摘要：為了實現(xiàn)對藥品冷藏運輸及配送過程中溫度變化的實時記錄，介紹了一種低功耗冷鏈溫度記錄儀的軟硬件設(shè)計方法。溫度記錄儀硬件包括溫度數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)讀取及處理、數(shù)據(jù)存儲3個部分，其功能分別由數(shù)字溫度傳感器STT$75、低功耗微控制器STM8L101F3，以及具有I2C和RF雙接口的數(shù)據(jù)存儲器M24LR64完成。軟件編程采用模塊化思想，通過對STTS75、STM8L101F3工作模式配置可以實現(xiàn)系統(tǒng)低功耗運。M24L-R64內(nèi)存儲的溫度數(shù)據(jù)在需要時可以通過射頻方式讀出。
關(guān)鍵詞：M24LR64；冷鏈；溫度記錄儀；低功耗
引言
隨著工業(yè)化技術(shù)的不斷發(fā)展，疫苗、生物制劑和藥品等對溫度敏感的商品在加工、儲存、運輸、銷售等過程中，需要對各個過程中的溫度參數(shù)進行記錄跟蹤，以保證產(chǎn)品質(zhì)量，這就是冷鏈體系。藥品冷鏈由冷凍加工、冷凍貯藏、冷藏運輸及配送、冷凍銷售4個方面構(gòu)成，而在冷藏運輸及配送環(huán)節(jié)最容易出現(xiàn)問題。藥品冷藏運輸及配送需要溫度保持在2～8℃范圍內(nèi)，而原有監(jiān)測技術(shù)手段滯后是最大的技術(shù)瓶頸。為了保證在藥品冷藏運輸及配送環(huán)節(jié)實現(xiàn)溫度監(jiān)控，克服實時性差、監(jiān)管脫節(jié)、取證和責(zé)任界定困難的不足，本文設(shè)計了一種可實現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)自動存儲、非接觸式讀出的冷鏈溫度記錄儀。
1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及功能
1．1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
冷鏈溫度記錄儀主要由溫度傳感器、微控制器和數(shù)據(jù)存儲器組成，如圖1所示。整個系統(tǒng)基本工作流程是：首先溫度傳感器利用內(nèi)部A／D轉(zhuǎn)換器將采集的溫度值轉(zhuǎn)換后得到相對應(yīng)的數(shù)字量，接收到微控制器發(fā)出的串行時鐘脈沖(SCL)和讀數(shù)據(jù)指令后通過I2C總線將數(shù)據(jù)傳送至微控制器，微控制器對溫度傳感器傳送的數(shù)據(jù)進行相應(yīng)處理，然后微控制器向存儲器發(fā)出串行時鐘脈沖(SCL)和寫數(shù)據(jù)指令，通過I2C總線將數(shù)據(jù)存儲于數(shù)據(jù)存儲器內(nèi)。
1．2 系統(tǒng)功能
冷鏈溫度記錄儀應(yīng)用在藥品冷藏運輸及配送環(huán)節(jié)，需要考慮產(chǎn)品的耐溫性能、續(xù)航時間、數(shù)據(jù)存儲能力，因此器件選擇需要考慮器件適用溫度范圍、數(shù)據(jù)傳輸方式和速度、功耗等多方面因素。溫度記錄儀應(yīng)當具有以下功能：
◆測量溫度范圍2～8℃，測量精度±0．5℃。
◆系統(tǒng)功耗低，續(xù)航時間長。
◆數(shù)據(jù)存儲空間大，數(shù)據(jù)讀取方便。
◆體積小，便于安裝。
◆更換電池方便，價格低，可循環(huán)使用。
2 硬件電路設(shè)計
2．1 器件選型
(1)溫度傳感器
溫度傳感器選用ST(意法半導(dǎo)體)公司生產(chǎn)的STTS75數(shù)字溫度傳感器，它內(nèi)置一個9～12位A／D轉(zhuǎn)換器，溫度測量范圍-55～125℃，供電電壓為2．7～5．5 V，在3．3 V電壓下工作電流為75 mA。STTS75有8個引腳，A2、A1、A0三個引腳可實現(xiàn)8個傳感器共用同一條總線而不會發(fā)生地址沖突(地址為1001A2A1A0)，SCL、SDA通過I2C總線可以將傳感器配置為比較模式、中斷模式、關(guān)閉模式和單發(fā)模式。在單發(fā)模式下，通過對數(shù)據(jù)的間歇性采集，可以達到降低功耗的目的。首先將傳感器設(shè)置為關(guān)閉模式(shut-up mode，電流只有1μA)，當微控制器發(fā)送信號啟動單發(fā)模式后采集一次溫度數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集完成后自動進入關(guān)閉模式，即傳感器處于休眠狀態(tài)。
(2)微控制器
微控制器選用ST公司的8位低功耗單片機STM8L101F3，它具有16 MHz RC振蕩器和38 kHzRC振蕩器，8 KB Flash，3種低功耗模式，具有自動喚醒功能，供電電壓1．65～3．6 V。STM8L101F3具有5．1μA低功耗工作模式、3．0μA低功耗等待模式、1．2μA暫停模式、350 nA停止模式4種電源管理模式。在暫停模式下可以利用自動喚醒單元(AWU)設(shè)置自動喚醒時間間隔。
(3)數(shù)據(jù)存儲器
數(shù)據(jù)存儲器選用ST公司2010年新推出的M24LR64，它是一款內(nèi)置標準I2C串口和ISO15693標準RF接口的EEPROM存儲器，供電電壓1．8～5．5V，具有64位唯一標識符(UID)，I2C傳輸頻率為400kHz，RF傳輸載波頻率13．56MHz，存儲器容量64KB，采集數(shù)據(jù)可保留40年。M24LR64有8個引腳，SCL、SDA通過I2C總線實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲，E1、E0為器件選擇碼(b2b1位)，在不接的情況下默認為0，AC0、AC1為天線線圈連接端。M-24LR64提供一個ISO15693標準的RF接口，可與RFID閱讀器進行無線通信。ISO15693是一種無源RFID標準，能同時從RF系統(tǒng)獲取電能和數(shù)據(jù)。在RF模式下，讀寫M24LR64不需要電源，從而節(jié)省板上電源，輕松、便捷地?zé)o線存取電子產(chǎn)品參數(shù)。
2．2 硬件系統(tǒng)工作原理
冷鏈溫度記錄儀由溫度傳感器、微控制器和數(shù)據(jù)存儲器組成，硬件電路如圖2所示。溫度傳感器STTS75、微控制器STM8L101F3和數(shù)據(jù)存儲器M24LR64都是低功耗產(chǎn)品，3 V紐扣電池即可實現(xiàn)冷鏈溫度記錄儀系統(tǒng)供電。系統(tǒng)上電后，微控制器STM8L101F3首先實現(xiàn)初始化操作，通過I2C總線向STTS75內(nèi)部配置寄存器(Configuration Register)寫入配置信息，使其工作模式為關(guān)閉模式、模／數(shù)轉(zhuǎn)換為9位模式，然后STM8 L101F3向配置寄存器寫入數(shù)據(jù)使sTTS75處于單發(fā)模式。STTS75進行一次溫度數(shù)據(jù)采集，在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成后將自動進入關(guān)閉模式，等待下一次喚醒。接著STM8L101F3從溫度寄存器(Temperature Register)內(nèi)讀取溫度數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)處理，繼而通過I2C總線將處理后的數(shù)據(jù)寫入M24LR 64內(nèi)，最后進入暫停模式。經(jīng)過AWU設(shè)置的延時時間后，STM8L101F3將自動喚醒，向STTS75發(fā)送配置信息使其進入單發(fā)模式，然后讀取數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)，并將處理后數(shù)據(jù)存入M24LR64的下一空間內(nèi)，接著進入暫停模式。周而復(fù)始即可實現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)在固定時間間隔內(nèi)的采集、處理和存儲。
3 軟件設(shè)計
軟件開發(fā)環(huán)境選用ST Visual Develop(STVD)IDE，軟件設(shè)計采取模塊化思想，主要由溫度數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)存儲3個部分組成。系統(tǒng)上電后首先進行傳感器和M24LR64的初始化，然后對傳感器進行配置，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)束后進行數(shù)據(jù)讀取，然后將數(shù)據(jù)存儲于M24LR64內(nèi)，數(shù)據(jù)存儲完成后進人暫停模式，AWU功能啟用，延時一段時間后將自動喚醒微控制器重復(fù)以上操作，具體流程如圖3所示。
冷鏈溫度記錄儀程序主要由傳感器初始化函數(shù)、M24LR64初始化函數(shù)、傳感器配置函數(shù)、讀傳感器數(shù)據(jù)函數(shù)、溫度數(shù)據(jù)處理函數(shù)和寫M24LR64程序組成。在程序起始的時候需要定義I2C傳輸速度，聲明傳感器和M24LR64的地址以及M24LR64寫入數(shù)據(jù)的起始地址。傳感器配置函數(shù)主要進行ADC輸出數(shù)據(jù)位數(shù)(9，10，12)和傳感器模式(shutdown，one-shot)配置。
部分主要代碼如下：
結(jié)語
本文設(shè)計了一種由低功耗微控制器STM8L101F3、數(shù)字溫度傳感器STTS75和數(shù)據(jù)存儲器M24LR64構(gòu)成的冷鏈溫度記錄儀。經(jīng)測試表明：記錄儀測量精度為±0．5℃，記錄時間間隔可自行設(shè)置(1 s～255 min)，可以記錄8192組溫度數(shù)據(jù)，由3 V紐扣鋰電池供電，在記錄間隔設(shè)置在10 s以上的情況下，可以使用1年(室溫環(huán)境)、3個月(冷藏環(huán)境)。與傳統(tǒng)的冷鏈溫度記錄儀利用RS-232、I2C、SD卡、USB方式讀取數(shù)據(jù)相比，利用M24LR64實現(xiàn)的冷鏈溫度記錄儀具有電路硬件少、結(jié)構(gòu)簡單、低功耗、低成本、高穩(wěn)定性、自行設(shè)定數(shù)據(jù)采集間隔、存儲空間大、RF方式讀取數(shù)據(jù)、電池更換方便、可循環(huán)利用、不需要打開包裝、易于管理等諸多優(yōu)點，可以廣泛應(yīng)用在食品、藥品、鮮花等物品的冷藏運輸及配送環(huán)節(jié)，并且將STTS75的工作方式稍加修改就可以用于恒溫箱的溫度監(jiān)控系統(tǒng)中，具有廣泛的實際應(yīng)用前景。
下載文檔
