面向低功耗冷鏈物聯(lián)控制器的不間斷電源電控系統(tǒng)設(shè)計

摘要：智慧零售與冷鏈物流的無人值守設(shè)備面臨市電中斷難題，如數(shù)據(jù)丟失、無法告警等。為此，提出基于不間斷電源的控制系統(tǒng)架構(gòu)，介紹硬件設(shè)計及關(guān)鍵電路，可保障關(guān)鍵電路運行與信息上傳，延長續(xù)航，保障冷凍冷藏物品狀態(tài)，降低損失。

中圖分類號：TM930.2 文獻標志碼：A 文章編號：1671-0797（2025）13-0048-04

D0I：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.13.012

0 引言

在智慧零售與冷鏈物流領(lǐng)域，無人值守設(shè)備需實時監(jiān)控內(nèi)部溫濕度、庫存狀態(tài)及設(shè)備健康度，并在異常時觸發(fā)遠程告警。然而，市電中斷導致的核心痛點在于：設(shè)備瞬間掉電后，不僅溫度傳感器、通信模塊停止工作，無法向云端上報冷藏室升溫（可能導致食品腐敗或藥品失效），還可能因庫存數(shù)據(jù)丟失而誤判補貨需求，造成運營混亂。據(jù)統(tǒng)計，在生鮮零售場景中，一次超過2h的斷電若未被及時處理，將導致單臺設(shè)備平均損失超萬元。

為解決這一矛盾，提出一種基于不間斷電源的控制系統(tǒng)架構(gòu)，斷電后鋰電供電系統(tǒng)以毫秒級響應速度維持控制器核心電路（MCU、溫濕度傳感器）持續(xù)運行，避免復位引發(fā)的數(shù)據(jù)斷層；同時為低功耗通信模塊提供穩(wěn)定能量，確保斷電期間溫升告警、庫存余量等關(guān)鍵信息持續(xù)上傳至云端。此外，電控系統(tǒng)會通過動態(tài)負載分級策略，分級控制負載外設(shè)，將關(guān)鍵功能續(xù)航延長至72h以上，為運維團隊爭取應急響應時間。該設(shè)計不僅保障了冷鏈設(shè)備的安全性，更通過“斷電隱形化\"技術(shù)，推動了無人零售網(wǎng)絡(luò)的可靠性升級。

1 硬件設(shè)計[1]

圖1所示為冷鏈物聯(lián)控制器的硬件系統(tǒng)架構(gòu)[2-4]，主要包括ACDC系統(tǒng)、DCDC系統(tǒng)、鋰電池充放電系統(tǒng)、MCU主控及其外圍電路系統(tǒng)、外部攝像監(jiān)控系統(tǒng)、溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)、制冷控制系統(tǒng)、人機交互系統(tǒng)、照明系統(tǒng)和通信模塊，具體介紹如下：

1ACDC系統(tǒng)：作用是將市電提供的交流電轉(zhuǎn)換為直流電，為后續(xù)的系統(tǒng)模塊供電。它能穩(wěn)定輸出電壓，確保各模塊獲得穩(wěn)定的直流電源，滿足不同電路對直流供電的需求。

②DCDC系統(tǒng)：作用是給MCU、鋰電池充放電、通信模塊以及外圍負載電路提供直流電源，該電源采用BUCK電路拓撲形式，它能以高效率方式，將ACDC輸出的較高直流電壓降低至功能模塊電路所需的直流電壓，并穩(wěn)定輸出至各個功能電路模塊。

3鋰電池充放電系統(tǒng)：負責對鋰電池進行充放電管理。充電時，將ACDC轉(zhuǎn)換后的直流電合理分配給鋰電池，避免過充、過放等情況，保證電池使用壽命；放電時，為系統(tǒng)在市電斷電等情況下提供持續(xù)電源。

④MCU（微控制單元）：作為整個系統(tǒng)的核心，它集成了中央處理器（CPU）、存儲器、輸入/輸出控制接口等?？梢詫Ω鱾€子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行處理和分析，根據(jù)預設(shè)的程序和算法，向各子系統(tǒng)發(fā)送控制指令，協(xié)調(diào)它們的工作。

5攝像監(jiān)控系統(tǒng)：利用攝像頭采集圖像信息，通過內(nèi)置的圖像傳感器將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，再經(jīng)處理后存儲或傳輸，實現(xiàn)對冷柜內(nèi)或冷庫內(nèi)產(chǎn)品狀態(tài)進行監(jiān)測，例如監(jiān)測自動販賣機內(nèi)的貨物情況或冷庫內(nèi)所貯存產(chǎn)品的狀態(tài)。

6溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)：包含溫濕度傳感器，能夠?qū)崟r檢測設(shè)備的溫度和濕度數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電信號傳輸給MCU，以便進行監(jiān)測和控制。

7）制冷控制系統(tǒng)：根據(jù)MCU發(fā)送的指令，控制制冷設(shè)備中的壓縮機、蒸發(fā)風機、冷凝風機、四通閥、電子膨脹閥等的運行狀態(tài)，調(diào)節(jié)冷庫或冷柜內(nèi)部溫度維持在設(shè)定范圍內(nèi)。

8人機交互系統(tǒng)：提供用戶與系統(tǒng)交互的界面，如顯示屏、按鍵、觸摸屏等。用戶可以通過該系統(tǒng)設(shè)置參數(shù)、查看系統(tǒng)運行狀態(tài)等，系統(tǒng)也能通過此界面向用戶反饋信息。

9照明系統(tǒng)：根據(jù)MCU的指令控制照明設(shè)備的開關(guān)、亮度調(diào)節(jié)等，為特定區(qū)域提供合適的照明環(huán)境。

10）通信模塊：可將MCU收集的監(jiān)控信息上傳云端，以實現(xiàn)遠程監(jiān)控、數(shù)據(jù)上傳下載等功能，常見的通信方式有Wi-Fi、藍牙、以太網(wǎng)等。

1.1 ACDC電路系統(tǒng)設(shè)計

如圖2所示，控制器的ACDC電源系統(tǒng)主要包括EMI電路、整流濾波電路以及原邊反饋反激式buck-boost開關(guān)電源電路，EMI電路主要由壓敏電阻 RV₁ 、NTC熱敏電阻 RT_l X電容 C₁₂ 和共模電感 ?L₁ 組成，可有效抑制外部雷擊浪涌，對內(nèi)吸收啟動浪涌電流，同時有效阻止干擾電壓及騷擾功率對外傳導。整流橋 ΔV₄ 及 C₇ 、C8組成整流濾波系統(tǒng)，將市電工頻信號轉(zhuǎn)化成高壓直流電，繼而通過后級的原邊反饋反激式buck-boost開關(guān)電源電路將高壓直流電轉(zhuǎn)化為控制器系統(tǒng)所需的安全直流低電壓。反激電源基于隔離變壓器，可有效保證后級電路電氣安全。

針對小型化低功耗物聯(lián)網(wǎng)溫控器，之所以采用反激式buck-boost開關(guān)電源電路，是由于其電路簡單，無須光耦等復雜的副邊反饋電路元件，節(jié)省了電路板空間和成本。元件數(shù)量的減少也降低了電路的復雜性和故障率，整體成本較低，便于集成，性能上其能夠快速對負載變化和輸入電壓波動做出響應，及時調(diào)整輸出電壓，保持輸出的穩(wěn)定性。在負載瞬態(tài)變化時，原邊反饋機制可以迅速檢測到變化并調(diào)整開關(guān)管的工作狀態(tài)，使輸出電壓快速恢復到穩(wěn)定值。

1.2 DCDC電路系統(tǒng)設(shè)計

較高的直流輸出電壓VPP可以有效驅(qū)動繼電器、LED照明燈等，進一步地，如若對通信模塊、MCU等較低工作電壓提供電源，還需對VPP繼續(xù)進行BUCK轉(zhuǎn)化，如圖3所示，系統(tǒng)采用的是DCDCBUCK電源電路形式，通過MOS驅(qū)動管理芯片、功率電感、濾波電容和二極管組成的BUCK拓撲進行降壓轉(zhuǎn)化，這種降壓型直流-直流電源，相較于線性穩(wěn)壓電源有較高的輸出效率，可有效降低控制器功耗，其良好的負載調(diào)整率使負載發(fā)生變化時其也能輸出穩(wěn)定的電壓。此外，如圖3所示，其直流電壓采樣電路可有效判斷市電斷電與否，以便于MCU進行降功耗、外發(fā)警告操作。

1.3 鋰電池充放電系統(tǒng)

圖4所示為鋰電池充放電系統(tǒng)電路，VPP是外部電源輸入， C₃₂ 和 C₂₈ 為濾波電容，能去除電源中的高頻雜波，讓輸入更穩(wěn)定。 R₅₉ 是限流電阻，避免輸出電流過大。圖中的核心芯片負責管理鋰電池充電過程，可用于開啟或關(guān)閉充電功能、指示充放電運行狀態(tài)，從芯片的SW引腳輸出的開關(guān)信號，經(jīng)過電感 L₃ 、二極管 V₂₇ 組成的電路，對鋰電池進行充電。 Rs₁ 和 C₃₃ 組成的電路用于檢測充電電流，確保充電過程安全穩(wěn)定，VBAT是鋰電池輸出電壓， V₁₈，V₁₉，V₂₀ 和周邊元件構(gòu)成的電路，一方面用于防止電池電壓倒灌，另一方面對輸出電壓進行控制和保護，待市電掉電后輸出穩(wěn)定的VCC電壓為后級電路供電。 R₅₂，R₅₃ 組成了鋰電池電量采樣電路，可使MCU及時獲悉鋰電池電量情況，以便MCU分級控制后級負載，使控制器在市電斷電情況下盡可能維持更長的工作時長。

1.4負載電源電子開關(guān)

如圖5所示，負載的電子開關(guān)主要是針對外部輸入量的電源控制來實現(xiàn)降功耗要求，主要包括對外部攝像頭監(jiān)控系統(tǒng)電源、各個溫濕度傳感器電源以及遠程通信模塊。采用MOS管充當電子開關(guān)，MOS內(nèi)部電荷存儲和釋放過程迅速，能在極短時間內(nèi)完成導通和截止狀態(tài)的切換，這對于需要快速響應的電路至關(guān)重要，可有效提升系統(tǒng)的工作效率和性能。

2多級負載管理軟件算法設(shè)計

多級負載管理軟件算法的實施可有效提高鋰電池的續(xù)航能力，能盡可能為維護人員做到告警及監(jiān)控，并有效保存設(shè)備在掉電過程中的各項溫濕度指標，進而判斷所貯存產(chǎn)品的符合性，降低損失。具體軟件執(zhí)行流程如圖6所示[5]。

該軟件流程圖展示了在市電狀態(tài)變化及鋰電池電量不同情況下系統(tǒng)的運行控制邏輯：

1）開始與市電檢測：流程從“開始\"節(jié)點啟動，首先通過“市電是否存在\"判斷節(jié)點檢測市電狀態(tài)。

2）市電存在時：若檢測到市電存在，系統(tǒng)“正常執(zhí)行運轉(zhuǎn)程序”，并持續(xù)循環(huán)檢測市電狀態(tài)。

3）市電不存在時：當市電不存在，系統(tǒng)自動切換至鋰電池供電，軟件進入低功耗運行模式。隨即“立即遠程發(fā)送告警信號”，然后“立即切斷制冷系統(tǒng)、照明系統(tǒng)等輸出控制操作”，同時“切斷遠程通信模塊、溫濕度傳感器和攝像系統(tǒng)電源”，降低鋰電池能源消耗。

4鋰電池電量判斷與操作：此后，系統(tǒng)依據(jù)鋰電池電量進行不同操作。（1）鋰電池電量處于 80%～100% 且延時 10min 后，開啟遠程通信模塊發(fā)送告警信息及運行情況，同時開啟溫濕度傳感器和攝像系統(tǒng)電源，收集完信息后關(guān)閉；之后繼續(xù)檢測市電狀態(tài)，若仍無市電，則回到鋰電池電量判斷環(huán)節(jié)。（2）鋰電池電量在 50%～80% 且延時 10min 后，同樣按上述方式開啟相應模塊收集信息和發(fā)送告警，再循環(huán)檢測市電和電量。（3）鋰電池電量處于 20%～50% 且延時 30min 后，重復上述開啟和關(guān)閉模塊的操作，繼續(xù)監(jiān)測市電和電量。（4）鋰電池電量低于 20% 且不為0，延時 10min 后，開啟溫濕度傳感器收集信息后關(guān)閉，開啟遠程通信模塊發(fā)送告警。（5）當鋰電池電量降為0時，流程結(jié)束。

3 結(jié)束語

在目前通用冷鏈物聯(lián)控制器基礎(chǔ)上提出的冷鏈物聯(lián)控制器不間斷電源控制系統(tǒng)，有效解決了市電中斷帶來的問題。該系統(tǒng)硬件設(shè)計合理，關(guān)鍵電路性能良好，通過負載分級等策略延長續(xù)航，為智慧零售與冷鏈物流設(shè)備穩(wěn)定運行提供了保障，市場前景廣闊，值得推廣。

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