【MCU实战经验】基于STM32的冷链温度实时监控系统的研发

ehan-93754

        目前，生物制剂、临床材料、药品等产品往往对储存的环境温度有严格的要求，稍不留神就会变质。针对以上问题，本文设计和实现了一种基于北斗卫星的冷链温度实时监控系统。该系统分为冷链温度实时监控仪和主控机两部分，其中，冷链温度实时监控仪，位于运输车上，基于32位嵌入式微控制器STM32，使用GPS定位和短信收发模块MXTOS2 -200将当前车上物品的温度信息实时传送给主控机；主控机，位于总部，接收来自运输车上冷链温度实时监控仪发送的实时温度信息，如遇异常可通过MXTOS2 -200模块立即向该运输车司机报警。该系统可广泛应用于物流运输、货物监测等领域，特别是某些我国目前尚不能生产的生物制剂、临床材料、药品等必须从国外进口的场合具有良好的市场应用前景。
1．  应用需求分析
1.1应用领域
本产品可应用于物流运输、货物监测等领域，特别是某些我国目前尚不能生产的生物制剂、临床材料、药品等必须从国外进口的场合。
1.2需求
生物制剂、临床材料、药品等产品往往对储存的环境温度有严格的要求，稍不留神就会变质。由于路途遥远，运输的时间会很长，运输的中间环节会很多，包括仓储、汽车、飞机、轮船等工具。因价格昂贵，一旦发生问题，损失惨重。而且根本就搞不清是那个环节出了问题。互相扯皮，没有依据，就无法追溯。例如，上海的光明牛奶最近被投诉，有好几个区的订户，拿到的当天的牛奶变质了。是生产过程还是流通环节出问题？在何时何地出来问题，至今也不见事故原因的报导。
1.3现状
市场有温控包装产品供应，如保温箱、温控托盘、便携式冷藏包、EPS运输箱等，不同的产品保温的性能不同，即使同类产品，质量不同，效果也大相径庭。因此市场还开发了温度记录仪，把它与物品放在一起运输。定时记录箱内温度。到目的地后，可得到整个过程各时点的温度值，最高温度和最低温度等统计值、温度曲线等。但这种温度记录仪是“事后诸葛亮”。如果控温出问题，后果已造成，无法挽回。
2方案总体设计及参赛作品目标
冷链温度实时监控系统的方案如下：利用北斗的定位和短信功能，变被动为主动，变事后算账为实时的检测。在原温度仪的方案上加一个北斗模块，构成一个“冷链温度实时监控仪”。一部运输车就只需一台“冷链温度实时监控仪”，它连接着北斗收发模块，定时采集温度和汽车的位置数据发给位于总部的主控机。如有异常，可立即采取措施。去除隐患。这些设备一次性投资，可重复使用。
整个冷链温度实时监控系统分为位于运输车上的冷链温度实时监控仪和位于总部的主控机两部分，其具体设计方案如下图所示。
3软件设计
整个冷链温度实时监控系统分为位于运输车上的冷链温度实时监控仪程序和位于总部的主控机程序两部分。
位于运输车上的冷链温度实时监控仪程序，运行在意法半导体公司生产的基于ARM CortexM3内核的嵌入式微控制器STM32上，使用C语言在KEIL MDK 4.53嵌入式开发环境下开发完成。该程序分为初始化模块、温度采集模块、GPS定位模块和短信发送模块等四个子模块。
位于总部的主控机程序，运行在普通的PC机上，使用C语言在Visual Studio 6.0开发环境下开发完成。该程序分为短信接收模块和数据显示模块等两个子模块。
4硬件设计
位于运输车上的冷链温度实时监控仪，以意法半导体公司生产的基于ARM CortexM3内核的嵌入式微控制器STM32作为控制核心，辅以DS18B20作为温度采集器件和MXTOS2 -200作为GPS定位和短信收发模块，其具体设计方案如下图所示。
位于总部的主控机，使用普通的PC作为硬件平台。
5关键技术分解
5.1 MXTOS2-200模块
MXTOS2-200模块是北京时代民芯科技有限公司开发的GPS、BD-2双模兼容接收机模块，采用了自主研制的卫星信号处理芯片。能够提供高精度的载体三维位置、速度、时间信息以及原始观测数据等。以MXTOS2-200模块为核心配以外围电源、各类I/O端口与调试开关等，实现接收机模块的快速调试应用与开发等功能。同时，产品配套导航观测软件、烧录软件及开发环境等可以为该导航开发板的使用提供完备解决方案。它具有以下主要特点：
——支持GPS/BD-2单模、双模灵活定位。
——支持NMEA0183、RINEX、BUPro（专用双模通讯协议）等各类协议输出与交互控制。
——3.3V天线馈电，支持各类常规有源无源GPS或BD天线。
——USB、串口双端口输出。
——USB常规5V供电。
——支持硬复位。
——支持1PPS脉冲输出。
——预留GPIO端口。
——烧写软件为RDSS_D2，上位机观测软件，串口工具为com。
——配套软件免安装，适用XP及以上系统，观测软件支持数据记录与回放。
5.2 STM32模块
意法半导体公司32位ARM嵌入式微控制器STM32，使用目前嵌入式业界主流的高性能的32位ARM的RISC内核，工作频率最高可达为72MHz，内置高速存储器(高达128K字节的闪存和20K字节的SRAM)，丰富的增强I/O端口和联接到两条APB总线的外设。它包含2个12位的ADC、1个USB OTG FS、3个通用16位定时器和1个PWM定时器，还包含标准和先进的通信接口：多达2个I2C接口和SPI接口、3个USART接口、1个USB接口和一个CAN接口。它的供电电压为2.0V至3.6V，温度范围-40°C至+85°C，扩展温度范围-40°C至+105°C，具有更高的计算速度和指令性能，更低的功耗和成本。
5.3 DS18B20模块
数字温度计DS1820以9位数字量的形式反映器件的温度值。它电路接口非常简单，可以通过一个独特的单线接口发送或接收温度信息，因此在中央微处理器和DS1820之间仅需一条连接线（加上地线）。而它用于读写和温度转换的电源可以从数据线本身获得，无需外部电源。它的测温范围-55~+125℃，以0.5℃为单位递增，温度数字量转换时间为200ms（典型值）。