CN111811673B - 一种具有稳定性增强机制及低功耗的多点测温终端及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有稳定性增强机制及低功耗的多点测温终端及方法。该终端包括站岗系统和采集系统。站岗系统包括主控模块一、电压检测模块、降压模块以及继电器模块，采集系统包括主控模块二、驱动电路以及多个温度传感器。电压检测模块用于检测供电电压有效值。主控模块一判断连续两次的供电电压有效值是否均位于预设波动电压范围内，电压变化速率是否小于个预设变化比率，同时是则判定供电电压处于平稳期，驱使电压检测模块停止检测，并驱使采集系统在平稳期内测温，否则，判定供电电压处于电压波动期。主控模块二驱使多个温度传感器采集多点的温度信息。本发明功耗大大降低，提高终端的稳定性，防止传感器烧毁，始终保持序列号的正确性。

Description

一种具有稳定性增强机制及低功耗的多点测温终端及方法

技术领域

本发明涉及粮仓温度采集技术领域的一种测温终端，尤其涉及一种具有稳定性增强机制及低功耗的多点测温终端，还涉及一种具有稳定性增强机制及低功耗的多点测温方法。

背景技术

粮食储备的安全关系着国家的安稳，在粮情测控领域，温度是粮仓内环境的重要监测参数，对保证粮食存储具有至关重要的作用。粮仓管理人员需要时刻了解仓房内部各个粮食点的温度，以方便做出相应的管理维护粮储温度。随着物联网的不断发展，越来越多的温度测控装置被开发出。传统多点测温终端多采用热敏电阻，精度低，易损坏，所以逐渐被DS18B20所代替。DS18B20因其独特的单总线协议和其内部ROM序列号结构被广泛应用于多点测温系统。每个DS18B20具有唯一的64位ROM序列号，存放于DS18B20内部ROM只读存储器中。当单总线上挂载多个DS18B20时，主机通过二叉树搜索算法在总线上搜索器件的数量和每个器件的ROM序列号，搜索到的ROM序列号存于EEPROM或SD卡。主机可以依据搜索的ROM序列号对挂在同一总线上的多个DS18B20进行唯一寻址，因此多个DS18B20能够连在同一数据线上而不会造成混乱。虽然软件能够搜索识别出所有器件的ROM序列号，但无法将ROM序列号与器件对应物理位置进行匹配，因此需要在接入终端前，分别读出各ROM序列号，然后根据需要放置器件，为每个器件标记其物理位置，这为温度的多点测量带来了极大的方便。

然而，对于现有的DS18B20多点测温终端仍然存在着稳定性的问题。在实际工作中发现，粮仓存储环境复杂，其电源电压波动频繁。对于有大规模DS18B20节点的多点测温终端，当其处于电源电压稳定的环境下，工作良好；而对于处于电源电压波动的环境下，DS18B20传感器存在大规模烧毁的问题。现有的解决方案大多针对供电电路进行改造，设计稳压电路，或者使用单独的稳压电源，使供电电压稳定，但是造价昂贵。另外，EEPROM和SD卡都具有易失性，容易受静电干扰或者程序跑飞的影响导致ROM序列号存储紊乱且存储在DS18B20的物理位置信息也会紊乱。搜索ROM序列号时出现搜索错误，这也会导致存储的ROM序列号是错误的。DS18B20损坏需要更换时，未知的新DS18B20的ROM序列号的也会给ROM序列号的存储增加负担。需要重新将存储的ROM序列号与对应物理位置进行匹配，否则仍会造成ROM序列号的存储紊乱，导致多点测温终端的数据采集失败。

发明内容

为解决现有的多点测温终端功耗大且稳定性较差的技术问题，本发明提供一种具有稳定性增强机制及低功耗的多点测温终端及方法。

本发明采用以下技术方案实现：一种具有稳定性增强机制及低功耗的多点测温终端，其包括站岗系统和采集系统；所述站岗系统包括主控模块一、电压检测模块、降压模块以及继电器模块；所述采集系统包括主控模块二、驱动电路以及多个温度传感器；其中，

所述电压检测模块用于每隔一个预设时间一检测一次向所述多点测温终端供电的供电电源的供电电压有效值；

所述主控模块一用于判断所述电压检测模块连续两次检测的所述供电电压有效值是否均位于一个预设波动电压范围内，并判断所述供电电压的电压变化速率是否小于一个预设变化比率；在所述电压检测模块连续两次检测的所述供电电压有效值均位于所述预设波动电压范围内且所述电压变化速率小于所述预设变化比率时，所述主控模块一判定所述供电电压处于平稳期，且驱使所述电压检测模块停止检测，并通过所述继电器模块驱使所述采集系统在所述平稳期内进行测温，否则，判定所述供电电压处于电压波动期，并延时一个预设时间二后驱使所述电压检测模块继续测量所述供电电压；

所述降压模块用于将所述供电电源的供电电压降压为一个工作电压并输出至所述驱动电路；所述驱动电路用于将所述工作电压施加所述温度传感器上，并放大输出至所述温度传感器的驱动电流；所述驱动电路包括一个零欧姆电阻，所述零欧姆电阻串联在所述降压模块与所述温度传感器之间；

在所述供电电压处于平稳期时，所述主控模块二驱使多个温度传感器采集多点的温度信息；所述站岗系统将所述主控模块二获取的多点温度数据至一个测温管理平台，并进入睡眠模式，所述多点测温终端进入低功耗模式。

本发明通过用功能分级思想，设计了采集系统、站岗系统及其协调控制机制，站岗系统中电压检测模块检测供电电压有效值，而主控模块一则判断连续两次检测的供电电压有效值是否在预设波动电压范围内，同时判断电压变化速率是否小于一个预设变化比率，当这两个条件均满足预设时，则判定供电电压处于平稳期，进而驱使采集系统进行温度数据采集，否则电压处于波动期，需要延时后继续测量供电电压，如此为采集系统提供稳定的工作电压条件。而且相比于电压波动周期时间，多点测温终端的数据采集时间很短，所以很容易在电压平稳期内完成数据采集过程。终端每次定时采集完成后，采集系统电源关闭，站岗系统进入睡眠模式，终端进入低功耗模式，减少了终端的工作时间。相比于频繁的电压检测带了功耗的增加，该多点测温终端每次数据采集前只检测两次电压，使得多点终端的功耗大大降低。同时，驱动电路设有零欧姆电阻，零欧姆电阻可以释放电容中存储的电量，防止采集子系统停止供电时导致电容瞬间反向放电造成传感器烧毁，从而保证多点测温终端长时间工作的稳定性，这样解决了现有的多点测温终端功耗大且稳定性较差的技术问题，得到了低功耗，高稳定性的技术效果。

作为上述方案的进一步改进，所述采集系统包括至少一根单总线，多个温度传感器均挂载在所述单总线上；所述主控模块二在获取多点温度数据时，先向所述单总线上发送复位脉冲，并在所述单总线有回复信号时判定所述单总线上挂载有器件，向挂载有器件的所述单总线发送ROM序列号搜索命令，并进行二叉树搜索匹配，然后在获取所有温度传感器的ROM序列号后，向所述单总线发送复位信号和温度转换指令，再然后等待一个预设时间三，向所述单总线发送ROM序列号匹配指令，最后逐个写入ROM序列号匹配相应的温度传感器，获得各个温度传感器的温度数据。

作为上述方案的进一步改进，所述驱动电路还包括开关K，电阻R、R21，电容C33以及三极管Q1；开关K的引脚1与所述零欧姆电阻的一端相接，引脚2与引脚3位于引脚1的相对两侧，引脚4接地，引脚5接入所述供电电压；所述零欧姆电阻的另一端与电阻R、R21的同一端相接，还与三极管Q1的集电极相接；电容C33的一端与电阻R的另一端、三极管Q1的发射极相接，电容C33的另一端、三极管Q1的栅极、电阻R21的另一端相接，并与所述温度传感器的正极相接。

作为上述方案的进一步改进，所述电压检测模块用于将强电信号转化为弱电信号，且所述强电信号与所述弱点信号呈线性关系；所述电压检测模块通过模拟数字转换器采集所述供电电压；在定时中断时，所述模拟数字转换器初始化且通道打开，所述电压检测模块连续多次采集所述供电电压有效值，并去除最小的供电电压有效值和最大的供电电压有效值后取多个供电电压有效值的平均值作为电压检测结果；在连续多次检测的供电电压处于电压波动期时，所述主控模块一驱使所述电压检测模块停止检测，关闭所述模拟数字转换器的通道，并上报电压波动报警信息。

作为上述方案的进一步改进，所述主控模块一和所述主控模块二均为stm32单片机芯片，且内部具有Flash空间；所述温度传感器为DS18B20传感器，且所有温度传感器设置在多根DS18B20线缆上，每根DS18B20线缆具有多个DS18B20传感器。

进一步地，所述采集系统设置ROM序列号、根号以及位号，且所述主控模块二的Flash空间中设置标志ROM_flag；所述采集系统在存储时，先进行上电初始化，并判断标志ROM_flag是否为1，为1则进行多次二叉树搜索和所有ROM序列号校验比对，并判断ROM序列号是否正确，若正确则将ROM序列号按序存入Flash空间，否则判定无法正常工作，不为1则判断是否更换温度传感器，是则先读取拨码开关键值，再在Flash空间中暂存新DS18B20传感器的ROM序列号，然后依据键值向节点暂存器写入根号和位号，最后批量更新故障节点的ROM序列号；其中，在连续三次按位对比中，至少两次对比结果相同则认定搜索的ROM序列号为正确的；若连续三次的校验对比中，校验码都不同，则认定当前器件、线路可能存在问题或者电压波动剧烈，需要检查电路和DS18B20线缆，并重新存储ROM序列号。

再进一步地，所述采集系统在每次采集温度数据时，还读取根号、位号物理位置数据，并将所述温度数据与实际物理位置进行匹配；定义所述温度数据为两个字节，在所述采集系统每次采集温度时，若采集的温度节点数据为0000时，定义相应的温度传感器出现短路，若采集的温度节点数据为FFFF时，定义相应的温度传感器出现断路，所述主控模块二将相应的两种故障标记上报至所述测温管理平台。

再进一步地，所述采集系统设有8位拨码开关和两个按键，并具有向所述温度传感器的暂存器写入根号、位号物理位置数据的一路端口，所述端口用于更新Flash空间的故障节点ROM序列号；其中一个按键用于向所述温度传感器写入根号、位号数据，其中另一个按键用于批量更新故障节点ROM序列号；8位拨码开关用于表示根号、位号，前四位拨码开关表示根号，后四位拨码开关表示位号。

作为上述方案的进一步改进，所述预设波动电压范围为198-235.4V，所述预设变化比率为2.5％。

本发明还提供一种具有稳定性增强机制及低功耗的多点测温方法，其应用于上述任意所述的具有稳定性增强机制及低功耗的多点测温终端中，其包括以下步骤：

每隔一个预设时间一检测一次向所述多点测温终端供电的供电电源的供电电压有效值；

判断所述电压检测模块连续两次检测的所述供电电压有效值是否均位于一个预设波动电压范围内，并判断所述供电电压的电压变化速率是否小于一个预设变化比率；

在所述电压检测模块连续两次检测的所述供电电压有效值均位于所述预设波动电压范围内且所述电压变化速率小于所述预设变化比率时，判定所述供电电压处于平稳期，且驱使所述电压检测模块停止检测，并通过所述继电器模块驱使所述采集系统在所述平稳期内进行测温；

在所述电压检测模块连续两次检测的所述供电电压有效值未位于所述预设波动电压范围内或/和所述电压变化速率不小于所述预设变化比率时，判定所述供电电压处于电压波动期，并延时一个预设时间二后驱使所述电压检测模块继续测量所述供电电压；

先将所述供电电源的供电电压降压为一个工作电压并输出至所述驱动电路，再将所述工作电压施加所述温度传感器上，并放大输出至所述温度传感器的驱动电流；

在所述供电电压处于平稳期时，驱使多个温度传感器采集多点的温度信息；所述站岗系统将所述主控模块二获取的多点温度数据至一个测温管理平台，并进入睡眠模式，所述多点测温终端进入低功耗模式。

相较于粮仓多点测温终端，本发明的具有稳定性增强机制及低功耗的多点测温终端及方法具有以下有益效果：

1、该具有稳定性增强机制及低功耗的多点测温终端，其通过用功能分级思想，设计了采集系统、站岗系统及其协调控制机制，站岗系统中电压检测模块检测供电电压有效值，而主控模块一则判断连续两次检测的供电电压有效值是否在预设波动电压范围内，同时判断电压变化速率是否小于一个预设变化比率，当这两个条件均满足预设时，则判定供电电压处于平稳期，进而驱使采集系统进行温度数据采集，否则电压处于波动期，需要延时后继续测量供电电压，如此为采集系统提供稳定的工作电压条件，可以避免电压波动而使传感器大规模烧毁，进而提高终端的工作稳定性。

而且，相比于电压波动周期时间，多点测温终端的数据采集时间很短，所以很容易在电压平稳期内完成数据采集过程。终端每次定时采集完成后，采集系统电源关闭，站岗系统进入睡眠模式，终端进入低功耗模式，减少了终端的工作时间。相比于频繁的电压检测带了功耗的增加，该多点测温终端每次数据采集前只检测两次电压，使得多点终端的功耗大大降低。

2、该具有稳定性增强机制及低功耗的多点测温终端，其采集系统的驱动电路可以增大驱动电流，而且设有零欧姆电阻，零欧姆电阻可以释放电容中存储的电量，为了防止继电器开关电源的瞬间电流过大造成传感器损坏，同时也防止采集子系统停止供电时导致电容瞬间反向放电造成传感器烧毁，从而保证多点测温终端长时间工作的稳定性。并且，零欧姆电阻相当于很窄的电流通路，能够有效地限制环路电流，使噪声得到抑制，在所有频带上都有衰减作用。

3、该具有稳定性增强机制及低功耗的多点测温终端，其针对采集系统多点测温中节点ROM序列号、暂存器中根号和位号的物理位置信息的存储紊乱所导致的数据采集失败问题，结合多点测温的基本原理，利用STM32单片机Flash的抗干扰存储的先天优势，设计了新型ROM序列号和物理位置信息的存储机制。采用二叉树搜索算法多次读取节点ROM序列号，通过对比校验，将正确的节点ROM序列号按序存储至单片机的Flash中。根据采集数据对节点故障类型和故障节点的物理位置进行准确判断。对故障节点进行替换时，采用单点测温模式逐一获取新节点的ROM序列号，并写入相应的根号和位号信息。通过检索节点暂存器中根号和位号信息，可快速、批量更新故障节点的ROM序列号。与现有模块相比，当节点暂存器中的根号和位号的物理位置信息发生存储紊乱时，该模块仍可正常工作。因此，该多点测温终端能始终将Flash存储的每一个传感器的ROM序列号与其所处的物理位置匹配，始终保持Flash存储的ROM码序列号的正确性，防止序列号存储的紊乱，进一步提升多点测温终端的稳定性。

4、该具有稳定性增强机制及低功耗的多点测温方法，其有益效果与上述具有稳定性增强机制及低功耗的多点测温终端的有益效果相同，在此不再做赘述。

附图说明

图1为本发明实施例1的具有稳定性增强机制及低功耗的多点测温终端的系统框架图。

图2为图1中的具有稳定性增强机制及低功耗的多点测温终端的采集系统的驱动电路的电路图。

图3为图1中的具有稳定性增强机制及低功耗的多点测温终端的站岗系统的协调控制机制流程图。

图4为图1中的具有稳定性增强机制及低功耗的多点测温终端的采集系统的DS18B20传感器的结构图。

图5为图1中的具有稳定性增强机制及低功耗的多点测温终端的ROM序列号Flash扇区存储结构图。

图6为图1中的具有稳定性增强机制及低功耗的多点测温终端的采集系统的ROM序列号及根号、位号存储机制流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

请参阅图1，本实施例提供了一种具有稳定性增强机制及低功耗的多点测温终端，该终端用于对粮仓的多点温度测量。该终端采用功能分级思想，包括站岗系统和采集系统，设计了这两者的协调控制机制。站岗系统通过两次电压的检测和判定，为采集系统提供稳定的工作电压条件，并且只有在电压稳定时采集系统才会进行多点温度数据采集。其中，站岗系统包括主控模块一、电压检测模块、降压模块以及继电器模块，采集系统包括主控模块二、驱动电路以及多个温度传感器。在本实施例中，主控模块一和主控模块二均为stm32单片机芯片，具体为STM32F103ZET6主控芯片，而且内部具有Flash空间。温度传感器为DS18B20传感器，且所有温度传感器设置在多根DS18B20线缆上，每根DS18B20线缆具有多个DS18B20传感器。

降压模块用于将供电电源的供电电压降压为一个工作电压并输出至驱动电路。其中，供电电压在正常是应该为220V，其与粮仓用电的电压相同，而本实施例1中绝大部分电性器件的用电电压都为5V左右，需要降压模块将220V交流电降至5V直流。降压模块可以采用现有的降压电路，其能够将供电电源的输出电压降压为5V，同时还可以采用稳压单元对电压进行稳压处理。

请参阅图2，对于采集系统，由于DS18B20采用寄生电源供电方式，如果要进行精确的温度转换，I/O口必须在转换期间保证供电。由于DS18B20的工作电流达到1mA，仅靠5K的上拉电阻是远远不够的，对于有大规模节点的多点测温终端，需要有驱动电路增大驱动电流。而且由于DS18B20节点众多，所需驱动电流较大，所以需要有驱动电路。因而，驱动电路用于将工作电压施加温度传感器上，并放大输出至温度传感器的驱动电流。

因为多点测温终端频繁开关采集系统驱动电路电源，为了防止继电器开关电源的瞬间电流过大造成传感器损坏，驱动电路包括一个零欧姆电阻，零欧姆电阻串联在降压模块与温度传感器之间。零欧姆电阻并非阻值为0，是一个阻值极小的电阻。零欧姆电阻相当于很窄的电流通路，能够有效地限制环路电流，使噪声得到抑制，在所有频带上都有衰减作用。通过零欧姆电阻可以释放电容中存储的电量，防止采集子系统停止供电时导致电容瞬间反向放电造成传感器烧毁，从而保证多点测温终端长时间工作的稳定性。

在本实施例中，驱动电路还包括开关K，电阻R、R21，电容C33以及三极管Q1。开关K的引脚1与零欧姆电阻的一端相接，引脚2与引脚3位于引脚1的相对两侧，引脚4接地，引脚5接入供电电压。零欧姆电阻的另一端与电阻R、R21的同一端相接，还与三极管Q1的集电极相接。电容C33的一端与电阻R的另一端、三极管Q1的发射极相接，电容C33的另一端、三极管Q1的栅极、电阻R21的另一端相接，并与温度传感器的正极相接。

电压检测模块用于每隔一个预设时间一检测一次向多点测温终端供电的供电电源的供电电压有效值。电压检测模块可以采用现有的电压检测模块，其具体采集参数可以根据实际需要进行确定。在本实施例中，多点测温终端每隔半小时采集多点温度数据，采集工作前，首先需要供电电压稳定，因此需要站岗系统为其找到供电电压的平稳期。对于站岗系统的协调控制机制流程如图3所示，站岗系统上电初始化，等待定时器中断。定时中断发生，站岗系统开始通过电压检测模块测量供电电压有效值。其中，平稳期的确定由主控模块一进行。

在本实施例中，电压检测模块用于将强电信号转化为弱电信号，且强电信号与弱点信号呈线性关系。因此，电压检测模块通过模拟数字转换器(ADC)采集供电电压。在定时中断时，模拟数字转换器初始化且通道打开，电压检测模块连续多次(一般为10次)采集供电电压有效值，并去除最小的供电电压有效值和最大的供电电压有效值后取多个供电电压有效值的平均值作为电压检测结果。在连续多次检测的供电电压处于电压波动期时，主控模块一驱使电压检测模块停止检测，关闭模拟数字转换器的通道，并上报电压波动报警信息。其中，ADC单通道采集时，第一次采集可能存在误差，所以去除第一次ADC采集值，并对所有采集值排序。

主控模块一用于判断电压检测模块连续两次检测的供电电压有效值是否均位于一个预设波动电压范围内，并判断供电电压的电压变化速率是否小于一个预设变化比率。在电压检测模块连续两次检测的供电电压有效值均位于预设波动电压范围内且电压变化速率小于预设变化比率时，主控模块一判定供电电压处于平稳期，且驱使电压检测模块停止检测，并通过继电器模块驱使采集系统在平稳期内进行测温，否则，判定供电电压处于电压波动期，并延时一个预设时间二后驱使电压检测模块继续测量供电电压。

对于日常标准用电供电电压220V，其允许偏差为标称系统电压的+7％，-10％，因此，预设波动电压范围为198-235.4V。超出此范围则认定电压波动异常。在本实施例中，预设变化比率为2.5％，即电压变化速率大于2.5％每秒的，称为电压波动异常。实际工作中，对于有大规模节点的多点测温终端的温度数据采集过程仅仅需要几秒即可完成；对于只测量一根DS18B20线缆(一根DS18B20线缆大致10个左右DS18B20传感器)的情况下，其过程甚至只需1秒。相比于电压波动周期时间，多点测温终端的数据采集时间很短，所以很容易在电压平稳期内完成数据采集过程。所以本实施例通过两次检测供电电压，判定供电电压是否属于平稳期，检测时间间隔由采集系统实际数据采集时间决定，该时间间隔内的电压判断作为紧接着的采集系统工作电压稳定的依据。检测时间间隔动态的变化，采集系统实际数据采集时间与DS18B20节点数有关，对于每一根DS18B20线缆，分配1秒的检测时间。对于有上百个DS18B20节点的多点测温终端，检测时间为10秒。多点测温终端接受上行指令，对于管理者下发指令只测量若干根DS18B20线缆，多点测温终端也随之自适应的分配相应的检测时间。

在供电电压处于平稳期时，主控模块二驱使多个温度传感器采集多点的温度信息。站岗系统将主控模块二获取的多点温度数据至一个测温管理平台，并进入睡眠模式，多点测温终端进入低功耗模式。在本实施例中，当两次检测电压有效值，处于正常波动范围内，且电压变化速率在2.5％每秒以内，则认定供电电压处于平稳期。站岗系统关闭ADC并且通过继电器控制采集系统开始数据采集工作，数据采集结束后，采集系统上传采集数据，然后站岗系统关闭采集系统电源。如果判定电压处于波动期，则延时1min继续测量供电电压，如果连续10次供电电压仍处于电压波动期，则终止此次检测，关闭ADC，上报电压波动报警信息。站岗系统负责数据的传递，每次数据传递结束后进入睡眠模式。站岗系统支持SPI、串口、485等接口，可根据实际需要，通过各种接口实现与上层管理模块的有线或者无线数据传输，接受上层管理着的指令。

在本实施例中，采集系统包括至少一根单总线，多个温度传感器均挂载在单总线上。主控模块二在获取多点温度数据时，先向单总线上发送复位脉冲，并在单总线有回复信号时判定单总线上挂载有器件，向挂载有器件的单总线发送ROM序列号搜索命令，并进行二叉树搜索匹配，然后在获取所有温度传感器的ROM序列号后，向单总线发送复位信号和温度转换指令，再然后等待一个预设时间三，向单总线发送ROM序列号匹配指令，最后逐个写入ROM序列号匹配相应的温度传感器，获得各个温度传感器的温度数据。即采集系统多点测温过程如下：

1、向单总线上发送复位脉冲，有回复信号则表示单总线上挂载有器件。

2、向单总线上发送ROM序列号搜索命令，进行二叉树搜索匹配。

3、在获取所有DS18B20的ROM序列号后，向单总线发送复位信号和温度转换指令。

4、等待750us，向单总线发送ROM序列号匹配指令。

5、逐个写入ROM序列号匹配相应DS18B20，获取温度值。

多点测温终端在首次搜索所有ROM序列号后，将其存储。以后的每次温度采集过程中，无需再次搜索，直接通过存储的ROM序列号匹配所有节点获取温度数据。

从上述机制可以得知，多点测温终端低功耗设计在于终端每次定时采集完成后，采集系统电源关闭，站岗系统进入睡眠模式，终端进入低功耗模式，减少了终端的工作时间。相比于频繁的电压检测带了功耗的增加，本实施例的多点测温终端每次数据采集前只检测两次电压，并且自适应的调整ADC通道打开时间，使得多点终端的功耗大大降低。上述机制不仅仅增强了多点测温终端的稳定性，并且也具有低功耗的优势。同时低功耗减少了多点测温终端的工作时间，延长使用寿命，更加提升了多点测温终端的稳定性。

多点测温终端的稳定性问题不仅仅在于电压波动所导致的硬件损毁，在软件层面上，在干扰较大的环紧下，DS18B20节点的ROM序列号、暂存器根号和位号物理位置信息存储紊乱也会导致数据采集失败。所以需要考虑合理的存储ROM序列号及根号和位号，设计新型ROM序列号和物理位置信息的存储机制。

具体的，stm32单片机芯片内部具有Flash，它是存储用户应用程序的空间。Flash中的内容一般用来存储代码和一些定义为const的数据，断电不丢失，运行稳定不会出错。stm32f103zet6具有512K字节的Flash，对于拥有上百个DS18B20节点的多点测温终端，其所有ROM序列号存储也仅需占用800字节的空间(以一百个DS18B20为例)。相比于EEPROM和SD卡，Flash不仅更为可靠，性价比更高。本实施例将ROM序列号存储至stm32单片机内部Flash中。

对内部Flash的写入过程：

1、解锁(固定的KEY值)

(1)往Flash密钥寄存器Flash_KEYR中写入KEY1＝0x45670123；

(2)再往Flash密钥寄存器Flash_KEYR中写入KEY2＝0xCDEF89AB。

2.擦除扇区

在写入新的数据前，需要先擦除存储区域，STM32提供了扇区擦除指令和整个Flash擦除(批量擦除)的指令，批量擦除指令仅针对主存储区。

扇区擦除的过程如下：

(1)检查Flash_SR寄存器中的“忙碌寄存器位BSY”，以确认当前未执行任何Flash操作；

(2)在Flash_CR寄存器中，将“激活扇区擦除寄存器位SER”置1，并设置“扇区编号寄存器位SNB”，选择要擦除的扇区；

(3)将Flash_CR寄存器中的“开始擦除寄存器位STRT”置1，开始擦除；

(4)等待BSY位被清零时，表示擦除完成。

3.写入数据

擦除完毕后即可写入数据，写入数据的过程并不是仅仅使用指针向地址赋值，赋值前还还需要配置一系列的寄存器，步骤如下：

(1)检查Flash_SR中的BSY位，以确认当前未执行任何其它的内部Flash操作；

(2)将Flash_CR寄存器中的“激活编程寄存器位PG”置1；

(3)针对所需存储器地址(主存储器块或OTP区域内)执行数据写入操作；

(4)等待BSY位被清零时，表示写入完成。

4.上锁

定位到库函数void Flash_Lock(void)。只要置位LOCK位就上锁了。

对内部Flash的读出过程：

读操作是可以直接取址的，所以读操作实际只要用uint8_t类型取出目标地址再取值就可以了。

通过上述读写Flash步骤，本实施例可以轻易将搜索到的所有ROM码存储在单片机Flash中。接下来说明ROM序列号和暂存器根号、位号物理位置信息的存储机制。

DS18B20自身具有存储器，其结构如图4所示。暂存器的结构为9个字节的存储器。头两个字节包含测得的温度信息。第三和第四字节用于存储温度上限TH和温度下限TL，这两个是EEPROM结构，由于第三和第四字节可被用户读写的特性，一般作为DS18B20节点的物理位置的数据存储。将第三字节存储根号，第四字节存储位号，意为此DS18B20节点处于某根线缆的某个位置。一般情况，厂家在出厂DS18B20线缆时，其已预设了DS18B20节点的物理位置。即对于ROM序列号被优先搜索出的DS18B20节点，放置于线缆的头部，依次放置，依此类推，最后被搜索的放置尾部。如某根线缆有N个DS18B20节点，则此线缆中的传感器从头至尾的位号为1,2,...,N。所以依据每个DS18B20节点的物理位置按序存储ROM序列号至相应的Flash位置，方便ROM序列号与其物理位置进行匹配。ROM序列号Flash扇区存储结构如图5所示，Flash按扇区操作，一个扇区分配2K字节，每一根DS18B20线缆的所有节点ROM序列号存储在一个扇区，避免跨越扇区。对于厂家已经预设了传感器位置，本实施例在Flash存储时也这样操作，对于优先被搜索的ROM码存储于2K字节扇区的前8个字节，第二个被搜索的放入第二个8字节空间，以此类推，直到所有ROM序列号按序被存储完毕。

请参阅图6，采集系统设置ROM序列号、根号以及位号，且主控模块二的Flash空间中设置标志ROM_flag，数值为1则说明系统已有ROM序列号，不需要搜索；如果为0，表明系统初次上电，需要搜索所有ROM序列号存入Flash扇区。因此，采集系统在存储时，先进行上电初始化，并判断标志ROM_flag是否为1，为1则进行多次二叉树搜索和所有ROM序列号校验比对，并判断ROM序列号是否正确，若正确则将ROM序列号按序存入Flash空间，否则判定无法正常工作，不为1则判断是否更换温度传感器，是则先读取拨码开关键值，再在Flash空间中暂存新DS18B20传感器的ROM序列号，然后依据键值向节点暂存器写入根号和位号，最后批量更新故障节点的ROM序列号。其中，在连续三次按位对比中，至少两次对比结果相同则认定搜索的ROM序列号为正确的；若连续三次的校验对比中，校验码都不同，则认定当前器件、线路可能存在问题或者电压波动剧烈，需要检查电路和DS18B20线缆，并重新存储ROM序列号。

对于搜索出的ROM序列号在存储前，本实施例需要确定其是正确的(电压波动或者干扰大导致ROM序列号搜索可能出错)，所以采用二叉树搜索算法多次搜索ROM序列号进行校验比对(一般三次即可)。ROM序列号为8个字节数据，其中第一个字节为产品系列码固定为28H，最后一个字节为CRC校验码，是前7个字节计算得到。所以校验比对时，本实施例仅用ROM序列号中的CRC校验码进行校验比对，这将大大节省校验比对的时间。通过连续三次的按位对比，如果其中有两次相同则认定此两次搜索的ROM序列号是正确的，可以存入Flash。考虑极端情况，如果连续三次的校验对比发现，CRC校验码都不同，则认定当前器件、线路可能存在问题或者电压波动剧烈，需要检查电路和DS18B20线缆，重新存储ROM序列号。通过上述对比校验方法将正确的节点ROM序列号存储至单片机Flash中。

采集系统在每次采集温度数据时，还读取根号、位号物理位置数据，并将温度数据与实际物理位置进行匹配。定义温度数据为两个字节，在采集系统每次采集温度时，若采集的温度节点数据为0000时，定义相应的温度传感器出现短路，若采集的温度节点数据为FFFF时，定义相应的温度传感器出现断路，主控模块二将相应的两种故障标记上报至测温管理平台。两种故障标记上报，管理人员通过温度数据匹配的根号、位号物理位置数据即可找出故障传感器。

对于DS18B20损坏更换新的传感器时，一般从厂家发货相同根号、位号的DS18B20来进行替换，通过重新搜索ROM序列号读取根号、位号，依据根号、位号将新的ROM序列号更新至相应的Flash扇区，但是这未免有些麻烦。如果任何一个DS18B20都能替换，这将变得简单的多。采集系统设有8位拨码开关和两个按键，并具有向温度传感器的暂存器写入根号、位号物理位置数据的一路端口，端口用于更新Flash空间的故障节点ROM序列号。其中一个按键用于向温度传感器写入根号、位号数据，其中另一个按键用于批量更新故障节点ROM序列号。8位拨码开关用于表示根号、位号，前四位拨码开关表示根号，后四位拨码开关表示位号。具体的，当本实施例得知某根线缆有若干个(可能一个可能多个)DS18B20节点损坏时，这时需要新的DS18B20进行更换。首先本实施例将新的DS18B20逐一接上采集系统预留的端口，并且本实施例通过拨码开关设置根号、位号。程序读取拨码开关键值为8位二进制数据，拨码开关拨至高电平为‘1’，低电平为‘0’。例如，拨码开关键值为11H，此值表示根号为1位号为1的物理位置数据。当拨码开关拨至本实施例想要写入的根号、位号(此物理位置数据与本实施例想要更换的故障节点的根号、位号是一致的)，本实施例按下按键一，程序响应按键中断一。因为总线只有一个DS18B20，所以本实施例基于单点测温模式，通过读取ROM命令读取ROM序列号，操作DS18B20暂存器指令，向暂存器写入根号、位号数据，同时程序处理Flash暂存新的ROM序列号和与之匹配的根号、位号物理位置数据。最后，当新的DS18B20节点全部写入根号、位号后，本实施例将其更换至相应的故障节点处，此时每个新的DS18B20节点与每个故障节点的根号、位号是一致的。按下按键二，程序响应按键中断二执行ROM序列号批量更新指令。无需重新搜索，通过Flash暂存的节点ROM序列号及其根号、位号，按照上述ROM存储空间结构，依据根号、位号批量按序更新故障节点的ROM序列号，放入对应的Flash扇区的位置。上述更换故障DS18B20的操作简单迅速，无需维修人员再次修改程序，只需按照顺序操作按键即可任意更换DS18B20节点。

ROM序列号的按序存储依据DS18B20的根号、位号物理位置数据，DS18B20暂存器具有易失性，暂存器存储的根号、位号改变也会导致数据紊乱。采集系统每次采集温度数据时，同时读取节点的根号、位号进行判断。对于根号、位号错误的DS18B20，通过Flash里按序存储的ROM序列号重新匹配对应的DS18B20，更新其暂存器的根号、位号。与现有模块相比，当存储节点的根号和位号的物理位置信息发生存储紊乱时，该模块仍可正常工作。

至此，通过DS18B20暂存器的根号、位号物理位置数据按序更新存储在Flash里的ROM序列号；通过ROM序列号更新DS18B20暂存器物理位置数据；通过采集数据判断故障信息，依据采集数据对应的根号、位号找出故障节点；通过向新DS18B20节点暂存器写入根号、位号批量更新flash存储的故障节点ROM序列号。基于上述ROM序列号及根号、位号存储机制，本实施例能始终将Flash存储的每一个传感器的ROM序列号与其所处的物理位置匹配，始终保持Flash存储的ROM码序列号的正确性，防止序列号存储的紊乱，提升多点测温终端的稳定性。

综上所述，相较于现有的多点测温终端，本实施例的具有稳定性增强机制及低功耗的多点测温终端具有以下优点：

1、该具有稳定性增强机制及低功耗的多点测温终端，其通过用功能分级思想，设计了采集系统、站岗系统及其协调控制机制，站岗系统中电压检测模块检测供电电压有效值，而主控模块一则判断连续两次检测的供电电压有效值是否在预设波动电压范围内，同时判断电压变化速率是否小于一个预设变化比率，当这两个条件均满足预设时，则判定供电电压处于平稳期，进而驱使采集系统进行温度数据采集，否则电压处于波动期，需要延时后继续测量供电电压，如此为采集系统提供稳定的工作电压条件，可以避免电压波动而使传感器大规模烧毁，进而提高终端的工作稳定性。

而且，相比于电压波动周期时间，多点测温终端的数据采集时间很短，所以很容易在电压平稳期内完成数据采集过程。终端每次定时采集完成后，采集系统电源关闭，站岗系统进入睡眠模式，终端进入低功耗模式，减少了终端的工作时间。相比于频繁的电压检测带了功耗的增加，该多点测温终端每次数据采集前只检测两次电压，使得多点终端的功耗大大降低。

2、该具有稳定性增强机制及低功耗的多点测温终端，其采集系统的驱动电路可以增大驱动电流，而且设有零欧姆电阻，零欧姆电阻可以释放电容中存储的电量，为了防止继电器开关电源的瞬间电流过大造成传感器损坏，同时也防止采集子系统停止供电时导致电容瞬间反向放电造成传感器烧毁，从而保证多点测温终端长时间工作的稳定性。并且，零欧姆电阻相当于很窄的电流通路，能够有效地限制环路电流，使噪声得到抑制，在所有频带上都有衰减作用。

3、该具有稳定性增强机制及低功耗的多点测温终端，其针对采集系统多点测温中节点ROM序列号、暂存器中根号和位号的物理位置信息的存储紊乱所导致的数据采集失败问题，结合多点测温的基本原理，利用STM32单片机Flash的抗干扰存储的先天优势，设计了新型ROM序列号和物理位置信息的存储机制。采用二叉树搜索算法多次读取节点ROM序列号，通过对比校验，将正确的节点ROM序列号按序存储至单片机的Flash中。根据采集数据对节点故障类型和故障节点的物理位置进行准确判断。对故障节点进行替换时，采用单点测温模式逐一获取新节点的ROM序列号，并写入相应的根号和位号信息。通过检索节点暂存器中根号和位号信息，可快速、批量更新故障节点的ROM序列号。与现有模块相比，当节点暂存器中的根号和位号的物理位置信息发生存储紊乱时，该模块仍可正常工作。因此，该多点测温终端能始终将Flash存储的每一个传感器的ROM序列号与其所处的物理位置匹配，始终保持Flash存储的ROM码序列号的正确性，防止序列号存储的紊乱，进一步提升多点测温终端的稳定性。

实施例2

本实施例提供了一种具有稳定性增强机制及低功耗的多点测温方法，该测温方法应用于实施例1中的具有稳定性增强机制及低功耗的多点测温终端中。其中，该测温方法包括以下这些步骤：

每隔一个预设时间一检测一次向多点测温终端供电的供电电源的供电电压有效值；

判断电压检测模块连续两次检测的供电电压有效值是否均位于一个预设波动电压范围内，并判断供电电压的电压变化速率是否小于一个预设变化比率；

在电压检测模块连续两次检测的供电电压有效值均位于预设波动电压范围内且电压变化速率小于预设变化比率时，判定供电电压处于平稳期，且驱使电压检测模块停止检测，并通过继电器模块驱使采集系统在平稳期内进行测温；

在电压检测模块连续两次检测的供电电压有效值未位于预设波动电压范围内或/和电压变化速率不小于预设变化比率时，判定供电电压处于电压波动期，并延时一个预设时间二后驱使电压检测模块继续测量供电电压；

先将供电电源的供电电压降压为一个工作电压并输出至驱动电路，再将工作电压施加温度传感器上，并放大输出至温度传感器的驱动电流；

在供电电压处于平稳期时，驱使多个温度传感器采集多点的温度信息；站岗系统将主控模块二获取的多点温度数据至一个测温管理平台，并进入睡眠模式，多点测温终端进入低功耗模式。

实施例3

本实施例提供一种计算机终端，其包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序。处理器执行程序时实现实施例2的具有稳定性增强机制及低功耗的多点测温方法的步骤。实施例1的方法在应用时，可以软件的形式进行应用，如设计成独立运行的程序，安装在计算机终端上，计算机终端可以是电脑、智能手机、控制系统以及其他物联网设备等。实施例2的方法也可以设计成嵌入式运行的程序，安装在计算机终端上，如安装在单片机上。

实施例4

本实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序。程序被处理器执行时，实现实施例2的具有稳定性增强机制及低功耗的多点测温方法的步骤。实施例2的方法在应用时，可以软件的形式进行应用，如设计成计算机可读存储介质可独立运行的程序，计算机可读存储介质可以是U盘，设计成U盾，通过U盘设计成通过外在触发启动整个方法的程序。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有稳定性增强机制及低功耗的多点测温终端，其特征在于，其包括站岗系统和采集系统；所述站岗系统包括主控模块一、电压检测模块、降压模块以及继电器模块；所述采集系统包括主控模块二、驱动电路以及多个温度传感器；其中，

所述电压检测模块用于每隔一个预设时间一检测一次向所述多点测温终端供电的供电电源的供电电压有效值；

所述主控模块一用于判断所述电压检测模块连续两次检测的所述供电电压有效值是否均位于一个预设波动电压范围内，并判断所述供电电压的电压变化速率是否小于一个预设变化比率；在所述电压检测模块连续两次检测的所述供电电压有效值均位于所述预设波动电压范围内且所述电压变化速率小于所述预设变化比率时，所述主控模块一判定所述供电电压处于平稳期，且驱使所述电压检测模块停止检测，并通过所述继电器模块驱使所述采集系统在所述平稳期内进行测温，否则，判定所述供电电压处于电压波动期，并延时一个预设时间二后驱使所述电压检测模块继续测量所述供电电压；

所述降压模块用于将所述供电电源的供电电压降压为一个工作电压并通过所述继电器模块输出至所述驱动电路；所述驱动电路用于将所述工作电压施加所述温度传感器上，并放大输出至所述温度传感器的驱动电流；所述驱动电路包括一个零欧姆电阻，所述零欧姆电阻串联在所述降压模块与所述温度传感器之间；

在所述供电电压处于平稳期时，所述主控模块二驱使多个温度传感器采集多点的温度信息；所述站岗系统将所述主控模块二获取的多点温度数据至一个测温管理平台，并进入睡眠模式，所述多点测温终端进入低功耗模式。

2.如权利要求1所述的具有稳定性增强机制及低功耗的多点测温终端，其特征在于，所述采集系统包括至少一根单总线，多个温度传感器均挂载在所述单总线上；所述主控模块二在获取多点温度数据时，先向所述单总线上发送复位脉冲，并在所述单总线有回复信号时判定所述单总线上挂载有器件，向挂载有器件的所述单总线发送ROM序列号搜索命令，并进行二叉树搜索匹配，然后在获取所有温度传感器的ROM序列号后，向所述单总线发送复位信号和温度转换指令，再然后等待一个预设时间三，向所述单总线发送ROM序列号匹配指令，最后逐个写入ROM序列号匹配相应的温度传感器，获得各个温度传感器的温度数据。

3.如权利要求1所述的具有稳定性增强机制及低功耗的多点测温终端，其特征在于，所述驱动电路还包括开关K，电阻R、R21，电容C33以及三极管Q1；开关K的引脚1与所述零欧姆电阻的一端相接，引脚2与引脚3位于引脚1的相对两侧，引脚4接地，引脚5接入所述供电电压；所述零欧姆电阻的另一端与电阻R、R21的同一端相接，还与三极管Q1的集电极相接；电容C33的一端与电阻R的另一端、三极管Q1的发射极相接，电容C33的另一端、三极管Q1的栅极、电阻R21的另一端相接，并与所述温度传感器的正极相接。

4.如权利要求1所述的具有稳定性增强机制及低功耗的多点测温终端，其特征在于，所述电压检测模块用于将强电信号转化为弱电信号，且所述强电信号与所述弱电信号呈线性关系；所述电压检测模块通过模拟数字转换器采集所述供电电压；在定时中断时，所述模拟数字转换器初始化且通道打开，所述电压检测模块连续多次采集所述供电电压有效值，并去除最小的供电电压有效值和最大的供电电压有效值后取多个供电电压有效值的平均值作为电压检测结果；在连续多次检测的供电电压处于电压波动期时，所述主控模块一驱使所述电压检测模块停止检测，关闭所述模拟数字转换器的通道，并上报电压波动报警信息。

5.如权利要求1所述的具有稳定性增强机制及低功耗的多点测温终端，其特征在于，所述主控模块一和所述主控模块二均为stm32单片机芯片，且内部具有Flash空间；所述温度传感器为DS18B20传感器，且所有温度传感器设置在多根DS18B20线缆上，每根DS18B20线缆具有多个DS18B20传感器。

6.如权利要求5所述的具有稳定性增强机制及低功耗的多点测温终端，其特征在于，所述采集系统设置ROM序列号、根号以及位号，且所述主控模块二的Flash空间中设置标志ROM_flag；所述采集系统在存储时，先进行上电初始化，并判断标志ROM_flag是否为1，为1则进行多次二叉树搜索和所有ROM序列号校验比对，并判断ROM序列号是否正确，若正确则将ROM序列号按序存入Flash空间，否则判定无法正常工作，不为1则判断是否更换温度传感器，是则先读取拨码开关键值，再在Flash空间中暂存新DS18B20传感器的ROM序列号，然后依据键值向节点暂存器写入根号和位号，最后批量更新故障节点的ROM序列号；其中，在连续三次按位对比中，至少两次对比结果相同则认定搜索的ROM序列号为正确的；若连续三次的校验对比中，校验码都不同，则认定当前器件、线路可能存在问题或者电压波动剧烈，需要检查电路和DS18B20线缆，并重新存储ROM序列号。

7.如权利要求6所述的具有稳定性增强机制及低功耗的多点测温终端，其特征在于，所述采集系统在每次采集温度数据时，还读取根号、位号物理位置数据，并将所述温度数据与实际物理位置进行匹配；定义所述温度数据为两个字节，在所述采集系统每次采集温度时，若采集的温度节点数据为0000时，定义相应的温度传感器出现短路，若采集的温度节点数据为FFFF时，定义相应的温度传感器出现断路，所述主控模块二将相应的两种故障标记上报至所述测温管理平台。

8.如权利要求7所述的具有稳定性增强机制及低功耗的多点测温终端，其特征在于，所述采集系统设有8位拨码开关和两个按键，并具有向所述温度传感器的暂存器写入根号、位号物理位置数据的一路端口，所述端口用于更新Flash空间的故障节点ROM序列号；其中一个按键用于向所述温度传感器写入根号、位号数据，其中另一个按键用于批量更新故障节点ROM序列号；8位拨码开关用于表示根号、位号，前四位拨码开关表示根号，后四位拨码开关表示位号。

9.如权利要求1所述的具有稳定性增强机制及低功耗的多点测温终端，其特征在于，所述预设波动电压范围为198-235.4V，所述预设变化比率为2.5%。

10.一种具有稳定性增强机制及低功耗的多点测温方法，其应用于如权利要求1-9中任意一项所述的具有稳定性增强机制及低功耗的多点测温终端中，其特征在于，其包括以下步骤：

每隔一个预设时间一检测一次向所述多点测温终端供电的供电电源的供电电压有效值；

判断所述电压检测模块连续两次检测的所述供电电压有效值是否均位于一个预设波动电压范围内，并判断所述供电电压的电压变化速率是否小于一个预设变化比率；

在所述电压检测模块连续两次检测的所述供电电压有效值均位于所述预设波动电压范围内且所述电压变化速率小于所述预设变化比率时，判定所述供电电压处于平稳期，且驱使所述电压检测模块停止检测，并通过所述继电器模块驱使所述采集系统在所述平稳期内进行测温；

在所述电压检测模块连续两次检测的所述供电电压有效值未位于所述预设波动电压范围内或/和所述电压变化速率不小于所述预设变化比率时，判定所述供电电压处于电压波动期，并延时一个预设时间二后驱使所述电压检测模块继续测量所述供电电压；

先将所述供电电源的供电电压降压为一个工作电压并输出至所述驱动电路，再将所述工作电压施加所述温度传感器上，并放大输出至所述温度传感器的驱动电流；

在所述供电电压处于平稳期时，驱使多个温度传感器采集多点的温度信息；所述站岗系统将所述主控模块二获取的多点温度数据至一个测温管理平台，并进入睡眠模式，所述多点测温终端进入低功耗模式。

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