冷藏車車廂多點(diǎn)溫度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周業(yè)興，張曉莉

（東風(fēng)柳州汽車有限公司技術(shù)中心，廣西柳州545100）

冷藏車是冷鏈物流在貯藏運(yùn)輸環(huán)節(jié)中最關(guān)鍵的基礎(chǔ)設(shè)施。在實(shí)際運(yùn)輸過程中，制冷機(jī)組單組故障或保溫材料局部破損老化，都可能使得車廂內(nèi)局部溫度過高，達(dá)不到冷藏要求，導(dǎo)致貨物變質(zhì)引發(fā)物流損失。

傳統(tǒng)系統(tǒng)往往只將單個(gè)傳感器置于車廂某處，只能實(shí)現(xiàn)溫度的單點(diǎn)監(jiān)測。然而當(dāng)車廂容積超過一定值后，單點(diǎn)監(jiān)測難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)局部溫度過高的問題。若同時(shí)布控多個(gè)傳統(tǒng)溫度傳感器，則系統(tǒng)成本過高，且每個(gè)傳感器均需電源、地與信號3根線纜才能正常工作，導(dǎo)致系統(tǒng)布線復(fù)雜，潛在故障點(diǎn)增加，不便維護(hù)。

因此，提升下位機(jī)的帶載能力設(shè)計(jì)，選擇一款體積小、便于放置的單總線溫度傳感器，布置在保溫材料易破損處及車廂內(nèi)的關(guān)鍵位置，即可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)監(jiān)測，又可節(jié)省布線成本，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，有效地預(yù)防物流損失的發(fā)生。

1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

1.1 單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20

為減少溫度傳感器工作對整車其他電氣設(shè)備的電磁干擾，同時(shí)提高溫度信息傳輸?shù)目垢蓴_性，方便布線，本系統(tǒng)選用美國DALLAS公司生產(chǎn)的DS18B20數(shù)字溫度傳感器作為溫度測量設(shè)備。

DS18B20可測溫度范圍為－10℃～＋80℃，能夠滿足冷藏車的監(jiān)測需求，且封裝種類多、體積小，典型封裝的體積只相當(dāng)于一塊手表用電池。其可以提供9位數(shù)字溫度讀數(shù)，在掛載數(shù)量不多的情況下，從中央處理器到DS18B20僅需連接一條線（地線也要連接），讀、寫和完成溫度變換所需的電源，可以由數(shù)據(jù)線本身提供，而不需專設(shè)電源線及外部電源。

每個(gè)DS18B20有唯一的系列號，1臺監(jiān)測下位機(jī)可以帶多個(gè)DS18B20，可滿足多點(diǎn)監(jiān)測需求。

1.2 系統(tǒng)原理圖

系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

供電方面，可采用24 V轉(zhuǎn)5 V的DC-DC模塊，實(shí)現(xiàn)將商用車24 V電源轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)需要的5 V直流穩(wěn)壓電源，但成本過高。

也可采用前裝商用車控制器常用的降成本電源策略，即利用電阻搭建分壓電路，先將24 V降壓到8～12 V，之后再采用常見的LM7805CT穩(wěn)壓芯片，為系統(tǒng)提供＋5 V穩(wěn)壓電源，電阻分壓電路在此不再贅述。

CPU采用Atmel 89S51工業(yè)單片機(jī)?？垢蓴_設(shè)計(jì)方面，采用了MAX813L“看門狗”芯片，每隔1.6 s會自動向CPU發(fā)送復(fù)位信號，確保主程序不會長時(shí)間跑“飛”。同時(shí)在主程序正常執(zhí)行的情況下，每隔1 s左右改變MAX813L的復(fù)位信號電平，保證系統(tǒng)正常工作時(shí)不會總是不停地復(fù)位，而在受到巨大的電磁干擾時(shí)，又能在最長1.6 s的時(shí)間內(nèi)復(fù)位并重新執(zhí)行主程序。

外觀方面，設(shè)置了電源指示燈D1、正常工作指示燈D2、通信指示燈D3，可方便直觀地顯示系統(tǒng)工作狀態(tài)。與傳感器的連接方面，可以利用DS18B20的單總線優(yōu)勢，只從主機(jī)引出“地”及“電源”2根線。其中數(shù)字信號與電源共線傳輸，從而減少多點(diǎn)監(jiān)測的布線成本。

圖1 系統(tǒng)原理圖

當(dāng)對成本要求不太嚴(yán)格的情況下，為保證系統(tǒng)的帶載能力，也可將“電源線”、“地線”和“數(shù)據(jù)線”這3條線同時(shí)引出，與掛載DS18B20的電纜連接，如圖中J2口所示。所有的DS18B20并聯(lián)連接，可根據(jù)需要在不同的待測溫度位置安裝。

與上位機(jī)的通信方面，需根據(jù)監(jiān)控需要設(shè)計(jì)。對于傳統(tǒng)的聲光報(bào)警監(jiān)控，只需將指示燈設(shè)置在儀表臺上，同時(shí)在主機(jī)內(nèi)配置蜂鳴器，當(dāng)溫度超過預(yù)設(shè)值時(shí)，則報(bào)警提示駕駛員注意。

但這種設(shè)計(jì)只有為每個(gè)傳感器都設(shè)置一個(gè)報(bào)警指示燈，才能發(fā)揮分散監(jiān)測的優(yōu)勢及意義，這樣勢必會使儀表臺布置繁雜。

根據(jù)現(xiàn)代物流對于“足不出戶便可知曉車輛信息”的監(jiān)控需要，可通過無線網(wǎng)絡(luò)傳遞溫度信息。下位機(jī)設(shè)置在單臺車輛上，實(shí)現(xiàn)溫度信息的采集及無線通信信號的轉(zhuǎn)換傳輸，由于無線傳輸不受距離限制，因此只需在監(jiān)控室內(nèi)設(shè)置接收無線信號的調(diào)制解調(diào)器，便可實(shí)現(xiàn)物流運(yùn)營單位的室內(nèi)監(jiān)控需求，將冷藏車廂的各點(diǎn)實(shí)時(shí)溫度這一重要信息，與車輛位置、油壓、胎壓等各種待監(jiān)控信息一起，組成單臺車輛的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)。

無線網(wǎng)絡(luò)選擇方面，對于城際物流，可選擇無線“Internet”網(wǎng)絡(luò)，室內(nèi)的監(jiān)控界面可根據(jù)需要靈活設(shè)計(jì)；對于車輛可能進(jìn)入郊區(qū)、農(nóng)村、山區(qū)等無線“Internet”網(wǎng)絡(luò)暫未覆蓋地區(qū)的情況，可以選擇目前覆蓋面最廣的無線網(wǎng)絡(luò)—無線移動通信網(wǎng)絡(luò)，但監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的接收形式會受到一定的限制。

目前市場上現(xiàn)有的采用通信網(wǎng)絡(luò)的無線監(jiān)控，是將待監(jiān)控信息以手機(jī)短信的形式傳輸。由于上層監(jiān)控系統(tǒng)的要求各不相同，在此選擇了最具代表性并便于系統(tǒng)調(diào)試的串口通信方式。

為提高串口通信波特率，采用頻率為22.1184 MHz的外部晶振。通信部分采用MAX232芯片實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的通信連接。經(jīng)MAX232的電平轉(zhuǎn)換后，將單片機(jī)串口的TTL電平轉(zhuǎn)換成RS232電平。同時(shí)系統(tǒng)設(shè)置了手動復(fù)位開關(guān)，可方便靈活地使系統(tǒng)復(fù)位。

1.3 提高掛載能力的措施

為提高系統(tǒng)掛載能力，使每臺下位機(jī)能掛載較多的傳感器，可采取以下兩個(gè)方面的措施：

（1）系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方面。如圖1所示，將DS18B20的電源引腳與系統(tǒng)電源線連接，為傳感器提供足夠的工作電流，這樣DS18B20就無需從數(shù)據(jù)線上獲取工作電源。同時(shí)，在控制單元與DS18B20連接的數(shù)據(jù)線引腳另加上拉電阻，以增加單片機(jī)I/O口的驅(qū)動能力。

（2）工程布線方面。實(shí)際應(yīng)用中，連接線存在電阻，而每個(gè)DS18B20的輸入電阻為500 kΩ，普通電纜的電阻約為2 Ω/m，因此連接線的電阻，不是影響掛載能力的主要因素。但由于連接線用于通信后存在分布電容，使得總線上電平轉(zhuǎn)換的時(shí)間延長，打亂了DS18B20的工作時(shí)序，嚴(yán)重時(shí)會影響正常通信，因此限制了掛載距離。

實(shí)驗(yàn)證明，在按（1）中所述方法改進(jìn)了硬件設(shè)計(jì)后，使用普通電纜時(shí)，與某個(gè)下位機(jī)連接長度僅能限制在8 m以內(nèi)，才能保證正常穩(wěn)定地通信，這顯然不符合實(shí)際需要。

這一問題可以通過使用帶屏蔽的雙鉸線代替普通電纜來解決。此時(shí)信號電流在兩根內(nèi)導(dǎo)線上流動，噪聲電流在屏蔽層里流動，因此消除了公共阻抗的耦合，而任何干擾將同時(shí)感應(yīng)到兩根導(dǎo)線上，使噪聲相消，最遠(yuǎn)距離可達(dá)160 m。使用每單位長度鉸合次數(shù)更多的電纜，可以使掛載距離進(jìn)一步增加。

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

2.1 功能描述

每個(gè)DS18B20數(shù)字溫度計(jì)，包括一個(gè)唯一的64位長的ROM編碼，即ID系列號。具體需要對某個(gè)DS18B20進(jìn)行控制時(shí)，需要先在總線上“寫”其ID號，它才能識別且對控制命令做出響應(yīng)。這是單總線數(shù)字溫度計(jì)與普通溫度傳感器的重要區(qū)別之一。因此系統(tǒng)程序包括兩個(gè)部分：

第一部分——讀取DS18B20的ID號碼；

第二部分——讀溫度并與上位機(jī)通信。

一個(gè)典型的 ID 號為“0×28，0×70，0×88，0×EA，0×00，0×00，0×00，0×21”。其中開始的 8 位是單線產(chǎn)品系列編碼，所有的DS18B20都一樣為“28”，接著的48位是唯一的系列號，最后8位是前56位的循環(huán)校驗(yàn)碼。

2.2 讀溫度并與上位機(jī)通信的程序

共包括“控制DS18B20并讀溫度”和“與主機(jī)通信的協(xié)議轉(zhuǎn)換”兩個(gè)功能。主程序需定義實(shí)際掛載的DS18B20的ID號碼數(shù)組。上位機(jī)與下位機(jī)通信程序流程圖如圖2所示。

圖2 讀溫度并與上位機(jī)通信流程圖

一種典型的主從式串口通信協(xié)議如下：

（1）總則。主從式通信，主從雙方均采用異步串口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無奇偶校驗(yàn)位。波特率115200 bps，采用TTL電平標(biāo)準(zhǔn)。通信雙方采用報(bào)文作為基本傳輸單位，一條報(bào)文包括若干字節(jié)。

（2）主機(jī)→從機(jī)。主機(jī)采用廣播方式發(fā)送所有報(bào)文，所有從機(jī)同時(shí)收到主機(jī)發(fā)出的每一條報(bào)文。主機(jī)報(bào)文格式如表1所列。

表1 主機(jī)報(bào)文格式表

（3）從機(jī)→主機(jī)。所有從機(jī)共用一條發(fā)送總線，任意時(shí)刻只允許一個(gè)從機(jī)占用。從機(jī)報(bào)文格式與主機(jī)相同，只需將目標(biāo)地址碼該為源地址碼即可。

3 結(jié)束語

本文采用Atmel 89S51單片機(jī)作為控制單元、DS18B20作為溫度測量傳感器，根據(jù)冷鏈物流對于冷藏車輛狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控的需求，并針對大型商用車對電氣系統(tǒng)電磁兼容性能要求高的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)時(shí)采集數(shù)字溫度信息，并與上位機(jī)通信的溫度監(jiān)測下位機(jī)。

該系統(tǒng)布線方便，且能根據(jù)需要靈活地增減傳感器數(shù)量，實(shí)現(xiàn)了對大型冷藏車輛車廂內(nèi)多點(diǎn)溫度信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測，解決了及時(shí)發(fā)現(xiàn)車廂保溫材料破損及制冷機(jī)組故障的問題，為車輛設(shè)備維護(hù)管理提供了重要參考依據(jù)，并有效降低了物流損失。

[1]張毅剛，彭喜源.MCS-51單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2001.

[2]何立民.單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)選編[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1996.