基于樹莓派研制小型無線溫升監控裝置

楊 杰

（福建省產品質量檢驗研究院，福建 福州 350002）

1 溫升監控需求分析

溫升試驗作為電氣設備的基礎特性試驗，電學類試驗室需要對各類產品進行大量試驗，工作量大，且溫升試驗需要歷時數小時，額定電流大的樣品若設計不合理，試驗過程中會導致樣品、外接導線、銅排等溫度飆升，試驗存在風險，因此需要檢驗員全程在現場監控。若能夠加入有效的監控措施，保證試驗安全的同時讓檢驗員可以離開現場，僅需要在間隔時間內進行查看，則可以提升檢驗員工作效率，對檢測機構帶來實際利益提升。

目前檢測機構常用的溫升檢測設備由于其點數、精度要求，同時配備顯示器實現溫度數值、溫升曲線的實時查看，體積較大，且需要市電供電，設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，熱電偶需要設計三至五米，數十根熱電偶交織纏繞，導致設備使用較繁瑣。由于文中所設計的設備滿足溫度監控而非測試需求，精度無需太高，且由于可以通過手機遠程查看，無需搭配顯示器。因此若能夠將設備體積減小，功耗降低，用移動電源驅動，在使用上則會十分方便，使其除溫升試驗外，同時可用于其他試驗的電源端溫度監控，保障各類大電流試驗安全，應用場合大大增加。

2 無線溫升監控設備硬件設計

2.1 MAX6675芯片模組介紹

MAX6675芯片專門設計用于溫度測量，廣泛應用于車載部件溫度監控，可以將K型熱電偶采集的電壓差信號轉化為數字信號，支持SPI協議通信，引腳圖如圖1所示，其中T+(3)、T-(2)引腳分別接至K型熱電偶正負極，VCC（4）引腳接3.3V-5V電壓信號，用于為芯片供電，GND（1）引腳接地，SCK（5）為時鐘信號引腳，CS（6）為片選信號，SO（7）為芯片輸出引腳，N.C（8）為空。

圖1 MAX6675引腳圖

圖2 MAX6675時序圖

圖3 MAX6675芯片組件

MAX6675芯片工作的時序圖如圖2所示，當片選信號CS出現下降沿，即由1至0時，芯片輸出16位信號D15-D0，根據芯片使用原理，其中D15為虛擬位；D14-D3為12位的溫升信號；D2顯示熱電偶狀態，若開路，則為1，正常工作時，為0；D1提供MAX6675的身份標識，為0；D0是三態輸出。根據原理可知，正常工作狀態下，需要讀取D14-D3的二進制數值，轉化為十進制后，經過公式：1023.75×采集到的十進制/4095進行計算，即可得出測量的溫度值，由公式可直觀地了解到，該芯片的精度為0.25℃，且讀取范圍為0℃～1023.75℃。[2]

2.2 樹莓派介紹

樹莓派Zero為本裝置設計主體元件，引腳如圖4所示，序號19、21、23、24、26為SPI通信引腳，其中24、26為片選信號。[1]對比圖1、圖4，可大致了解引腳之間的對應關系，即MAX6675的VCC、GND引腳分別接至樹莓派中任意3V與GND，SCK(5)與SO(7)接至樹莓派SCLK(23)與MISO(21)。

圖4 樹莓派引腳圖

片選信號的實現則是該項目的難點，由引腳圖可知，樹莓派僅有兩個支持SPI通信協議的片選信號，即CE0(24)、CE1(26)，則僅可支持與2個MAX6675芯片進行通信，只能實現兩個溫升點的采集，而本項目希望設計8個，數量不夠。雖然樹莓派SPI片選引腳僅有兩個，但GPIO引腳有29個，因此若能夠通過GPIO模擬出片選信號，即可擺脫片選引腳數量限制，實現多點溫升監控。分析圖2中MAX6675時序圖可知，CS片選信號實際是一個下降沿，因此僅需讓GPIO輸出由1轉0，則可模擬出所需的片選信號，經實際測試，該方法可行。

2.3 無線溫升監控設備制作

本項目采用AutoDesk的EAGLE將樹莓派與MAX6675組件相連接的PCB板的設計，難點在于EAGLE的庫中沒有樹莓派Zero的模型，因此需要根據實際尺寸進行焊盤的精準排布，且充分考慮MAX6675芯片組件之間的距離，讓其能夠在不超過樹莓派Zero尺寸的板中，實現8個組件的布置。[3]

由于EAGLE庫中沒有樹莓派與MAX6675的模型，因此只能直接在原理圖中加入足夠數量的點位，通過對比實際情況進行連線，連線遵照上文的搭建原理，保證每個MAX6675芯片模組的引腳均對應相應的樹莓派引腳即可，可以根據實際位置靈活選擇VCC、GND以及GPIO引腳，但必須保證8塊模組的時鐘信號SCK、輸出信號SO全部與樹莓派上對應的接口相連。

將MAX6675模塊配套熱電偶頂端螺釘剪除，用電焊機將兩根導線點焊，即可保證熱電偶在任何表面均可通過502膠進行布置。

最終制作完成的PCB板，上排40個焊盤對應樹莓派的40個引腳，下方8組焊盤則用于焊接MAX6675芯片組件，實際焊接后設備如圖5所示，由右側鋼卷尺所示可見，該設備體積小，三維僅有65mm×30mm×50mm，在有WIFI信號的實驗環境下，一塊3000mAh的移動電源即可滿足數十小時的溫升試驗監控工作，沒有WIFI信號覆蓋可通過內置移動電源的MIFI設備配合，供電同時提供無線信號。

圖5 設備

3 無線溫升監控設備軟件設計

3.1 樹莓派Python程序編寫

3.1.1 程序構成分析

根據硬件部分內容介紹，可知MAX6675芯片的測溫原理為在片選信號CS出現下降沿時，采集2個字節信號，也就是16位二進制信號，通過截取其中的D14-D3，并轉化為十進制數，經過計算即可得出溫升數值。為了擺脫樹莓派SPI通信協議片選引腳數量限制，通過GPIO口模擬下降沿，從而實現多點溫升數據采集的可能。

在程序初段，需要將用于模擬MAX6675片選信號的8個GPIO引腳設置為高電平，之后依次將8個GPIO引腳降為低電平，即模擬下降沿，讀取2個字節數據后再恢復高電平。實際測試中，樹莓派讀取到的為兩個字節的十進制，需要將其轉化為二進制，通過公式取出其中需要的13位，再二次轉化為十進制，即可完成一輪數據采集。

采集到的數據通過公式：1023.75×采集到的十進制/4095進行計算，得出溫度值，通過Python庫中的GET方法與服務器進行通信，將采集到的8個溫度數據內容通過網址的形式傳遞給服務器，傳遞完成后，間隔10s，進行下一輪采集。

圖6 程序邏輯流程圖

3.1.2 程序編寫

實際編寫好的程序如圖7所示，其中程序初始的“GPIO.setup(3,GPIO.OUT, initial =GPIO.HIGH)”為設置樹莓派引腳3初始值為高電平的指令；“GPIO.output(3,GPIO.LOW)”為設置引腳3為低電平的指令，緊接著“data1=spi.readbytes（2）”用于讀取兩字節數據并賦值給“data1”，之后通過“GPIO.output(3,GPIO.HIGH)”

圖7 樹莓派內Python代碼

將引腳恢復高電平。則完成了片選信號對應樹莓派引腳3的MAX6675芯片所采集數據的讀取。

代碼中“for i in range(0,8):”循環即為將采集到的8個2字節數據進行二進制轉換，截取其中的13位，再轉化為十進制并進行公式計算的過程，最終輸出8個溫度數據并以數組形式賦值給“data”。

與服務器通信采用GET請求，代碼為“url='http://www.jie731.xyz/updateTe m?a=update&b='+str(data[0])+','+……+str(data[7])”即將請求內容放在url中，通過對a與b的賦值，將“data”數組中的8個數據傳遞給服務器，服務器即可進行判斷與存儲，之后通過“res=urllib2.urlopen(req).read()”讀取服務器返回數據并賦值給“res”，服務器若判斷此時溫度正常，返回“continue”，若判斷超過預警值，返回“stop”。當判斷出現“stop”指令時，若此時通過GPIO引腳外接繼電器，可通過“GPIO.cleanup()”代碼將所有GPIO引腳關閉，外接的繼電器失去電壓后則可讓分勵線圈電源失電，斷開主開關。[1]

3.2 微信小程序制作

3.2.1 微信小程序設計

圖8 免責聲明

圖9 操作界面

設計小程序運行邏輯如下：

（1）用戶進入操作界面時，從緩存中讀取手機號數據，若用戶沒有設置過手機號，說明為首次使用，彈窗免責聲明，并配套輸入框要求輸入手機號，測試手機號位數準確后正式進入操作界面，并將手機號寫入緩存，以便下次使用；

（2）操作界面清晰顯示8個溫度數據，為保證用戶能夠更加直觀掌握現狀，不同程度的溫度值進行顏色區分：溫度低于設定值30%為藍色，30%-70%為橙色，超過70%為紅色；

（3）更新數據的操作設計為下拉刷新，與大部分智能手機軟件的操作邏輯一致，操作直觀簡便，刷新后的數據若出現超過70%設定值的情況，手機震動警告用戶留意；

（4）點擊任意溫度顯示值，可進行預警值設置操作；

（5）軟件底部10%的界面，作簡單文字說明，同時將用戶設定的預警值顯示與此。

確定好操作邏輯，則可進行操作界面實際設計，此處直接展示最終手機截圖效果，如圖8、圖9。

3.2.2 微信小程序與服務器端代碼編寫原理

如前文所述，樹莓派、微信小程序均采用GET請求的方式與服務器交換數據，即需要將數據包含在url內，樹莓派代碼部分有介紹，通過包含在“a”內的數據進行身份識別，此處“search”即表示此時為小程序向服務器提出查詢申請，“alarm”表示小程序向服務器提出修改預警值申請。

圖10 服務器NodeJS代碼

服務器端也需要相應的代碼進行數據交換，代碼如圖10所示，其中“router.get()”即表示該段代碼用于處理GET請求，“req.query.a”就是前段發送的數據“a”，如上文所述，“update”表示為樹莓派向服務器提交溫度數據申請更新數據庫內容，“search”表示微信小程序向服務器提出溫度值查詢要求，“alarm”表示微信小程序向服務器提出更新預警值要求。圖6代碼為判斷“a”值為“update”時的操作，即樹莓派向數據庫發送溫度數據，要求服務器對數據庫進行更新，此時服務器需要將溫度數據存進數據庫，同時讀取數據庫中存儲的溫度預警值，與8個溫度數值逐一比較，若發現超過預警值，執行發送短信的操作，并返回給樹莓派“stop”，若一切正常，返回“continue”。[3]

4 結語

該設備能夠保證檢驗員在溫升試驗過程中能夠隨時隨地通過手機刷新當前溫升數據，若溫升超過預設的警戒值，能夠收到短信警報提醒，同時可通過外接繼電器遠程分斷或自動分斷帶分勵線圈的主開關，保證試驗安全。

其實用意義并不僅限于溫升試驗，電氣行業有許多大電流試驗，在試驗設備高負荷工作時，有效及時的溫度監控必不可少，然而大部分試驗設備并不具備溫度的自我監控能力，因此若有類似監控設備的加入，能夠清楚了解試驗設備的工作狀態，及時終止試驗或增加試驗間隔以保證設備工作溫度在安全范圍內，保障試驗安全的同時延長設備使用壽命。