M24LR64在冷鏈溫度記錄儀中的應(yīng)用

摘要：為了實(shí)現(xiàn)對(duì)藥品冷藏運(yùn)輸及配送過(guò)程中溫度變化的實(shí)時(shí)記錄，介紹了一種低功耗冷鏈溫度記錄儀的軟硬件設(shè)計(jì)方法。溫度記錄儀硬件包括溫度數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)讀取及處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)3個(gè)部分，其功能分別由數(shù)字溫度傳感器STT$75、低功耗微控制器STM8L101F3，以及具有I2C和RF雙接口的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器M24LR64完成。軟件編程采用模塊化思想，通過(guò)對(duì)STTS75、STM8L101F3工作模式配置可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)低功耗運(yùn)。M24L-R64內(nèi)存儲(chǔ)的溫度數(shù)據(jù)在需要時(shí)可以通過(guò)射頻方式讀出。
關(guān)鍵詞：M24LR64；冷鏈；溫度記錄儀；低功耗

引言
    隨著工業(yè)化技術(shù)的不斷發(fā)展，疫苗、生物制劑和藥品等對(duì)溫度敏感的商品在加工、儲(chǔ)存、運(yùn)輸、銷(xiāo)售等過(guò)程中，需要對(duì)各個(gè)過(guò)程中的溫度參數(shù)進(jìn)行記錄跟蹤，以保證產(chǎn)品質(zhì)量，這就是冷鏈體系。藥品冷鏈由冷凍加工、冷凍貯藏、冷藏運(yùn)輸及配送、冷凍銷(xiāo)售4個(gè)方面構(gòu)成，而在冷藏運(yùn)輸及配送環(huán)節(jié)最容易出現(xiàn)問(wèn)題。藥品冷藏運(yùn)輸及配送需要溫度保持在2～8℃范圍內(nèi)，而原有監(jiān)測(cè)技術(shù)手段滯后是最大的技術(shù)瓶頸。為了保證在藥品冷藏運(yùn)輸及配送環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)溫度監(jiān)控，克服實(shí)時(shí)性差、監(jiān)管脫節(jié)、取證和責(zé)任界定困難的不足，本文設(shè)計(jì)了一種可實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)、非接觸式讀出的冷鏈溫度記錄儀。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及功能
1．1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
    冷鏈溫度記錄儀主要由溫度傳感器、微控制器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器組成，如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)基本工作流程是：首先溫度傳感器利用內(nèi)部A／D轉(zhuǎn)換器將采集的溫度值轉(zhuǎn)換后得到相對(duì)應(yīng)的數(shù)字量，接收到微控制器發(fā)出的串行時(shí)鐘脈沖(SCL)和讀數(shù)據(jù)指令后通過(guò)I2C總線(xiàn)將數(shù)據(jù)傳送至微控制器，微控制器對(duì)溫度傳感器傳送的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理，然后微控制器向存儲(chǔ)器發(fā)出串行時(shí)鐘脈沖(SCL)和寫(xiě)數(shù)據(jù)指令，通過(guò)I2C總線(xiàn)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器內(nèi)。

1．2 系統(tǒng)功能
    冷鏈溫度記錄儀應(yīng)用在藥品冷藏運(yùn)輸及配送環(huán)節(jié)，需要考慮產(chǎn)品的耐溫性能、續(xù)航時(shí)間、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力，因此器件選擇需要考慮器件適用溫度范圍、數(shù)據(jù)傳輸方式和速度、功耗等多方面因素。溫度記錄儀應(yīng)當(dāng)具有以下功能：
    ◆測(cè)量溫度范圍2～8℃，測(cè)量精度±0．5℃。
    ◆系統(tǒng)功耗低，續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)。
    ◆數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間大，數(shù)據(jù)讀取方便。
    ◆體積小，便于安裝。
    ◆更換電池方便，價(jià)格低，可循環(huán)使用。

2 硬件電路設(shè)計(jì)
2．1 器件選型
    (1)溫度傳感器
    溫度傳感器選用ST(意法半導(dǎo)體)公司生產(chǎn)的STTS75數(shù)字溫度傳感器，它內(nèi)置一個(gè)9～12位A／D轉(zhuǎn)換器，溫度測(cè)量范圍-55～125℃，供電電壓為2．7～5．5 V，在3．3 V電壓下工作電流為75 mA。STTS75有8個(gè)引腳，A2、A1、A0三個(gè)引腳可實(shí)現(xiàn)8個(gè)傳感器共用同一條總線(xiàn)而不會(huì)發(fā)生地址沖突(地址為1001A2A1A0)，SCL、SDA通過(guò)I2C總線(xiàn)可以將傳感器配置為比較模式、中斷模式、關(guān)閉模式和單發(fā)模式。在單發(fā)模式下，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的間歇性采集，可以達(dá)到降低功耗的目的。首先將傳感器設(shè)置為關(guān)閉模式(shut-up mode，電流只有1μA)，當(dāng)微控制器發(fā)送信號(hào)啟動(dòng)單發(fā)模式后采集一次溫度數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集完成后自動(dòng)進(jìn)入關(guān)閉模式，即傳感器處于休眠狀態(tài)。
    (2)微控制器
    微控制器選用ST公司的8位低功耗單片機(jī)STM8L101F3，它具有16 MHz RC振蕩器和38 kHzRC振蕩器，8 KB Flash，3種低功耗模式，具有自動(dòng)喚醒功能，供電電壓1．65～3．6 V。STM8L101F3具有5．1μA低功耗工作模式、3．0μA低功耗等待模式、1．2μA暫停模式、350 nA停止模式4種電源管理模式。在暫停模式下可以利用自動(dòng)喚醒單元(AWU)設(shè)置自動(dòng)喚醒時(shí)間間隔。
    (3)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器
    數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器選用ST公司2010年新推出的M24LR64，它是一款內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)I2C串口和ISO15693標(biāo)準(zhǔn)RF接口的EEPROM存儲(chǔ)器，供電電壓1．8～5．5V，具有64位唯一標(biāo)識(shí)符(UID)，I2C傳輸頻率為400kHz，RF傳輸載波頻率13．56MHz，存儲(chǔ)器容量64KB，采集數(shù)據(jù)可保留40年。M24LR64有8個(gè)引腳，SCL、SDA通過(guò)I2C總線(xiàn)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，E1、E0為器件選擇碼(b2b1位)，在不接的情況下默認(rèn)為0，AC0、AC1為天線(xiàn)線(xiàn)圈連接端。M-24LR64提供一個(gè)ISO15693標(biāo)準(zhǔn)的RF接口，可與RFID閱讀器進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信。ISO15693是一種無(wú)源RFID標(biāo)準(zhǔn)，能同時(shí)從RF系統(tǒng)獲取電能和數(shù)據(jù)。在RF模式下，讀寫(xiě)M24LR64不需要電源，從而節(jié)省板上電源，輕松、便捷地?zé)o線(xiàn)存取電子產(chǎn)品參數(shù)。
2．2 硬件系統(tǒng)工作原理
    冷鏈溫度記錄儀由溫度傳感器、微控制器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器組成，硬件電路如圖2所示。溫度傳感器STTS75、微控制器STM8L101F3和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器M24LR64都是低功耗產(chǎn)品，3 V紐扣電池即可實(shí)現(xiàn)冷鏈溫度記錄儀系統(tǒng)供電。系統(tǒng)上電后，微控制器STM8L101F3首先實(shí)現(xiàn)初始化操作，通過(guò)I2C總線(xiàn)向STTS75內(nèi)部配置寄存器(Configuration Register)寫(xiě)入配置信息，使其工作模式為關(guān)閉模式、模／數(shù)轉(zhuǎn)換為9位模式，然后STM8 L101F3向配置寄存器寫(xiě)入數(shù)據(jù)使sTTS75處于單發(fā)模式。STTS75進(jìn)行一次溫度數(shù)據(jù)采集，在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成后將自動(dòng)進(jìn)入關(guān)閉模式，等待下一次喚醒。接著STM8L101F3從溫度寄存器(Temperature Register)內(nèi)讀取溫度數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，繼而通過(guò)I2C總線(xiàn)將處理后的數(shù)據(jù)寫(xiě)入M24LR 64內(nèi)，最后進(jìn)入暫停模式。經(jīng)過(guò)AWU設(shè)置的延時(shí)時(shí)間后，STM8L101F3將自動(dòng)喚醒，向STTS75發(fā)送配置信息使其進(jìn)入單發(fā)模式，然后讀取數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)，并將處理后數(shù)據(jù)存入M24LR64的下一空間內(nèi)，接著進(jìn)入暫停模式。周而復(fù)始即可實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)在固定時(shí)間間隔內(nèi)的采集、處理和存儲(chǔ)。

3 軟件設(shè)計(jì)
    軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境選用ST Visual Develop(STVD)IDE，軟件設(shè)計(jì)采取模塊化思想，主要由溫度數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)3個(gè)部分組成。系統(tǒng)上電后首先進(jìn)行傳感器和M24LR64的初始化，然后對(duì)傳感器進(jìn)行配置，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)束后進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，然后將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于M24LR64內(nèi)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)完成后進(jìn)人暫停模式，AWU功能啟用，延時(shí)一段時(shí)間后將自動(dòng)喚醒微控制器重復(fù)以上操作，具體流程如圖3所示。

    冷鏈溫度記錄儀程序主要由傳感器初始化函數(shù)、M24LR64初始化函數(shù)、傳感器配置函數(shù)、讀傳感器數(shù)據(jù)函數(shù)、溫度數(shù)據(jù)處理函數(shù)和寫(xiě)M24LR64程序組成。在程序起始的時(shí)候需要定義I2C傳輸速度，聲明傳感器和M24LR64的地址以及M24LR64寫(xiě)入數(shù)據(jù)的起始地址。傳感器配置函數(shù)主要進(jìn)行ADC輸出數(shù)據(jù)位數(shù)(9，10，12)和傳感器模式(shutdown，one-shot)配置。

部分主要代碼如下：
 


結(jié)語(yǔ)
    本文設(shè)計(jì)了一種由低功耗微控制器STM8L101F3、數(shù)字溫度傳感器STTS75和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器M24LR64構(gòu)成的冷鏈溫度記錄儀。經(jīng)測(cè)試表明：記錄儀測(cè)量精度為±0．5℃，記錄時(shí)間間隔可自行設(shè)置(1 s～255 min)，可以記錄8192組溫度數(shù)據(jù)，由3 V紐扣鋰電池供電，在記錄間隔設(shè)置在10 s以上的情況下，可以使用1年(室溫環(huán)境)、3個(gè)月(冷藏環(huán)境)。與傳統(tǒng)的冷鏈溫度記錄儀利用RS-232、I2C、SD卡、USB方式讀取數(shù)據(jù)相比，利用M24LR64實(shí)現(xiàn)的冷鏈溫度記錄儀具有電路硬件少、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、低功耗、低成本、高穩(wěn)定性、自行設(shè)定數(shù)據(jù)采集間隔、存儲(chǔ)空間大、RF方式讀取數(shù)據(jù)、電池更換方便、可循環(huán)利用、不需要打開(kāi)包裝、易于管理等諸多優(yōu)點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用在食品、藥品、鮮花等物品的冷藏運(yùn)輸及配送環(huán)節(jié)，并且將STTS75的工作方式稍加修改就可以用于恒溫箱的溫度監(jiān)控系統(tǒng)中，具有廣泛的實(shí)際應(yīng)用前景。