冷藏車車廂多點溫度監測系統設計

周業興，張曉莉

（東風柳州汽車有限公司技術中心，廣西柳州545100）

冷藏車是冷鏈物流在貯藏運輸環節中最關鍵的基礎設施。在實際運輸過程中，制冷機組單組故障或保溫材料局部破損老化，都可能使得車廂內局部溫度過高，達不到冷藏要求，導致貨物變質引發物流損失。

傳統系統往往只將單個傳感器置于車廂某處，只能實現溫度的單點監測。然而當車廂容積超過一定值后，單點監測難以及時發現局部溫度過高的問題。若同時布控多個傳統溫度傳感器，則系統成本過高，且每個傳感器均需電源、地與信號3根線纜才能正常工作，導致系統布線復雜，潛在故障點增加，不便維護。

因此，提升下位機的帶載能力設計，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的關鍵位置，即可實現多點監測，又可節省布線成本，從而及時發現故障，有效地預防物流損失的發生。

1 系統的硬件設計

1.1 單總線數字溫度傳感器DS18B20

為減少溫度傳感器工作對整車其他電氣設備的電磁干擾，同時提高溫度信息傳輸的抗干擾性，方便布線，本系統選用美國DALLAS公司生產的DS18B20數字溫度傳感器作為溫度測量設備。

DS18B20可測溫度范圍為－10℃～＋80℃，能夠滿足冷藏車的監測需求，且封裝種類多、體積小，典型封裝的體積只相當于一塊手表用電池。其可以提供9位數字溫度讀數，在掛載數量不多的情況下，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，可以由數據線本身提供，而不需專設電源線及外部電源。

每個DS18B20有唯一的系列號，1臺監測下位機可以帶多個DS18B20，可滿足多點監測需求。

1.2 系統原理圖

系統原理圖如圖1所示。

供電方面，可采用24 V轉5 V的DC-DC模塊，實現將商用車24 V電源轉換為系統需要的5 V直流穩壓電源，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穩壓芯片，為系統提供＋5 V穩壓電源，電阻分壓電路在此不再贅述。

CPU采用Atmel 89S51工業單片機。抗干擾設計方面，采用了MAX813L“看門狗”芯片，每隔1.6 s會自動向CPU發送復位信號，確保主程序不會長時間跑“飛”。同時在主程序正常執行的情況下，每隔1 s左右改變MAX813L的復位信號電平，保證系統正常工作時不會總是不停地復位，而在受到巨大的電磁干擾時，又能在最長1.6 s的時間內復位并重新執行主程序。

外觀方面，設置了電源指示燈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工作狀態。與傳感器的連接方面，可以利用DS18B20的單總線優勢，只從主機引出“地”及“電源”2根線。其中數字信號與電源共線傳輸，從而減少多點監測的布線成本。

圖1 系統原理圖

當對成本要求不太嚴格的情況下，為保證系統的帶載能力，也可將“電源線”、“地線”和“數據線”這3條線同時引出，與掛載DS18B20的電纜連接，如圖中J2口所示。所有的DS18B20并聯連接，可根據需要在不同的待測溫度位置安裝。

與上位機的通信方面，需根據監控需要設計。對于傳統的聲光報警監控，只需將指示燈設置在儀表臺上，同時在主機內配置蜂鳴器，當溫度超過預設值時，則報警提示駕駛員注意。

但這種設計只有為每個傳感器都設置一個報警指示燈，才能發揮分散監測的優勢及意義，這樣勢必會使儀表臺布置繁雜。

根據現代物流對于“足不出戶便可知曉車輛信息”的監控需要，可通過無線網絡傳遞溫度信息。下位機設置在單臺車輛上，實現溫度信息的采集及無線通信信號的轉換傳輸，由于無線傳輸不受距離限制，因此只需在監控室內設置接收無線信號的調制解調器，便可實現物流運營單位的室內監控需求，將冷藏車廂的各點實時溫度這一重要信息，與車輛位置、油壓、胎壓等各種待監控信息一起，組成單臺車輛的工作狀態數據。

無線網絡選擇方面，對于城際物流，可選擇無線“Internet”網絡，室內的監控界面可根據需要靈活設計；對于車輛可能進入郊區、農村、山區等無線“Internet”網絡暫未覆蓋地區的情況，可以選擇目前覆蓋面最廣的無線網絡—無線移動通信網絡，但監控數據的接收形式會受到一定的限制。

目前市場上現有的采用通信網絡的無線監控，是將待監控信息以手機短信的形式傳輸。由于上層監控系統的要求各不相同，在此選擇了最具代表性并便于系統調試的串口通信方式。

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芯片實現與PC機的通信連接。經MAX232的電平轉換后，將單片機串口的TTL電平轉換成RS232電平。同時系統設置了手動復位開關，可方便靈活地使系統復位。

1.3 提高掛載能力的措施

為提高系統掛載能力，使每臺下位機能掛載較多的傳感器，可采取以下兩個方面的措施：

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

（2）工程布線方面。實際應用中，連接線存在電阻，而每個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，使得總線上電平轉換的時間延長，打亂了DS18B20的工作時序，嚴重時會影響正常通信，因此限制了掛載距離。

實驗證明，在按（1）中所述方法改進了硬件設計后，使用普通電纜時，與某個下位機連接長度僅能限制在8 m以內，才能保證正常穩定地通信，這顯然不符合實際需要。

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。此時信號電流在兩根內導線上流動，噪聲電流在屏蔽層里流動，因此消除了公共阻抗的耦合，而任何干擾將同時感應到兩根導線上，使噪聲相消，最遠距離可達160 m。使用每單位長度鉸合次數更多的電纜，可以使掛載距離進一步增加。

2 系統的軟件設計

2.1 功能描述

每個DS18B20數字溫度計，包括一個唯一的64位長的ROM編碼，即ID系列號。具體需要對某個DS18B20進行控制時，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。這是單總線數字溫度計與普通溫度傳感器的重要區別之一。因此系統程序包括兩個部分：

第一部分——讀取DS18B20的ID號碼；

第二部分——讀溫度并與上位機通信。

一個典型的 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位的循環校驗碼。

2.2 讀溫度并與上位機通信的程序

共包括“控制DS18B20并讀溫度”和“與主機通信的協議轉換”兩個功能。主程序需定義實際掛載的DS18B20的ID號碼數組。上位機與下位機通信程序流程圖如圖2所示。

圖2 讀溫度并與上位機通信流程圖

一種典型的主從式串口通信協議如下：

（1）總則。主從式通信，主從雙方均采用異步串口進行數據通信，1位起始位，8位數據位，1位停止位，無奇偶校驗位。波特率115200 bps，采用TTL電平標準。通信雙方采用報文作為基本傳輸單位，一條報文包括若干字節。

（2）主機→從機。主機采用廣播方式發送所有報文，所有從機同時收到主機發出的每一條報文。主機報文格式如表1所列。

表1 主機報文格式表

（3）從機→主機。所有從機共用一條發送總線，任意時刻只允許一個從機占用。從機報文格式與主機相同，只需將目標地址碼該為源地址碼即可。

3 結束語

本文采用Atmel 89S51單片機作為控制單元、DS18B20作為溫度測量傳感器，根據冷鏈物流對于冷藏車輛狀態實時監控的需求，并針對大型商用車對電氣系統電磁兼容性能要求高的實際情況，設計了一個實時采集數字溫度信息，并與上位機通信的溫度監測下位機。

該系統布線方便，且能根據需要靈活地增減傳感器數量，實現了對大型冷藏車輛車廂內多點溫度信息的實時監測，解決了及時發現車廂保溫材料破損及制冷機組故障的問題，為車輛設備維護管理提供了重要參考依據，并有效降低了物流損失。

[1]張毅剛，彭喜源.MCS-51單片機應用設計[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2001.

[2]何立民.單片機應用技術選編[M].北京：北京航空航天大學出版社，1996.