制冷设备掉电及监测异常远程实时报警系统设计

谢留婉

（江苏联合职业技术学院苏州工业园区分院 江苏 苏州 215123）

1 引言

制冷设备在我们日常生活、工业生产以及医疗等场景中，使用越来越广泛，如大型冷库、移动冷链配送以及家用电冰箱设备等，都是需要对食品或物品冷冻保质保鲜的以及在医疗中需要对各种药物或疫苗等恒温保存。对于这些应用场景下，制冷设备的运行状态也对保存的物品安全性起到非常关键的作用。其实，大部分制冷设备工作原理基本相似。我们以目前日常使用的家用电冰箱为例，当冰箱在发生掉电或出现故障时，人们基本不能及时发现，很容易出现冰箱中的食物变质腐坏，造成不必要损失；如果在电冰箱出现各类异常时发出自动报警提醒用户及时处理，可以大大降低损失的发生率[1]。

2 系统设计方案

为了解决上述问题，本文设计了一种制冷设备掉电及监测异常远程实时报警系统，具体从硬件电路和单片机软件设计两方面分析研究。根据制冷设备运行状态工作情况，分析出需要实现的功能要求，要能实时监测制冷设备的供电情况，当出现由于跳闸等原因造成的掉电情况，以及实时监测制冷室中温度出现异常时，系统需要立即发出声光报警信息提醒用户注意；考虑到有可能人员不在现场，还需要能远程实时报警，可以通过增加4G网络通信模块，向用户发送远程报警信息，提醒用户及时处理突发状况；由于系统要能在掉电后还能继续向外发出报警信息，系统需要内置锂电池进行供电，并设计锂电池充电和电源电路。下面将根据系统功能要求，从核心器件的选型、硬件电路设计和软件设计等方面介绍设计方案。

2.1 硬件电路设计

系统硬件电路主要需要满足上述系统总体功能要求，如4G网络模块数据远程发送、实时温度检测和设备掉电状态检测等需求。通过查询相关资料，可以选用SIM7600CE的4G模块能够实现4G网络数据远程发送。另外，考虑到系统掉电后还能向外发送报警数据，系统需要内置锂电池供电，在单片机选型方面需要考虑低功耗的芯片。另外，需要对制冷设备实时温度检测，可以选用数字式温度传感器DHT22，既可以检测温度，还可以测量湿度，且最低可以测量-40 ℃，可以满足绝大部分制冷设备的制冷温度测量。下面将从核心器件以及相关模块电路设计进行介绍和分析。

2.1.1 STM32L052R8T6单片机简介

STM32L052R8T6是一款超低功耗32位ARM® Cortex®-M0+内核单片机，主频（MAX)32 MHz，FLAHROM容量64 KB，RAM容量8 KB，EEPROM容量2 KB，4个16位定时器、1个8位定时器、16×12 bit的A/D转换、1×12 bit的D/A输出、2个SPI接口、1个USB接口、2个USART串口和1路PWM输出等标准接口特性，工作电压1.65～3.6 V，适应温度范围为-40～85 ℃[2]。

2.1.2 SIM7600CE-T 4G模块简介

SIM7600CE-T 4G模块是一款支持LTE-TDD/LTE-FDD/HSPA+/TD-SCDMA/EVDO和GSM/GPRS/EDGE等频段，支持LTE CAT4（下行速度为150 Mbps，上行50 Mbps），支持分集天线，支持GPS和北斗定位功能，支持低功耗实现SMS和数据信息的传输，支持AT命令控制，供电电压3.4～4.2 V，适应温度范围为-40～85 ℃[3]。

2.1.3 DHT22温湿度传感器简介

DHT22数字式低功耗单总线温湿度传感器，电源供电电压为3.3～6 V，温度测量范围-40～80 ℃，温度测量分辨率0.1 ℃（16 bit），湿度测量分辨率0.1%RH（16bit）。

2.1.4 TP4059电池充电芯片简介

TP4059是一款完整的双灯指示线性锂离子电池充电控制芯片，支持600 mA的可编程锂电池充电电流，内部采用PMOSFET架构，具有锂电池正负极反接保护功能，最高输入可达9 V，精度达到±1%的4.2 V预设充电电压，充满电压固定于4.2 V，当电池达到4.2 V之后，充电电流降至设定值1/10，TP4059将自动终止充电，当输入端电源电压为0时，TP4059自动进入一个低电流状态，电池漏电流在2 μA以下。

2.1.5 硬件电路组成

系统硬件电路组成部分包含单片机主机控制系统、温度传感器、SIM7600CE-T 4G模块、供电状态掉电检测电路、锂电池充电电路、系统电源电路等部分，硬件框图见图1。

图1 系统硬件结构图

下面具体介绍组成电路结构原理。

（1）单片机主控电路：基于STM32L052R8T6单片机为控制核心，协调各组成电路模块协同工作，主要负责将检测的制冷设备制冷温度数据与设定的正常值进行比对，判断是否出现异常，以及对电源供电状态进行检测；如果出现异常，系统立即发出声光报警，并控制4G网络通信模块远程发送报警信息给用户。

（2）4G网络通信模块：采用SIM7600CE-T 4G模块，使用串口与单片机通信，实现单片机将报警信息远程发送给用户。

（3）温度检测电路：采用单总线DHT22数字式温湿度传感器，实时精确监测制冷设备制冷温度。最低温度可检测到-40 ℃。

（4）供电状态掉电检测电路：对电冰箱的电源供电端电压进行实时监测，当电源输入电压消失时，触发单片机发出掉电报警提示信息，输入端电源电压恢复正常后，自动消除掉电报警提示。

（5）锂电池充电电路：采用基于TP4059的典型锂电池充电电路，见图2。实现对内置的锂电池进行充电管理，以提高锂电池使用寿命。

图2 典型TP4059锂电池充电电路

（6）系统电源电路：采用基于MT3608开关电源输出5V电源为SIM7600CE-T以及其他相关电路供电，再通过LM117-3.3线性LDO电源稳压输出3.3 V电源为STM32L052R8T6单片机等供电。

2.2 软件设计

单片机系统软件设计，主要实现硬件系统检测的数据进行处理分析，并控制相关模块电路作出相应操作处理。单片机系统需要先进行端口配置，配置需要与4G模块通信的串口通信的波特率，以及其他初始化处理；启动SIM7600CE-T 4G网络模块联网，读取数字温度传感器的实时温度数据，以及制冷设备电源供电状态，用户可以通过远程发送查询命令，将当前系统检测到的温度、供电状态通过4G模块远程发送给用户实时查看；考虑到不同制冷设备的使用场合不同，用户可以远程发送预置的正常温度上下限值，当系统检测的实时温度不在正常范围内或发生掉电情况时，本机立即发出声光报警提示，并向用户远程发送异常报警信息。软件流程图见图3。

图3 软件流程图

（1）系统初始化程序：主要完成单片机初始化配置，如I/O设置、定时器、中断和串口波特率设置等。

（2）4G网络模块程序：主要完成4G模块初始化，单片机使用串口发送AT命令，并启动4G模块联网，进行网络数据传输。

（3）温度检测程序：DHT22为数字式单总线温度传感器，仅需1个单片机I/O口，即可对DHT22温度传感器进行操作，采用串行数据传输方式，读取当前实时温度数据。系统对当前检测的温度与预置的正常温度范围进行比对，如超出正常范围，立即发出温度异常报警信息。

（4）供电状态检测程序：供电状态检测模块，将供电状态输出为开关量信号，高电平为正常供电状态；低电平为掉电状态。当系统检测为低电平时，为了防止误报警，系统等待10 s再次检查是否还是为低电平，若再次检测仍然为低电平，则已确认确实为掉电状态，系统立即发出本机声光报警和远程发送掉电状态报警信息，提醒用户及时处理。

（5）系统远程状态查询程序：考虑到用户能实时掌握制冷设备工作状态，系统支持用户远程发送查询命令，系统将当前检测到的温度和供电状态的实时信息，通过4G网络模块远程发送给用户。

3 结语

本设计介绍了制冷设备掉电及监测异常远程实时报警系统，利用智能物联网技术，实时监测制冷设备的供电状态以及制冷室内部制冷实时温度，掌握冰箱工作是否异常，当出现异常时通过4G网络模块远程发送数据，将报警信息发送给用户，可以解决制冷设备由于突然出现故障，或由于掉电，在用户未察觉情况下造成了存储在制冷设备中物品变质的问题。