M24LR64在冷鏈溫度記錄儀中的應用

　　摘要：為了實現對藥品冷藏運輸及配送過程中溫度變化的實時記錄，介紹了一種低功耗冷鏈溫度記錄儀的軟硬件設計方法。溫度記錄儀硬件包括溫度數據采集、數據讀取及處理、數據存儲3個部分，其功能分別由數字溫度傳感器STT$75、低功耗微控制器STM8L101F3，以及具有I2C和RF雙接口的數據存儲器M24LR64完成。軟件編程采用模塊化思想，通過對STTS75、STM8L101F3工作模式配置可以實現系統低功耗運。M24L-R64內存儲的溫度數據在需要時可以通過射頻方式讀出。
　　
　　引言
　　
　　隨著工業化技術的不斷發展，疫苗、生物制劑和藥品等對溫度敏感的商品在加工、儲存、運輸、銷售等過程中，需要對各個過程中的溫度參數進行記錄跟蹤，以保證產品質量，這就是冷鏈體系。藥品冷鏈由冷凍加工、冷凍貯藏、冷藏運輸及配送、冷凍銷售4個方面構成，而在冷藏運輸及配送環節zui容易出現問題。藥品冷藏運輸及配送需要溫度保持在2～8℃范圍內，而原有監測技術手段滯后是zui大的技術瓶頸。為了保證在藥品冷藏運輸及配送環節實現溫度監控，克服實時性差、監管脫節、取證和責任界定困難的不足，本文設計了一種可實現溫度數據自動存儲、非接觸式讀出的冷鏈溫度記錄儀。
　　
　　1、系統總體結構及功能
　　
　　1．1系統總體結構
　　
　　冷鏈溫度記錄儀主要由溫度傳感器、微控制器和數據存儲器組成，如圖1所示。整個系統基本工作流程是：首先溫度傳感器利用內部A／D轉換器將采集的溫度值轉換后得到相對應的數字量，接收到微控制器發出的串行時鐘脈沖（SCL）和讀數據指令后通過I2C總線將數據傳送至微控制器，微控制器對溫度傳感器傳送的數據進行相應處理，然后微控制器向存儲器發出串行時鐘脈沖（SCL）和寫數據指令，通過I2C總線將數據存儲于數據存儲器內。　　
　　1．2系統功能
　　
　　冷鏈溫度記錄儀應用在藥品冷藏運輸及配送環節，需要考慮產品的耐溫性能、續航時間、數據存儲能力，因此器件選擇需要考慮器件適用溫度范圍、數據傳輸方式和速度、功耗等多方面因素。溫度記錄儀應當具有以下功能：
　　
　　◆測量溫度范圍2～8℃，測量精度±0．5℃。
　　
　　◆系統功耗低，續航時間長。
　　
　　◆數據存儲空間大，數據讀取方便。
　　
　　◆體積小，便于安裝。
　　
　　◆更換電池方便，價格低，可循環使用。
　　
　　2、硬件電路設計
　　
　　2．1器件選型
　　
　　（1）溫度傳感器
　　
　　溫度傳感器選用ST（意法半導體）公司生產的STTS75數字溫度傳感器，它內置一個9～12位A／D轉換器，溫度測量范圍-55～125℃，供電電壓為2．7～5．5V，在3．3V電壓下工作電流為75mA。STTS75有8個引腳，A2、A1、A0三個引腳可實現8個傳感器共用同一條總線而不會發生地址沖突（地址為1001A2A1A0），SCL、SDA通過I2C總線可以將傳感器配置為比較模式、中斷模式、關閉模式和單發模式。在單發模式下，通過對數據的間歇性采集，可以達到降低功耗的目的。首先將傳感器設置為關閉模式（shut-upmode，電流只有1μA），當微控制器發送信號啟動單發模式后采集一次溫度數據，數據采集完成后自動進入關閉模式，即傳感器處于休眠狀態。
　　
　　（2）微控制器
　　
　　微控制器選用ST公司的8位低功耗單片機STM8L101F3，它具有16MHzRC振蕩器和38kHzRC振蕩器，8KBFlash，3種低功耗模式，具有自動喚醒功能，供電電壓1．65～3．6V。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、350nA停止模式4種電源管理模式。在暫停模式下可以利用自動喚醒單元（AWU）設置自動喚醒時間間隔。
　　
　　（3）數據存儲器
　　
　　數據存儲器選用ST公司2010年新推出的M24LR64，它是一款內置標準I2C串口和ISO15693標準RF接口的EEPROM存儲器，供電電壓1．8～5．5V，具有64位*標識符（UID），I2C傳輸頻率為400kHz，RF傳輸載波頻率13．56MHz，存儲器容量64KB，采集數據可保留40年。M24LR64有8個引腳，SCL、SDA通過I2C總線實現數據的存儲，E1、E0為器件選擇碼（b2b1位），在不接的情況下默認為0，AC0、AC1為天線線圈連接端。M-24LR64提供一個ISO15693標準的RF接口，可與RFID閱讀器進行無線通信。ISO15693是一種無源RFID標準，能同時從RF系統獲取電能和數據。在RF模式下，讀寫M24LR64不需要電源，從而節省板上電源，輕松、便捷地無線存取電子產品參數。
　　
　　2．2硬件系統工作原理
　　
　　冷鏈溫度記錄儀由溫度傳感器、微控制器和數據存儲器組成，硬件電路如圖2所示。溫度傳感器STTS75、微控制器STM8L101F3和數據存儲器M24LR64都是低功耗產品，3V紐扣電池即可實現冷鏈溫度記錄儀系統供電。系統上電后，微控制器STM8L101F3首先實現初始化操作，通過I2C總線向STTS75內部配置寄存器（ConfigurationRegister）寫入配置信息，使其工作模式為關閉模式、模／數轉換為9位模式，然后STM8L101F3向配置寄存器寫入數據使sTTS75處于單發模式。STTS75進行一次溫度數據采集，在數據轉換完成后將自動進入關閉模式，等待下一次喚醒。接著STM8L101F3從溫度寄存器（TemperatureRegister）內讀取溫度數據，進行數據處理，繼而通過I2C總線將處理后的數據寫入M24LR64內，zui后進入暫停模式。經過AWU設置的延時時間后，STM8L101F3將自動喚醒，向STTS75發送配置信息使其進入單發模式，然后讀取數據、處理數據，并將處理后數據存入M24LR64的下一空間內，接著進入暫停模式。周而復始即可實現溫度數據在固定時間間隔內的采集、處理和存儲。　　
　　3、軟件設計
　　
　　軟件開發環境選用STVisualDevelop（STVD）IDE，軟件設計采取模塊化思想，主要由溫度數據采集、數據處理和數據存儲3個部分組成。系統上電后首*行傳感器和M24LR64的初始化，然后對傳感器進行配置，數據轉換結束后進行數據讀取，然后將數據存儲于M24LR64內，數據存儲完成后進人暫停模式，AWU功能啟用，延時一段時間后將自動喚醒微控制器重復以上操作，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、M24LR64初始化函數、傳感器配置函數、讀傳感器數據函數、溫度數據處理函數和寫M24LR64程序組成。在程序起始的時候需要定義I2C傳輸速度，聲明傳感器和M24LR64的地址以及M24LR64寫入數據的起始地址。傳感器配置函數主要進行ADC輸出數據位數（9，10，12）和傳感器模式（shutdown，one-shot）配置。
　　
　　部分主要代碼如下：　　
　　結語
　　
　　本文設計了一種由低功耗微控制器STM8L101F3、數字溫度傳感器STTS75和數據存儲器M24LR64構成的冷鏈溫度記錄儀。經測試表明：記錄儀測量精度為±0．5℃，記錄時間間隔可自行設置（1s～255min），可以記錄8192組溫度數據，由3V紐扣鋰電池供電，在記錄間隔設置在10s以上的情況下，可以使用1年（室溫環境）、3個月（冷藏環境）。與傳統的冷鏈溫度記錄儀利用RS-232、I2C、SD卡、USB方式讀取數據相比，利用M24LR64實現的冷鏈溫度記錄儀具有電路硬件少、結構簡單、低功耗、低成本、高穩定性、自行設定數據采集間隔、存儲空間大、RF方式讀取數據、電池更換方便、可循環利用、不需要打開包裝、易于管理等諸多優點，可以廣泛應用在食品、藥品、鮮花等物品的冷藏運輸及配送環節，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控系統中，具有廣泛的實際應用前景。