冷藏车车厢多点温度监测系统设计

周业兴，张晓莉

（东风柳州汽车有限公司技术中心，广西柳州545100）

冷藏车是冷链物流在贮藏运输环节中最关键的基础设施。在实际运输过程中，制冷机组单组故障或保温材料局部破损老化，都可能使得车厢内局部温度过高，达不到冷藏要求，导致货物变质引发物流损失。

传统系统往往只将单个传感器置于车厢某处，只能实现温度的单点监测。然而当车厢容积超过一定值后，单点监测难以及时发现局部温度过高的问题。若同时布控多个传统温度传感器，则系统成本过高，且每个传感器均需电源、地与信号3根线缆才能正常工作，导致系统布线复杂，潜在故障点增加，不便维护。

因此，提升下位机的带载能力设计，选择一款体积小、便于放置的单总线温度传感器，布置在保温材料易破损处及车厢内的关键位置，即可实现多点监测，又可节省布线成本，从而及时发现故障，有效地预防物流损失的发生。

1 系统的硬件设计

1.1 单总线数字温度传感器DS18B20

为减少温度传感器工作对整车其他电气设备的电磁干扰，同时提高温度信息传输的抗干扰性，方便布线，本系统选用美国DALLAS公司生产的DS18B20数字温度传感器作为温度测量设备。

DS18B20可测温度范围为－10℃～＋80℃，能够满足冷藏车的监测需求，且封装种类多、体积小，典型封装的体积只相当于一块手表用电池。其可以提供9位数字温度读数，在挂载数量不多的情况下，从中央处理器到DS18B20仅需连接一条线（地线也要连接），读、写和完成温度变换所需的电源，可以由数据线本身提供，而不需专设电源线及外部电源。

每个DS18B20有唯一的系列号，1台监测下位机可以带多个DS18B20，可满足多点监测需求。

1.2 系统原理图

系统原理图如图1所示。

供电方面，可采用24 V转5 V的DC-DC模块，实现将商用车24 V电源转换为系统需要的5 V直流稳压电源，但成本过高。

也可采用前装商用车控制器常用的降成本电源策略，即利用电阻搭建分压电路，先将24 V降压到8～12 V，之后再采用常见的LM7805CT稳压芯片，为系统提供＋5 V稳压电源，电阻分压电路在此不再赘述。

CPU采用Atmel 89S51工业单片机。抗干扰设计方面，采用了MAX813L“看门狗”芯片，每隔1.6 s会自动向CPU发送复位信号，确保主程序不会长时间跑“飞”。同时在主程序正常执行的情况下，每隔1 s左右改变MAX813L的复位信号电平，保证系统正常工作时不会总是不停地复位，而在受到巨大的电磁干扰时，又能在最长1.6 s的时间内复位并重新执行主程序。

外观方面，设置了电源指示灯D1、正常工作指示灯D2、通信指示灯D3，可方便直观地显示系统工作状态。与传感器的连接方面，可以利用DS18B20的单总线优势，只从主机引出“地”及“电源”2根线。其中数字信号与电源共线传输，从而减少多点监测的布线成本。

图1 系统原理图

当对成本要求不太严格的情况下，为保证系统的带载能力，也可将“电源线”、“地线”和“数据线”这3条线同时引出，与挂载DS18B20的电缆连接，如图中J2口所示。所有的DS18B20并联连接，可根据需要在不同的待测温度位置安装。

与上位机的通信方面，需根据监控需要设计。对于传统的声光报警监控，只需将指示灯设置在仪表台上，同时在主机内配置蜂鸣器，当温度超过预设值时，则报警提示驾驶员注意。

但这种设计只有为每个传感器都设置一个报警指示灯，才能发挥分散监测的优势及意义，这样势必会使仪表台布置繁杂。

根据现代物流对于“足不出户便可知晓车辆信息”的监控需要，可通过无线网络传递温度信息。下位机设置在单台车辆上，实现温度信息的采集及无线通信信号的转换传输，由于无线传输不受距离限制，因此只需在监控室内设置接收无线信号的调制解调器，便可实现物流运营单位的室内监控需求，将冷藏车厢的各点实时温度这一重要信息，与车辆位置、油压、胎压等各种待监控信息一起，组成单台车辆的工作状态数据。

无线网络选择方面，对于城际物流，可选择无线“Internet”网络，室内的监控界面可根据需要灵活设计；对于车辆可能进入郊区、农村、山区等无线“Internet”网络暂未覆盖地区的情况，可以选择目前覆盖面最广的无线网络—无线移动通信网络，但监控数据的接收形式会受到一定的限制。

目前市场上现有的采用通信网络的无线监控，是将待监控信息以手机短信的形式传输。由于上层监控系统的要求各不相同，在此选择了最具代表性并便于系统调试的串口通信方式。

为提高串口通信波特率，采用频率为22.1184 MHz的外部晶振。通信部分采用MAX232芯片实现与PC机的通信连接。经MAX232的电平转换后，将单片机串口的TTL电平转换成RS232电平。同时系统设置了手动复位开关，可方便灵活地使系统复位。

1.3 提高挂载能力的措施

为提高系统挂载能力，使每台下位机能挂载较多的传感器，可采取以下两个方面的措施：

（1）系统硬件设计方面。如图1所示，将DS18B20的电源引脚与系统电源线连接，为传感器提供足够的工作电流，这样DS18B20就无需从数据线上获取工作电源。同时，在控制单元与DS18B20连接的数据线引脚另加上拉电阻，以增加单片机I/O口的驱动能力。

（2）工程布线方面。实际应用中，连接线存在电阻，而每个DS18B20的输入电阻为500 kΩ，普通电缆的电阻约为2 Ω/m，因此连接线的电阻，不是影响挂载能力的主要因素。但由于连接线用于通信后存在分布电容，使得总线上电平转换的时间延长，打乱了DS18B20的工作时序，严重时会影响正常通信，因此限制了挂载距离。

实验证明，在按（1）中所述方法改进了硬件设计后，使用普通电缆时，与某个下位机连接长度仅能限制在8 m以内，才能保证正常稳定地通信，这显然不符合实际需要。

这一问题可以通过使用带屏蔽的双铰线代替普通电缆来解决。此时信号电流在两根内导线上流动，噪声电流在屏蔽层里流动，因此消除了公共阻抗的耦合，而任何干扰将同时感应到两根导线上，使噪声相消，最远距离可达160 m。使用每单位长度铰合次数更多的电缆，可以使挂载距离进一步增加。

2 系统的软件设计

2.1 功能描述

每个DS18B20数字温度计，包括一个唯一的64位长的ROM编码，即ID系列号。具体需要对某个DS18B20进行控制时，需要先在总线上“写”其ID号，它才能识别且对控制命令做出响应。这是单总线数字温度计与普通温度传感器的重要区别之一。因此系统程序包括两个部分：

第一部分——读取DS18B20的ID号码；

第二部分——读温度并与上位机通信。

一个典型的 ID 号为“0×28，0×70，0×88，0×EA，0×00，0×00，0×00，0×21”。其中开始的 8 位是单线产品系列编码，所有的DS18B20都一样为“28”，接着的48位是唯一的系列号，最后8位是前56位的循环校验码。

2.2 读温度并与上位机通信的程序

共包括“控制DS18B20并读温度”和“与主机通信的协议转换”两个功能。主程序需定义实际挂载的DS18B20的ID号码数组。上位机与下位机通信程序流程图如图2所示。

图2 读温度并与上位机通信流程图

一种典型的主从式串口通信协议如下：

（1）总则。主从式通信，主从双方均采用异步串口进行数据通信，1位起始位，8位数据位，1位停止位，无奇偶校验位。波特率115200 bps，采用TTL电平标准。通信双方采用报文作为基本传输单位，一条报文包括若干字节。

（2）主机→从机。主机采用广播方式发送所有报文，所有从机同时收到主机发出的每一条报文。主机报文格式如表1所列。

表1 主机报文格式表

（3）从机→主机。所有从机共用一条发送总线，任意时刻只允许一个从机占用。从机报文格式与主机相同，只需将目标地址码该为源地址码即可。

3 结束语

本文采用Atmel 89S51单片机作为控制单元、DS18B20作为温度测量传感器，根据冷链物流对于冷藏车辆状态实时监控的需求，并针对大型商用车对电气系统电磁兼容性能要求高的实际情况，设计了一个实时采集数字温度信息，并与上位机通信的温度监测下位机。

该系统布线方便，且能根据需要灵活地增减传感器数量，实现了对大型冷藏车辆车厢内多点温度信息的实时监测，解决了及时发现车厢保温材料破损及制冷机组故障的问题，为车辆设备维护管理提供了重要参考依据，并有效降低了物流损失。

[1]张毅刚，彭喜源.MCS-51单片机应用设计[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2001.

[2]何立民.单片机应用技术选编[M].北京：北京航空航天大学出版社，1996.