Дараф Максвел, Руссель Вильямсон

Беспроводной мониторинг температуры в удаленных системах

Фирма Analog Devices разработала систему, помогающую контролировать условия перевозки продуктов питания.

Число инцидентов с отравлением пищей в последние годы возрастает. В конце 2000 года в США было зарегистрировано более 250 отравлений, но в большинстве случаев причина осталась не установленной. Согласно опубликованному в 1999 году докладу, пищевые отравления вызывают примерно 76 миллионов заболеваний, 325000 госпитализаций и 5000 смертей в США ежегодно. Сальмонеллез вызвал около 1,5 млн. заболеваний в 1999 году и более 95% из них - из-за пищевых отравлений. В Европе организации, ответственные за транспортировку охлажд╦нных и замороженных продуктов, откликнулись на эту статистику введением новых правил и стандартов.

Ключом к решению проблемы является температура. Мониторинг температуры может улучшить качество пищи, уменьшить порчу и существенно уменьшить риск пищевых отравлений. Для компании, производящей продовольствие, часто наиболее эффективным способом доказать, что транспортная компания третьей стороны сделала свою работу правильно, является независимый мониторинг температуры воздуха или продуктов в транспортном средстве. По этой причине заказчики запрашивают температурный мониторинг даже в случае, когда официально этого не требуется.

Система электронного мониторинга температуры в настоящее время входит в стандартную спецификацию транспортных средств, контролирующих температуру перевозимых грузов. Фактически все транспортные операторы, перевозящие охлажд╦нные или замороженные продукты, требуют, чтобы все экипажи были оборудованы температурными мониторами. Эти приборы отслеживают температуру внутри рефрижераторного контейнера и часто рассматриваются как расширенная часть системы охлаждения. Однако чрезвычайно важно, чтобы монитор работал независимо от самого рефрижератора.

Большинство современных рефрижераторных систем оборудованы управляющими микропроцессорами и, хотя Вы можете встроить систему регистрации температуры в состав рефрижератора, это редко делается и определ╦нно не рекомендуется. Встроенный регистратор температуры служит только для слежения за состоянием рефрижераторной системы. Если случается сбой системной электроники рефрижератора, регистратор также может сбиться (или даже выйти из строя) в тот самый момент, когда он больше всего нужен.

Что требуется для температурного мониторинга?

Система удал╦нного мониторинга температуры должна позволять просто запрашивать сведения о температуре в любое время без взаимодействия с грузом или его окружением. Система должна обеспечивать точные измерения и обладать возможно низким потреблением для того, чтобы гарантировать длительное время работы.

Беспроводной канал связи является тем средством, которое может обеспечить простоту доступа к монитору. При этом вы можете обновлять данные о температуре продуктов в контейнере без того, чтобы вручную вынимать какой-либо датчик.

Терморезистор (RTD) обеспечивает точное измерение температуры. Этот датчик может обеспечивать точность лучше 0,1╟C, но ему необходим источник тока, дифференциальный усилитель и АЦП с разрядностью более 12.

Требование низкого потребления означает, что микроконтроллер должен работать большую часть времени в спящем режиме с пониженной мощностью и иметь схему для его периодического включения (активации). Цепь активации должна поддерживать такое же время прерывания и для датчика температуры, потому что каждое измерение температуры должно быть точно известно во времени. Это особенно существенно в случае, когда наличие слежения за температурой является важным обстоятельством при доказательстве ответственности в неконтролируемой ситуации. В идеале, желателен микроконтроллер с интегрированной программной FLASH/EE-памятью и портами SPI и UART.

Монитор должен быть небольшим, над╦жным и удобным, чтобы его можно было легко разместить рядом с продуктами, не загрязняя их. Низкая стоимость весьма желательна, поскольку может сделать систему очень распростран╦нной.

Учитывающая вс╦ вышесказанное, система температурного мониторинга фирмы Analog Devices представлена на рис. 1.

Рисунок 1.

Дистанционная РЧ-система температурного мониторинга состоит из датчика температуры на терморезисторе RTD и радиопередатчика RF. Все другие функции - включая измерение температуры (с помощью 24-разрядного АЦП) и хранение температурных данных (используя FLASH-память) - выполняются микроконвертором ADuC834.

Опрос монитора

Базовый модуль состоит из РЧ-передатчика, который использует протокол RS-232 для передачи данных. Он является ведущим, обеспечивающим связь с любым температурным монитором.

Каждый монитор имеет уникальный 24-разрядный идентификационный код, поэтому базовая аппаратура может связываться с любым конкретным монитором в пределах его диапазона. Это не только позволяет базе связываться с многими датчиками, но также обеспечивает безопасность системе.

Спецификация датчика температуры RTD

Датчик температуры PT100 имеет сопротивление 100 Ом при температуре 0ºC и практически линейно зависит от температуры. Типовая чувствительность датчика составляет 0,385 ОмºC. Для получения ещ╦ большей точности можно использовать метод линеаризации.

В датчике через RTD протекает постоянный ток, поэтому измеряется падение напряжения на н╦м, пропорциональное температуре. Этот подход используется редко, потому что трудно поддерживать постоянный ток независимо от температуры. Более точный способ измерения напряжения основан на радиометрическом подходе. В этом методе последовательно с терморезистором включается обычный резистор. Он формирует опорное напряжение, подводимое прямо к АЦП. Изменения опорного тока в этом случае не влияют на результат измерений, поскольку одинаково изменяют измеряемое и опорное напряжения, а их отношение оста╦тся постоянным.

Для измерения напряжения на RTD можно использовать схему, показанную на рис. 2.

Рисунок 2. Схема измерения напряжения на RTD

Дифференциальный АЦП в этой схеме включает в себя усилитель с программируемым коэффициентом усиленияr (PGA), который позволяет напрямую работать с сигналом низкого уровня. Использование такого АЦП устраняет необходимость в отдельном дифференциальном усилителе.

Уровень тока должен быть достаточно большим для получения измеримого падения напряжения на RTD и, вместе с тем, достаточно малым для того, чтобы рассеиваемое в н╦м тепло не вызывало изменений температуры. Обычно рекомендуется ток 2,0 мА для 100-Ом RTD, при котором рассеивается пренебрежимо малая мощность 400 мкВт.

Низкая потребляемая мощность

Как уже упоминалось, важной характеристикой температурного монитора является низкая потребляемая мощность, гарантирующая большой срок службы батареи. Сегодня типовым сроком жизни инструмента считается 10 лет. При выборе батареи для температурного монитора следует принимать во внимание шесть ключевых параметров:

• напряжение;
• срок службы;
• обеспечиваемый батареей максимальный ток;
• температурный диапазон;
• размеры;
• стоимость.

Рассматривая эти критерии, фирма Analog Devices решила использовать литий-ионную батарею. Обычно батарея формата AA при напряжении 3,6 В обладает ╦мкостью 2300 мАч и да╦т максимальный ток 20мА в диапазоне температур от -55º до 85º. Емкость батареи 2300 мАч обеспечит срок жизни более 10 лет, если средний ток потребления не превысит 26 мкА. Следовательно, в своей разработке фирма Analog Devices должна обеспечивать максимальный ток потребления менее 20 мА и средний ток менее 26 мкА.

Анализируя ток потребления в спящем режиме системы на рис. 1, можно видеть, что наиболее потребляющими компонентами являются РЧ-при╦мопередатчик и микроконвертор. При╦мопередатчик может быть перевед╦н в спящий режим с током потребления менее 1 мкА. При напряжении питания 3,6 В типовое потребление микроконвертора составляет 12 мкА с активно работающей схемой пробуждения. Следовательно, полный ток потребления в спящем режиме может составлять 13 мкА.

Микроконвертор включается каждые 10 с для считывания показаний температуры. Если температура изменилась, он заносит новые данные в энергонезависимую память (е╦ размер 60 КБ). После измерения температуры или при наличии запроса, он проверяет, пытается ли сервер связаться с ним. Если это так, монитор оста╦тся активным и переда╦т или принимает данные в соответствии с командой сервера. После окончания или при отсутствии активности сервера в течение 10 мс монитор переходит в режим засыпания. В активном состоянии при╦мопередатчик потребляет 6 мА в режиме при╦ма. Микроконвертор, работая с тактовой частотой 1,57 мГц, потребляет 1,5 мА, поэтому полное потребление монитора составит 7,5 мА в течение 10 мс. Увеличение тока потребления во время измерения температуры каждую минуту является незначительным. Итак, в течение 9.990 с из каждых 10 с (99,9%) монитор потребляет 13 мкА. В течение остальных 10 мс из каждых 10 с (0,01%) монитор потребляет 7,5 мА, поэтому результирующий средний ток составит 21 мкА, что меньше допустимого значения 26 мкА.

Другим важным требованием является поддержание максимального тока на уровне ниже 20 мА. Максимальный ток потребляется в режиме передачи, когда ток при╦мопередатчика достигает 10 мА. Данные передаются пакетом со скоростью 57600 бит/с. При такой скорости все 60 КБ передадутся только за 11 с. Ток потребления микроконвертора при работе с частотой 3,1 МГц составляет 3 мА. Поэтому суммарный пиковый ток оста╦тся ниже 20 мА, как того требует батарея.

Дополнительным преимуществом микроконвертора является наличие дополнительного АЦП. Наличие внутреннего опорного напряжения 1,25 В позволяет использовать его для измерения напряжения батареи. Оно зависит как от срока работы, так и от температуры. Поскольку температура известна, то точное знание напряжения, передаваемое в каждом сеансе связи на сервер, позволяет оценить оставшееся время работы батареи.

Заключение

Опытная оценка работы монитора температуры на основе микроконвертора ADuC834 фирмы Analog Devices была произведена во время транспортировки замороженных продуктов (мяса). Во время испытаний температура вс╦ время должна была поддерживаться равной -18ºC. Мониторинг температуры осуществлялся в течение 11 часов. На рис. 3 показан записанный реальный ход изменения температуры, свидетельствующий о кратковременных нарушениях режима. Это обстоятельство подчеркивает важность мониторинга температуры.

Рисунок 3. Реальный ход изменения температуры