面向低功耗冷链物联控制器的不间断电源电控系统设计

0引言

在智慧零售与冷链物流领域,无人值守设备需实时监控内部温湿度、库存状态及设备健康度,并在异常时触发远程告警。然而,市电中断导致的核心痛点在于:设备瞬间掉电后,不仅温度传感器、通信模块停止工作,无法向云端上报冷藏室升温(可能导致食品腐败或药品失效),还可能因库存数据丢失而误判补货需求,造成运营混乱。据统计,在生鲜零售场景中,一次超过2 h的断电若未被及时处理,将导致单台设备平均损失超万元。

为解决这一矛盾,提出一种基于不间断电源的控制系统架构,断电后锂电供电系统以毫秒级响应速度维持控制器核心电路(MCU、温湿度传感器)持续运行,避免复位引发的数据断层;同时为低功耗通信模块提供稳定能量,确保断电期间温升告警、库存余量等关键信息持续上传至云端。此外,电控系统会通过动态负载分级策略,分级控制负载外设,将关键功能续航延长至72 h以上,为运维团队争取应急响应时间。该设计不仅保障了冷链设备的安全性,更通过“断电隐形化”技术,推动了无人零售网络的可靠性升级。

1硬件设计^[1]

图1所示为冷链物联控制器的硬件系统架构^[2—4],主要包括ACDC系统、DCDC系统、锂电池充放电系统、MCU主控及其外围电路系统、外部摄像监控系统、温湿度监测系统、制冷控制系统、人机交互系统、照明系统和通信模块,具体介绍如下:

1)ACDC系统:作用是将市电提供的交流电转换为直流电,为后续的系统模块供电。它能稳定输出电压,确保各模块获得稳定的直流电源,满足不同电路对直流供电的需求。

2)DCDC系统:作用是给MCU、锂电池充放电、通信模块以及外围负载电路提供直流电源,该电源采用BUCK电路拓扑形式,它能以高效率方式,将ACDC 输出的较高直流电压降低至功能模块电路所需的直流电压,并稳定输出至各个功能电路模块。

3)锂电池充放电系统:负责对锂电池进行充放电管理。充电时,将ACDC转换后的直流电合理分配给锂电池,避免过充、过放等情况,保证电池使用寿命;放电时,为系统在市电断电等情况下提供持续电源。

4)MCU(微控制单元):作为整个系统的核心,它集成了中央处理器(CPU)、存储器、输入/输出控制接口等。可以对各个子系统的数据进行处理和分析,根据预设的程序和算法,向各子系统发送控制指令,协调它们的工作。

5)摄像监控系统:利用摄像头采集图像信息,通过内置的图像传感器将光信号转换为电信号,再经处理后存储或传输,实现对冷柜内或冷库内产品状态进行监测,例如监测自动贩卖机内的货物情况或冷库内所贮存产品的状态。

6)温湿度监测系统:包含温湿度传感器,能够实时检测设备的温度和湿度数据,并将这些数据转换为电信号传输给MCU,以便进行监测和控制。

7)制冷控制系统:根据MCU发送的指令,控制制冷设备中的压缩机、蒸发风机、冷凝风机、四通阀、电子膨胀阀等的运行状态,调节冷库或冷柜内部温度维持在设定范围内。

8)人机交互系统:提供用户与系统交互的界面,如显示屏、按键、触摸屏等。用户可以通过该系统设置参数、查看系统运行状态等,系统也能通过此界面向用户反馈信息。

9)照明系统:根据MCU的指令控制照明设备的开关、亮度调节等,为特定区域提供合适的照明环境。

10)通信模块:可将MCU收集的监控信息上传云端,以实现远程监控、数据上传下载等功能,常见的通信方式有Wi—Fi、蓝牙、以太网等。

1.1ACDC电路系统设计

如图2所示,控制器的ACDC电源系统主要包括 EMI电路、整流滤波电路以及原边反馈反激式buck—boo5t开关电源电路,EMI电路主要由压敏电阻RV1、 NTC热敏电阻RT1、X电容C12和共模电感L1组成,可有效抑制外部雷击浪涌,对内吸收启动浪涌电流,同时有效阻止干扰电压及骚扰功率对外传导。整流桥V4及C7、C8组成整流滤波系统,将市电工频信号转化成高压直流电,继而通过后级的原边反馈反激式 buck—boo5t开关电源电路将高压直流电转化为控制器系统所需的安全直流低电压。反激电源基于隔离变压器,可有效保证后级电路电气安全。

针对小型化低功耗物联网温控器,之所以采用反激式buck—boo5t开关电源电路,是由于其电路简单,无须光耦等复杂的副边反馈电路元件,节省了电路板空间和成本。元件数量的减少也降低了电路的复杂性和故障率,整体成本较低,便于集成,性能上其能够快速对负载变化和输入电压波动做出响应,及时调整输出电压,保持输出的稳定性。在负载瞬态变化时,原边反馈机制可以迅速检测到变化并调整开关管的工作状态,使输出电压快速恢复到稳定值。

1.2 DCDC电路系统设计

较高的直流输出电压VPP可以有效驱动继电器、LED照明灯等,进一步地,如若对通信模块、MCU等较低工作电压提供电源,还需对VPP继续进行BUCK 转化,如图3所示,系统采用的是DCDCBUCK电源电路形式,通过MOS驱动管理芯片、功率电感、滤波电容和二极管组成的BUCK拓扑进行降压转化,这种降压型直流—直流电源,相较于线性稳压电源有较高的输出效率,可有效降低控制器功耗,其良好的负载调整率使负载发生变化时其也能输出稳定的电压。此外,如图3所示,其直流电压采样电路可有效判断市电断电与否,以便于MCU进行降功耗、外发警告操作。

1.3锂电池充放电系统

图4所示为锂电池充放电系统电路,VPP1是外部电源输入,C32和C28为滤波电容,能去除电源中的高频杂波,让输入更稳定。R5,是限流电阻,避免输出电流过大。图中的核心芯片负责管理锂电池充电过程,可用于开启或关闭充电功能、指示充放电运行状态,从芯片的SW引脚输出的开关信号,经过电感L3、二极管V27组成的电路,对锂电池进行充电。Rs1和C33组成的电路用于检测充电电流,确保充电过程安全稳定 ,VBAT是锂电池输出电压,V18、V1,、V20和周边元件构成的电路,一方面用于防止电池电压倒灌,另一方面对输出电压进行控制和保护,待市电掉电后输出稳定的VCC电压为后级电路供电。R52、R53组成了锂电池电量采样电路,可使MCU及时获悉锂电池电量情况,以便MCU分级控制后级负载,使控制器在市电断电情况下尽可能维持更长的工作时长。

1.4 负载电源电子开关

如图5所示,负载的电子开关主要是针对外部输入量的电源控制来实现降功耗要求,主要包括对外部摄像头监控系统电源、各个温湿度传感器电源以及远程通信模块。采用MOS管充当电子开关,MOS内部电荷存储和释放过程迅速,能在极短时间内完成导通和截止状态的切换,这对于需要快速响应的电路至关重要,可有效提升系统的工作效率和性能。

2 多级负载管理软件算法设计

多级负载管理软件算法的实施可有效提高锂电池的续航能力,能尽可能为维护人员做到告警及监控,并有效保存设备在掉电过程中的各项温湿度指标,进而判断所贮存产品的符合性I降低损失。具体软件执行流程如图6所示^[5]。

该软件流程图展示了在市电状态变化及锂电池电量不同情况下系统的运行控制逻辑:

1)开始与市电检测:流程从“开始”节点启动,首先通过“市电是否存在”判断节点检测市电状态。

2)市电存在时:若检测到市电存在I系统“正常执行运转程序”,并持续循环检测市电状态。

3)市电不存在时:当市电不存在,系统自动切换至锂电池供电,软件进入低功耗运行模式。随即“立即远程发送告警信号”I然后“立即切断制冷系统、照明系统等输出控制操作”I同时“切断远程通信模块、温湿度传感器和摄像系统电源”I降低锂电池能源消耗。

4)锂电池电量判断与操作:此后,系统依据锂电池电量进行不同操作。

(1)锂电池电量处于80%~100%且延时10 min后,开启远程通信模块发送告警信息及运行情况,同时开启温湿度传感器和摄像系统电源,收集完信息后关闭;之后继续检测市电状态,若仍无市电,则回到锂电池电量判断环节。

(2)锂电池电量在50%~80%且延时10 min后,同样按上述方式开启相应模块收集信息和发送告警,再循环检测市电和电量。

(3)锂电池电量处于20%~50%且延时30min 后,重复上述开启和关闭模块的操作,继续监测市电和电量。

(4)锂电池电量低于20%且不为0,延时10min 后,开启温湿度传感器收集信息后关闭,开启远程通信模块发送告警。

(5)当锂电池电量降为0时,流程结束。

3 结束语

在目前通用冷链物联控制器基础上提出的冷链物联控制器不间断电源控制系统,有效解决了市电中断带来的问题。该系统硬件设计合理,关键电路性能良好,通过负载分级等策略延长续航,为智慧零售与冷链物流设备稳定运行提供了保障,市场前景广阔,值得推广。

[参考文献]

[1]童诗白,华成英.模拟电子技术基础[M].5版.北京:高等教育出版社,2023.

[2]党耀东,蔡晋辉,柯海森,等.一种冷链温湿度监测系统的设计与实现[J].电子器件,2024,47(2):570-576.

[3]李彤.基于物联网的农产品冷链运输在线监控系统设计[D].保定:河北大学,2023.

[4]李萌.基于NB-IOT的冷链运输监测系统设计与实现[D].西安:西安科技大学,2021.

[5]谭浩强.C语言程序设计[M].5版.北京:清华大学出版社,2017.

《机电信息》2025年第13期第12篇