制冷設備掉電及監測異常遠程實時報警系統設計

謝留婉

（江蘇聯合職業技術學院蘇州工業園區分院 江蘇 蘇州 215123）

1 引言

制冷設備在我們日常生活、工業生產以及醫療等場景中，使用越來越廣泛，如大型冷庫、移動冷鏈配送以及家用電冰箱設備等，都是需要對食品或物品冷凍保質保鮮的以及在醫療中需要對各種藥物或疫苗等恒溫保存。對于這些應用場景下，制冷設備的運行狀態也對保存的物品安全性起到非常關鍵的作用。其實，大部分制冷設備工作原理基本相似。我們以目前日常使用的家用電冰箱為例，當冰箱在發生掉電或出現故障時，人們基本不能及時發現，很容易出現冰箱中的食物變質腐壞，造成不必要損失；如果在電冰箱出現各類異常時發出自動報警提醒用戶及時處理，可以大大降低損失的發生率[1]。

2 系統設計方案

為了解決上述問題，本文設計了一種制冷設備掉電及監測異常遠程實時報警系統，具體從硬件電路和單片機軟件設計兩方面分析研究。根據制冷設備運行狀態工作情況，分析出需要實現的功能要求，要能實時監測制冷設備的供電情況，當出現由于跳閘等原因造成的掉電情況，以及實時監測制冷室中溫度出現異常時，系統需要立即發出聲光報警信息提醒用戶注意；考慮到有可能人員不在現場，還需要能遠程實時報警，可以通過增加4G網絡通信模塊，向用戶發送遠程報警信息，提醒用戶及時處理突發狀況；由于系統要能在掉電后還能繼續向外發出報警信息，系統需要內置鋰電池進行供電，并設計鋰電池充電和電源電路。下面將根據系統功能要求，從核心器件的選型、硬件電路設計和軟件設計等方面介紹設計方案。

2.1 硬件電路設計

系統硬件電路主要需要滿足上述系統總體功能要求，如4G網絡模塊數據遠程發送、實時溫度檢測和設備掉電狀態檢測等需求。通過查詢相關資料，可以選用SIM7600CE的4G模塊能夠實現4G網絡數據遠程發送。另外，考慮到系統掉電后還能向外發送報警數據，系統需要內置鋰電池供電，在單片機選型方面需要考慮低功耗的芯片。另外，需要對制冷設備實時溫度檢測，可以選用數字式溫度傳感器DHT22，既可以檢測溫度，還可以測量濕度，且最低可以測量-40 ℃，可以滿足絕大部分制冷設備的制冷溫度測量。下面將從核心器件以及相關模塊電路設計進行介紹和分析。

2.1.1 STM32L052R8T6單片機簡介

STM32L052R8T6是一款超低功耗32位ARM? Cortex?-M0+內核單片機，主頻（MAX)32 MHz，FLAHROM容量64 KB，RAM容量8 KB，EEPROM容量2 KB，4個16位定時器、1個8位定時器、16×12 bit的A/D轉換、1×12 bit的D/A輸出、2個SPI接口、1個USB接口、2個USART串口和1路PWM輸出等標準接口特性，工作電壓1.65～3.6 V，適應溫度范圍為-40～85 ℃[2]。

2.1.2 SIM7600CE-T 4G模塊簡介

SIM7600CE-T 4G模塊是一款支持LTE-TDD/LTE-FDD/HSPA+/TD-SCDMA/EVDO和GSM/GPRS/EDGE等頻段，支持LTE CAT4（下行速度為150 Mbps，上行50 Mbps），支持分集天線，支持GPS和北斗定位功能，支持低功耗實現SMS和數據信息的傳輸，支持AT命令控制，供電電壓3.4～4.2 V，適應溫度范圍為-40～85 ℃[3]。

2.1.3 DHT22溫濕度傳感器簡介

DHT22數字式低功耗單總線溫濕度傳感器，電源供電電壓為3.3～6 V，溫度測量范圍-40～80 ℃，溫度測量分辨率0.1 ℃（16 bit），濕度測量分辨率0.1%RH（16bit）。

2.1.4 TP4059電池充電芯片簡介

TP4059是一款完整的雙燈指示線性鋰離子電池充電控制芯片，支持600 mA的可編程鋰電池充電電流，內部采用PMOSFET架構，具有鋰電池正負極反接保護功能，最高輸入可達9 V，精度達到±1%的4.2 V預設充電電壓，充滿電壓固定于4.2 V，當電池達到4.2 V之后，充電電流降至設定值1/10，TP4059將自動終止充電，當輸入端電源電壓為0時，TP4059自動進入一個低電流狀態，電池漏電流在2 μA以下。

2.1.5 硬件電路組成

系統硬件電路組成部分包含單片機主機控制系統、溫度傳感器、SIM7600CE-T 4G模塊、供電狀態掉電檢測電路、鋰電池充電電路、系統電源電路等部分，硬件框圖見圖1。

圖1 系統硬件結構圖

下面具體介紹組成電路結構原理。

（1）單片機主控電路：基于STM32L052R8T6單片機為控制核心，協調各組成電路模塊協同工作，主要負責將檢測的制冷設備制冷溫度數據與設定的正常值進行比對，判斷是否出現異常，以及對電源供電狀態進行檢測；如果出現異常，系統立即發出聲光報警，并控制4G網絡通信模塊遠程發送報警信息給用戶。

（2）4G網絡通信模塊：采用SIM7600CE-T 4G模塊，使用串口與單片機通信，實現單片機將報警信息遠程發送給用戶。

（3）溫度檢測電路：采用單總線DHT22數字式溫濕度傳感器，實時精確監測制冷設備制冷溫度。最低溫度可檢測到-40 ℃。

（4）供電狀態掉電檢測電路：對電冰箱的電源供電端電壓進行實時監測，當電源輸入電壓消失時，觸發單片機發出掉電報警提示信息，輸入端電源電壓恢復正常后，自動消除掉電報警提示。

（5）鋰電池充電電路：采用基于TP4059的典型鋰電池充電電路，見圖2。實現對內置的鋰電池進行充電管理，以提高鋰電池使用壽命。

圖2 典型TP4059鋰電池充電電路

（6）系統電源電路：采用基于MT3608開關電源輸出5V電源為SIM7600CE-T以及其他相關電路供電，再通過LM117-3.3線性LDO電源穩壓輸出3.3 V電源為STM32L052R8T6單片機等供電。

2.2 軟件設計

單片機系統軟件設計，主要實現硬件系統檢測的數據進行處理分析，并控制相關模塊電路作出相應操作處理。單片機系統需要先進行端口配置，配置需要與4G模塊通信的串口通信的波特率，以及其他初始化處理；啟動SIM7600CE-T 4G網絡模塊聯網，讀取數字溫度傳感器的實時溫度數據，以及制冷設備電源供電狀態，用戶可以通過遠程發送查詢命令，將當前系統檢測到的溫度、供電狀態通過4G模塊遠程發送給用戶實時查看；考慮到不同制冷設備的使用場合不同，用戶可以遠程發送預置的正常溫度上下限值，當系統檢測的實時溫度不在正常范圍內或發生掉電情況時，本機立即發出聲光報警提示，并向用戶遠程發送異常報警信息。軟件流程圖見圖3。

圖3 軟件流程圖

（1）系統初始化程序：主要完成單片機初始化配置，如I/O設置、定時器、中斷和串口波特率設置等。

（2）4G網絡模塊程序：主要完成4G模塊初始化，單片機使用串口發送AT命令，并啟動4G模塊聯網，進行網絡數據傳輸。

（3）溫度檢測程序：DHT22為數字式單總線溫度傳感器，僅需1個單片機I/O口，即可對DHT22溫度傳感器進行操作，采用串行數據傳輸方式，讀取當前實時溫度數據。系統對當前檢測的溫度與預置的正常溫度范圍進行比對，如超出正常范圍，立即發出溫度異常報警信息。

（4）供電狀態檢測程序：供電狀態檢測模塊，將供電狀態輸出為開關量信號，高電平為正常供電狀態；低電平為掉電狀態。當系統檢測為低電平時，為了防止誤報警，系統等待10 s再次檢查是否還是為低電平，若再次檢測仍然為低電平，則已確認確實為掉電狀態，系統立即發出本機聲光報警和遠程發送掉電狀態報警信息，提醒用戶及時處理。

（5）系統遠程狀態查詢程序：考慮到用戶能實時掌握制冷設備工作狀態，系統支持用戶遠程發送查詢命令，系統將當前檢測到的溫度和供電狀態的實時信息，通過4G網絡模塊遠程發送給用戶。

3 結語

本設計介紹了制冷設備掉電及監測異常遠程實時報警系統，利用智能物聯網技術，實時監測制冷設備的供電狀態以及制冷室內部制冷實時溫度，掌握冰箱工作是否異常，當出現異常時通過4G網絡模塊遠程發送數據，將報警信息發送給用戶，可以解決制冷設備由于突然出現故障，或由于掉電，在用戶未察覺情況下造成了存儲在制冷設備中物品變質的問題。