基于樹(shù)莓派研制小型無(wú)線(xiàn)溫升監(jiān)控裝置

楊 杰

（福建省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)研究院，福建 福州 350002）

1 溫升監(jiān)控需求分析

溫升試驗(yàn)作為電氣設(shè)備的基礎(chǔ)特性試驗(yàn)，電學(xué)類(lèi)試驗(yàn)室需要對(duì)各類(lèi)產(chǎn)品進(jìn)行大量試驗(yàn)，工作量大，且溫升試驗(yàn)需要?dú)v時(shí)數(shù)小時(shí)，額定電流大的樣品若設(shè)計(jì)不合理，試驗(yàn)過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致樣品、外接導(dǎo)線(xiàn)、銅排等溫度飆升，試驗(yàn)存在風(fēng)險(xiǎn)，因此需要檢驗(yàn)員全程在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控。若能夠加入有效的監(jiān)控措施，保證試驗(yàn)安全的同時(shí)讓檢驗(yàn)員可以離開(kāi)現(xiàn)場(chǎng)，僅需要在間隔時(shí)間內(nèi)進(jìn)行查看，則可以提升檢驗(yàn)員工作效率，對(duì)檢測(cè)機(jī)構(gòu)帶來(lái)實(shí)際利益提升。

目前檢測(cè)機(jī)構(gòu)常用的溫升檢測(cè)設(shè)備由于其點(diǎn)數(shù)、精度要求，同時(shí)配備顯示器實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)值、溫升曲線(xiàn)的實(shí)時(shí)查看，體積較大，且需要市電供電，設(shè)備本身擺放位置受限，因此為保證大型樣品熱電偶布置到位，熱電偶需要設(shè)計(jì)三至五米，數(shù)十根熱電偶交織纏繞，導(dǎo)致設(shè)備使用較繁瑣。由于文中所設(shè)計(jì)的設(shè)備滿(mǎn)足溫度監(jiān)控而非測(cè)試需求，精度無(wú)需太高，且由于可以通過(guò)手機(jī)遠(yuǎn)程查看，無(wú)需搭配顯示器。因此若能夠?qū)⒃O(shè)備體積減小，功耗降低，用移動(dòng)電源驅(qū)動(dòng)，在使用上則會(huì)十分方便，使其除溫升試驗(yàn)外，同時(shí)可用于其他試驗(yàn)的電源端溫度監(jiān)控，保障各類(lèi)大電流試驗(yàn)安全，應(yīng)用場(chǎng)合大大增加。

2 無(wú)線(xiàn)溫升監(jiān)控設(shè)備硬件設(shè)計(jì)

2.1 MAX6675芯片模組介紹

MAX6675芯片專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)用于溫度測(cè)量，廣泛應(yīng)用于車(chē)載部件溫度監(jiān)控，可以將K型熱電偶采集的電壓差信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，支持SPI協(xié)議通信，引腳圖如圖1所示，其中T+(3)、T-(2)引腳分別接至K型熱電偶正負(fù)極，VCC（4）引腳接3.3V-5V電壓信號(hào)，用于為芯片供電，GND（1）引腳接地，SCK（5）為時(shí)鐘信號(hào)引腳，CS（6）為片選信號(hào)，SO（7）為芯片輸出引腳，N.C（8）為空。

圖1 MAX6675引腳圖

圖2 MAX6675時(shí)序圖

圖3 MAX6675芯片組件

MAX6675芯片工作的時(shí)序圖如圖2所示，當(dāng)片選信號(hào)CS出現(xiàn)下降沿，即由1至0時(shí)，芯片輸出16位信號(hào)D15-D0，根據(jù)芯片使用原理，其中D15為虛擬位；D14-D3為12位的溫升信號(hào)；D2顯示熱電偶狀態(tài)，若開(kāi)路，則為1，正常工作時(shí)，為0；D1提供MAX6675的身份標(biāo)識(shí)，為0；D0是三態(tài)輸出。根據(jù)原理可知，正常工作狀態(tài)下，需要讀取D14-D3的二進(jìn)制數(shù)值，轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制后，經(jīng)過(guò)公式：1023.75×采集到的十進(jìn)制/4095進(jìn)行計(jì)算，即可得出測(cè)量的溫度值，由公式可直觀(guān)地了解到，該芯片的精度為0.25℃，且讀取范圍為0℃～1023.75℃。[2]

2.2 樹(shù)莓派介紹

樹(shù)莓派Zero為本裝置設(shè)計(jì)主體元件，引腳如圖4所示，序號(hào)19、21、23、24、26為SPI通信引腳，其中24、26為片選信號(hào)。[1]對(duì)比圖1、圖4，可大致了解引腳之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即MAX6675的VCC、GND引腳分別接至樹(shù)莓派中任意3V與GND，SCK(5)與SO(7)接至樹(shù)莓派SCLK(23)與MISO(21)。

圖4 樹(shù)莓派引腳圖

片選信號(hào)的實(shí)現(xiàn)則是該項(xiàng)目的難點(diǎn)，由引腳圖可知，樹(shù)莓派僅有兩個(gè)支持SPI通信協(xié)議的片選信號(hào)，即CE0(24)、CE1(26)，則僅可支持與2個(gè)MAX6675芯片進(jìn)行通信，只能實(shí)現(xiàn)兩個(gè)溫升點(diǎn)的采集，而本項(xiàng)目希望設(shè)計(jì)8個(gè)，數(shù)量不夠。雖然樹(shù)莓派SPI片選引腳僅有兩個(gè)，但GPIO引腳有29個(gè)，因此若能夠通過(guò)GPIO模擬出片選信號(hào)，即可擺脫片選引腳數(shù)量限制，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)溫升監(jiān)控。分析圖2中MAX6675時(shí)序圖可知，CS片選信號(hào)實(shí)際是一個(gè)下降沿，因此僅需讓GPIO輸出由1轉(zhuǎn)0，則可模擬出所需的片選信號(hào)，經(jīng)實(shí)際測(cè)試，該方法可行。

2.3 無(wú)線(xiàn)溫升監(jiān)控設(shè)備制作

本項(xiàng)目采用AutoDesk的EAGLE將樹(shù)莓派與MAX6675組件相連接的PCB板的設(shè)計(jì)，難點(diǎn)在于EAGLE的庫(kù)中沒(méi)有樹(shù)莓派Zero的模型，因此需要根據(jù)實(shí)際尺寸進(jìn)行焊盤(pán)的精準(zhǔn)排布，且充分考慮MAX6675芯片組件之間的距離，讓其能夠在不超過(guò)樹(shù)莓派Zero尺寸的板中，實(shí)現(xiàn)8個(gè)組件的布置。[3]

由于EAGLE庫(kù)中沒(méi)有樹(shù)莓派與MAX6675的模型，因此只能直接在原理圖中加入足夠數(shù)量的點(diǎn)位，通過(guò)對(duì)比實(shí)際情況進(jìn)行連線(xiàn)，連線(xiàn)遵照上文的搭建原理，保證每個(gè)MAX6675芯片模組的引腳均對(duì)應(yīng)相應(yīng)的樹(shù)莓派引腳即可，可以根據(jù)實(shí)際位置靈活選擇VCC、GND以及GPIO引腳，但必須保證8塊模組的時(shí)鐘信號(hào)SCK、輸出信號(hào)SO全部與樹(shù)莓派上對(duì)應(yīng)的接口相連。

將MAX6675模塊配套熱電偶頂端螺釘剪除，用電焊機(jī)將兩根導(dǎo)線(xiàn)點(diǎn)焊，即可保證熱電偶在任何表面均可通過(guò)502膠進(jìn)行布置。

最終制作完成的PCB板，上排40個(gè)焊盤(pán)對(duì)應(yīng)樹(shù)莓派的40個(gè)引腳，下方8組焊盤(pán)則用于焊接MAX6675芯片組件，實(shí)際焊接后設(shè)備如圖5所示，由右側(cè)鋼卷尺所示可見(jiàn)，該設(shè)備體積小，三維僅有65mm×30mm×50mm，在有WIFI信號(hào)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，一塊3000mAh的移動(dòng)電源即可滿(mǎn)足數(shù)十小時(shí)的溫升試驗(yàn)監(jiān)控工作，沒(méi)有WIFI信號(hào)覆蓋可通過(guò)內(nèi)置移動(dòng)電源的MIFI設(shè)備配合，供電同時(shí)提供無(wú)線(xiàn)信號(hào)。

圖5 設(shè)備

3 無(wú)線(xiàn)溫升監(jiān)控設(shè)備軟件設(shè)計(jì)

3.1 樹(shù)莓派Python程序編寫(xiě)

3.1.1 程序構(gòu)成分析

根據(jù)硬件部分內(nèi)容介紹，可知MAX6675芯片的測(cè)溫原理為在片選信號(hào)CS出現(xiàn)下降沿時(shí)，采集2個(gè)字節(jié)信號(hào)，也就是16位二進(jìn)制信號(hào)，通過(guò)截取其中的D14-D3，并轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制數(shù)，經(jīng)過(guò)計(jì)算即可得出溫升數(shù)值。為了擺脫樹(shù)莓派SPI通信協(xié)議片選引腳數(shù)量限制，通過(guò)GPIO口模擬下降沿，從而實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)溫升數(shù)據(jù)采集的可能。

在程序初段，需要將用于模擬MAX6675片選信號(hào)的8個(gè)GPIO引腳設(shè)置為高電平，之后依次將8個(gè)GPIO引腳降為低電平，即模擬下降沿，讀取2個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)后再恢復(fù)高電平。實(shí)際測(cè)試中，樹(shù)莓派讀取到的為兩個(gè)字節(jié)的十進(jìn)制，需要將其轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制，通過(guò)公式取出其中需要的13位，再二次轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制，即可完成一輪數(shù)據(jù)采集。

采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)公式：1023.75×采集到的十進(jìn)制/4095進(jìn)行計(jì)算，得出溫度值，通過(guò)Python庫(kù)中的GET方法與服務(wù)器進(jìn)行通信，將采集到的8個(gè)溫度數(shù)據(jù)內(nèi)容通過(guò)網(wǎng)址的形式傳遞給服務(wù)器，傳遞完成后，間隔10s，進(jìn)行下一輪采集。

圖6 程序邏輯流程圖

3.1.2 程序編寫(xiě)

實(shí)際編寫(xiě)好的程序如圖7所示，其中程序初始的“GPIO.setup(3,GPIO.OUT, initial =GPIO.HIGH)”為設(shè)置樹(shù)莓派引腳3初始值為高電平的指令；“GPIO.output(3,GPIO.LOW)”為設(shè)置引腳3為低電平的指令，緊接著“data1=spi.readbytes（2）”用于讀取兩字節(jié)數(shù)據(jù)并賦值給“data1”，之后通過(guò)“GPIO.output(3,GPIO.HIGH)”

圖7 樹(shù)莓派內(nèi)Python代碼

將引腳恢復(fù)高電平。則完成了片選信號(hào)對(duì)應(yīng)樹(shù)莓派引腳3的MAX6675芯片所采集數(shù)據(jù)的讀取。

代碼中“for i in range(0,8):”循環(huán)即為將采集到的8個(gè)2字節(jié)數(shù)據(jù)進(jìn)行二進(jìn)制轉(zhuǎn)換，截取其中的13位，再轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制并進(jìn)行公式計(jì)算的過(guò)程，最終輸出8個(gè)溫度數(shù)據(jù)并以數(shù)組形式賦值給“data”。

與服務(wù)器通信采用GET請(qǐng)求，代碼為“url='http://www.jie731.xyz/updateTe m?a=update&b='+str(data[0])+','+……+str(data[7])”即將請(qǐng)求內(nèi)容放在url中，通過(guò)對(duì)a與b的賦值，將“data”數(shù)組中的8個(gè)數(shù)據(jù)傳遞給服務(wù)器，服務(wù)器即可進(jìn)行判斷與存儲(chǔ)，之后通過(guò)“res=urllib2.urlopen(req).read()”讀取服務(wù)器返回?cái)?shù)據(jù)并賦值給“res”，服務(wù)器若判斷此時(shí)溫度正常，返回“continue”，若判斷超過(guò)預(yù)警值，返回“stop”。當(dāng)判斷出現(xiàn)“stop”指令時(shí)，若此時(shí)通過(guò)GPIO引腳外接繼電器，可通過(guò)“GPIO.cleanup()”代碼將所有GPIO引腳關(guān)閉，外接的繼電器失去電壓后則可讓分勵(lì)線(xiàn)圈電源失電，斷開(kāi)主開(kāi)關(guān)。[1]

3.2 微信小程序制作

3.2.1 微信小程序設(shè)計(jì)

圖8 免責(zé)聲明

圖9 操作界面

設(shè)計(jì)小程序運(yùn)行邏輯如下：

（1）用戶(hù)進(jìn)入操作界面時(shí)，從緩存中讀取手機(jī)號(hào)數(shù)據(jù)，若用戶(hù)沒(méi)有設(shè)置過(guò)手機(jī)號(hào)，說(shuō)明為首次使用，彈窗免責(zé)聲明，并配套輸入框要求輸入手機(jī)號(hào)，測(cè)試手機(jī)號(hào)位數(shù)準(zhǔn)確后正式進(jìn)入操作界面，并將手機(jī)號(hào)寫(xiě)入緩存，以便下次使用；

（2）操作界面清晰顯示8個(gè)溫度數(shù)據(jù)，為保證用戶(hù)能夠更加直觀(guān)掌握現(xiàn)狀，不同程度的溫度值進(jìn)行顏色區(qū)分：溫度低于設(shè)定值30%為藍(lán)色，30%-70%為橙色，超過(guò)70%為紅色；

（3）更新數(shù)據(jù)的操作設(shè)計(jì)為下拉刷新，與大部分智能手機(jī)軟件的操作邏輯一致，操作直觀(guān)簡(jiǎn)便，刷新后的數(shù)據(jù)若出現(xiàn)超過(guò)70%設(shè)定值的情況，手機(jī)震動(dòng)警告用戶(hù)留意；

（4）點(diǎn)擊任意溫度顯示值，可進(jìn)行預(yù)警值設(shè)置操作；

（5）軟件底部10%的界面，作簡(jiǎn)單文字說(shuō)明，同時(shí)將用戶(hù)設(shè)定的預(yù)警值顯示與此。

確定好操作邏輯，則可進(jìn)行操作界面實(shí)際設(shè)計(jì)，此處直接展示最終手機(jī)截圖效果，如圖8、圖9。

3.2.2 微信小程序與服務(wù)器端代碼編寫(xiě)原理

如前文所述，樹(shù)莓派、微信小程序均采用GET請(qǐng)求的方式與服務(wù)器交換數(shù)據(jù)，即需要將數(shù)據(jù)包含在url內(nèi)，樹(shù)莓派代碼部分有介紹，通過(guò)包含在“a”內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行身份識(shí)別，此處“search”即表示此時(shí)為小程序向服務(wù)器提出查詢(xún)申請(qǐng)，“alarm”表示小程序向服務(wù)器提出修改預(yù)警值申請(qǐng)。

圖10 服務(wù)器NodeJS代碼

服務(wù)器端也需要相應(yīng)的代碼進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，代碼如圖10所示，其中“router.get()”即表示該段代碼用于處理GET請(qǐng)求，“req.query.a”就是前段發(fā)送的數(shù)據(jù)“a”，如上文所述，“update”表示為樹(shù)莓派向服務(wù)器提交溫度數(shù)據(jù)申請(qǐng)更新數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容，“search”表示微信小程序向服務(wù)器提出溫度值查詢(xún)要求，“alarm”表示微信小程序向服務(wù)器提出更新預(yù)警值要求。圖6代碼為判斷“a”值為“update”時(shí)的操作，即樹(shù)莓派向數(shù)據(jù)庫(kù)發(fā)送溫度數(shù)據(jù)，要求服務(wù)器對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行更新，此時(shí)服務(wù)器需要將溫度數(shù)據(jù)存進(jìn)數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)讀取數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的溫度預(yù)警值，與8個(gè)溫度數(shù)值逐一比較，若發(fā)現(xiàn)超過(guò)預(yù)警值，執(zhí)行發(fā)送短信的操作，并返回給樹(shù)莓派“stop”，若一切正常，返回“continue”。[3]

4 結(jié)語(yǔ)

該設(shè)備能夠保證檢驗(yàn)員在溫升試驗(yàn)過(guò)程中能夠隨時(shí)隨地通過(guò)手機(jī)刷新當(dāng)前溫升數(shù)據(jù)，若溫升超過(guò)預(yù)設(shè)的警戒值，能夠收到短信警報(bào)提醒，同時(shí)可通過(guò)外接繼電器遠(yuǎn)程分?jǐn)嗷蜃詣?dòng)分?jǐn)鄮Х謩?lì)線(xiàn)圈的主開(kāi)關(guān)，保證試驗(yàn)安全。

其實(shí)用意義并不僅限于溫升試驗(yàn)，電氣行業(yè)有許多大電流試驗(yàn)，在試驗(yàn)設(shè)備高負(fù)荷工作時(shí)，有效及時(shí)的溫度監(jiān)控必不可少，然而大部分試驗(yàn)設(shè)備并不具備溫度的自我監(jiān)控能力，因此若有類(lèi)似監(jiān)控設(shè)備的加入，能夠清楚了解試驗(yàn)設(shè)備的工作狀態(tài)，及時(shí)終止試驗(yàn)或增加試驗(yàn)間隔以保證設(shè)備工作溫度在安全范圍內(nèi)，保障試驗(yàn)安全的同時(shí)延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。