基于SIM7600的無線定位測溫終端設計

景小萍，李玉峰

（1.青島光電醫(yī)療科技有限公司，山東 青島 266107；2.青島海威物聯(lián)科技有限公司，山東 青島 266042）

0 引 言

隨著科技發(fā)展水平的提高，人們對物品工藝參數(shù)的要求越來越嚴格。為保證物品的工藝品質，對其移動運輸過程中的溫控管理越來越緊迫和嚴格。傳統(tǒng)的物品溫控管理是采用在設備表面安裝測溫傳感器，然后人工讀取并記錄溫度數(shù)據(jù)后再把數(shù)據(jù)進行上傳的模式。該模式存在設備表面安裝傳感器困難、數(shù)據(jù)采集的實時性和共享性較差、人工參與后數(shù)據(jù)可信度較低、不能實現(xiàn)物品移動過程中溫度數(shù)據(jù)和運動軌跡的實時監(jiān)控等問題。本文設計的基于SIM7600的無線定位測溫終端，通過采用SIM7600實現(xiàn)將物品定位數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)實時上傳到上位機管理系統(tǒng)解決了數(shù)據(jù)的實時性和真實性難題，通過采用MLX90614在實現(xiàn)非接觸式無線紅外測溫功能的同時解決了現(xiàn)場傳感器現(xiàn)場安裝難題。另外，該設備支持電池供電和外接電源供電，在使用過程中具有安裝施工簡單、位置和溫度數(shù)據(jù)上傳及時準確、現(xiàn)場數(shù)據(jù)無需人工干預的特點，在實際應用中具有較高的經濟價值。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

微控制器根據(jù)預先設定的數(shù)據(jù)采集頻率實時讀取被測物品的溫度和位置信息，通過4G網絡將相關信息實時發(fā)送到上位機管理平臺。當上行4G網絡不通或服務器異常時，將相關數(shù)據(jù)本地存儲，待上行網絡恢復后將數(shù)據(jù)批量上傳，以保證歷史數(shù)據(jù)不丟失，同時根據(jù)運算及設定情況作出相應的狀態(tài)指示。本文設計的無線定位測溫終端系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

系統(tǒng)主要由微控制器電路、電源電路、存儲電路、紅外測溫電路、時鐘電路、4G/北斗定位通信電路、串行通信電路、LED信號指示電路和看門狗復位電路組成。電源電路采用雙電源設計，既可以電池供電，又可以外接電源供電，完成對各功能模塊供電，并進行電壓轉換和電源切換。存儲電路一是存儲終端信息，二是和時鐘電路一起配合完成對設備采集運行過程沒有上傳到上位機的歷史數(shù)據(jù)進行本地存儲；紅外測溫電路完成對被測物品的非接觸式溫度測量，并將測量后的數(shù)據(jù)轉換成與微控制器約定好的數(shù)據(jù)類型和格式；4G/北斗定位通信電路一是完成終端本地的經度和緯度位置信息測定，二是完成和系統(tǒng)上位機的

圖2 電源輸入電路

數(shù)據(jù)通信；LED信號指示電路主要對系統(tǒng)運行過程中的各種信號及工作狀態(tài)進行指示；看門狗復位電路是為保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行而設置的。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 電源電路

為解決物品運輸載體無外接電源或外接電源施工困難的情形，本方案設計中采用電池供電和外接電源供電雙電源供電電路。在有外接電源的地方用外接電源供電，沒有外接電源的地方用電池供電，系統(tǒng)的電源輸入電路部分如圖2所示。

電 路 中，JP1、F1、D1、U1、U2、C1、C2組 成 外接電源供電電路，U1選用支持超寬電壓輸入的DC/DC電源模塊URB2405YMD，外接DC電源電壓9～36 V，輸出功率10 W，具備輸入欠壓、過流過壓保護功能；BT1、U3、R2、R3、D2等組成了電池供電輸入電路，其中BT1選用的是7.2 V的鋰電池組，經U3、R2和R3的變換后轉換成5.7 V，經D2后變成系統(tǒng)的二次主電壓等級5 V，Q1、R1、R9、R10組成控制部分，當不需要電池供電時關閉轉換電路，延長電池的使用時間。

2.2 紅外測溫電路

紅外測溫電路的設計及傳感器選型是本測溫設備的一個核心單元。為應對使用場景豐富、移動測溫的實際需求，本著體積小、精度高、測溫范圍寬、易校準、設計簡單的原則，選用了MLX90614傳感器。MLX90614是Melexis公司生產的一款使用方便、免校正的高精度紅外測溫傳感器，具有高精度、寬測溫范圍、可直接輸出經過環(huán)境溫度補償?shù)耐耆€性化數(shù)字溫度等特點，精度可達到±0.5%，溫度分辨率可達到0.02 ℃[1]，完全滿足本設計要求的技術指標。系統(tǒng)應用電路如圖3所示。

圖3 紅外測溫應用電路

2.3 4G/北斗定位通信電路

4G/北斗定位通信電路主要完成經緯度數(shù)據(jù)獲取及與上位機管理系統(tǒng)進行通信工作。本設計采用SIMCOM公司的4G全功能通信模塊SIM7600CE-T。該模塊采用Mini-PCIE封裝，方面更換模塊及后續(xù)產品功能升級，支持電信聯(lián)通移動4G、3G、2G，支持GPS/GLONASS/BD，開闊地帶定位精度高于2.5 m。和傳統(tǒng)的4G模塊+GPS定位模塊分離器件相比，它的一體化機構更加緊湊，綜合功耗更低，使用更加簡單[2]。系統(tǒng)應用電路如圖4所示。

該模塊通過三線制的串行口和微控制器進行通信，通過AT指令獲取模塊的定位數(shù)據(jù)和發(fā)送相關數(shù)據(jù)到上位機管理平臺。針對該模塊的定位功能應用，本設計重點使用AT命令“AT+CGPSINFOCFG”，配置時只讓模塊返回輸出“$GPRMC”的相關數(shù)據(jù)，其中的一條數(shù)據(jù)為“$GNRMC,022845.00,A,3608.76611,N,12023.11618,E,0.000,,010420,,,A,V*1D”。該條數(shù)據(jù)包含了系統(tǒng)的經度信息、緯度信息、系統(tǒng)時間和系統(tǒng)日期，內容能完全滿足系統(tǒng)定位功能需要。

2.4 存儲電路

圖4 4G/北斗定位通信電路

存儲電路主要完成系統(tǒng)本機參數(shù)存儲、系統(tǒng)運行歷史數(shù)據(jù)暫存等功能。本設計中選用I2C接口的容量為2 MB的大容量鐵電存儲器FM24V20，數(shù)據(jù)按條進行存儲和讀取，一條數(shù)據(jù)共計20 Bytes，具體的數(shù)據(jù)格式如表1所示。

表1 存儲數(shù)據(jù)格式

實際設計時，一條數(shù)據(jù)按照20 Bytes進行設計。選用的鐵電存儲器FM24V20可按位進行寫入和讀取，共計256 kB的容量，預留1 kB的系統(tǒng)參數(shù)存儲空間。在數(shù)據(jù)域共有255 kB的存儲空間，共計可存儲255×1 024/20=13 056（條）數(shù)據(jù)。按照5 min讀取存儲一條數(shù)據(jù)，共計可存儲45天的歷史數(shù)據(jù)，完全滿足現(xiàn)場歷史數(shù)據(jù)的存儲需求。

3 系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)軟件設計過程中，采用了模塊化的分層設計思想，按照硬件電路功能模塊編寫相應的硬件驅動函數(shù)，按照軟件應用功能編寫相應的可移植、復用程度高的功能應用程序，實現(xiàn)軟件設計的易維護和高效率[3]。本系統(tǒng)軟件采用前后臺系統(tǒng)，應用系統(tǒng)中斷來及時處理相應的事件。主要功能函數(shù)有系統(tǒng)初始化函數(shù)、讀取并處理紅外傳感器數(shù)據(jù)函數(shù)、讀取并處理北斗定位數(shù)據(jù)函數(shù)以及網絡連接狀態(tài)判斷等函數(shù)。系統(tǒng)流程如圖5所示。

系統(tǒng)上電啟動后，首先進行硬件IO、I2C、串行通信等功能模塊的初始化，完成紅外通信電路模塊設定、4G通信及定位模塊工作模式設定等，開啟相應中斷，等待相應中斷事件，進而調用相應的終端處理函數(shù)進行數(shù)據(jù)處理。

圖5 軟件系統(tǒng)流程圖

4 結 論

本文設計的基于SIM7600的無線定位測溫終端，通過采用無線紅外傳感器MLX90614和無線4G定位模塊SIM7600CE-T，通過采用電池供電和外接電源雙電源供電模式，解決了物品在移動或運輸過程中的工藝溫控管理難題，實現(xiàn)了設備安裝簡單、數(shù)據(jù)統(tǒng)計上傳及時規(guī)范，同時上傳的數(shù)據(jù)和地理位置進行綁定，避免了人為干擾數(shù)據(jù)情況的發(fā)生。經測試表明，該設備運行穩(wěn)定、易于安裝、適用性強，紅外測溫精度高于0.5 ℃，開闊地帶北斗定位精度高于3 m，在實際應用推廣中具有較高的經濟價值和社會價值。