(shí)處理相應(yīng)的事件。主要功能函數(shù)有系統(tǒng)初始化函數(shù)、讀取并處理紅外傳感器數(shù)據(jù)函數(shù)、讀取并處理北斗定位數(shù)據(jù)函數(shù)以及網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)判斷等函數(shù)。系統(tǒng)流程如圖5所示。

系統(tǒng)上電啟動(dòng)后，首先進(jìn)行硬件IO、I2C、串行通信等功能模塊的初始化，完成紅外通信電路模塊設(shè)定、4G通信及定位模塊工作模式設(shè)定等，開(kāi)啟相應(yīng)中斷，等待相應(yīng)中斷事件，進(jìn)而調(diào)用相應(yīng)的終端處理函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

圖5 軟件系統(tǒng)流程圖

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)的基于SIM7600的無(wú)線定位測(cè)溫終端，通過(guò)采用無(wú)線紅外傳感器MLX90614和無(wú)線4G定位模塊SIM7600CE-T，通過(guò)采用電池供電和外接電源雙電源供電模式，解決了物品在移動(dòng)或運(yùn)輸過(guò)程中的工藝溫控管理難題，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備安裝簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)上傳及時(shí)規(guī)范，同時(shí)上傳的數(shù)據(jù)和地理位置進(jìn)行綁定，避免了人為干擾數(shù)據(jù)情況的發(fā)生。經(jīng)測(cè)試表明，該設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定、易于安裝、適用性強(qiáng)，紅外測(cè)溫精度高于0.5 ℃，開(kāi)闊地帶北斗定位精度高于3 m，在實(shí)際應(yīng)用推廣中具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)價(jià)值。