项目开发背景

随着现代物流行业的快速发展，冷链运输在食品、医药、化工等领域扮演着越来越重要的角色。冷链运输过程中，温度控制是保证产品质量和安全的关键因素。疫苗、生物制剂、生鲜食品等对温度极其敏感的商品，需要在运输全程保持严格的温度环境，任何温度异常都可能导致产品失效或变质，造成重大经济损失甚至危及生命安全。

传统的冷链运输监控主要依靠人工记录和抽查，这种方式存在数据不实时、记录易篡改、无法全程监控等问题。特别是在长途运输或跨境运输中，缺乏有效的温度监控手段使得产品质量难以保障。近年来，因冷链温度失控导致的食品安全事件和药品失效问题频发，凸显了冷链监控的重要性。

另一方面，随着物联网技术的发展，智能监控设备在物流领域的应用越来越广泛。监管部门和企业对冷链运输过程的可视化、数据化和智能化需求日益增长。能够实时记录温度数据、提供位置信息并具备报警功能的智能温度记录仪，成为解决冷链运输监控痛点的有效方案。

本项目设计的冷链运输温度记录仪，正是针对上述市场需求而开发。该设备具有宽温区测量、自动记录、数据导出、定位追踪和实时显示等功能，能够满足各类冷链运输场景的监控需求。通过采用高可靠性硬件设计和数据保护机制，确保监控数据的准确性和完整性，为冷链物流提供可靠的技术保障。

设计实现的功能

（1）宽温区温度监测功能：采用DS18B20温度传感器实现-40℃~+85℃范围的温度监测，满足极端环境下的冷链监控需求。

（2）定时数据记录功能：系统每5分钟自动记录一次温度数据，形成完整的历史温度曲线，便于运输过程追溯。

（3）数据导出功能：通过USB CDC虚拟串口支持历史数据导出，用户可通过电脑端软件查看和分析温度记录。

（4）GPS定位追踪功能：集成ATGM336H GPS模块，实时记录运输位置信息，支持紧急情况下的短信报警。

（5）实时显示功能：配备2英寸OLED显示屏，实时显示当前温度、位置信息和系统状态。

（6）数据保护功能：采用FRAM非易失性存储器，确保系统掉电后数据不丢失，提高数据可靠性。

（7）低功耗设计：优化系统电源管理，延长设备在运输过程中的连续工作时间。

项目硬件模块组成

（1）主控模块：STM32F103RCT6微控制器，作为系统核心处理单元，负责传感器数据采集、外设控制和数据处理。

（2）温度传感模块：DS18B20数字温度传感器，通过1-Wire总线与主控通信，实现高精度温度测量。

（3）定位模块：ATGM336H GPS模块，通过SPI接口与主控通信，提供精确的位置和时间信息。

（4）存储模块：FM24C16 FRAM存储器，通过I2C接口连接，提供非易失性数据存储空间。

（5）显示模块：SSD1306驱动的128x64分辨率OLED显示屏，通过SPI接口连接，实现信息可视化。

（6）通信接口模块：CH340G USB转串口芯片，实现系统与PC的数据通信和固件更新功能。

（7）电源管理模块：包括锂电池充电电路、电压转换电路和电源监测电路，为系统提供稳定电源。

设计思路

本系统的设计核心是构建一个可靠、精确且用户友好的冷链运输监控解决方案。设计过程中重点考虑了系统的可靠性、数据完整性和易用性三个方面。在硬件选型上，选择了工业级的STM32F103RCT6作为主控芯片，该芯片具有丰富的外设接口和足够的处理能力，能够满足多任务处理需求。

系统采用模块化设计思想，各功能模块相对独立，通过标准接口与主控连接。这种设计不仅提高了系统的可维护性，也便于未来功能扩展。温度传感器选用DS18B20，因其具有宽温度范围、高精度和数字输出等特点，特别适合冷链监控应用。考虑到冷链运输可能面临的复杂环境，所有元器件均选择工业级或汽车级产品，确保在恶劣环境下稳定工作。

数据安全是设计的另一个重点。采用FRAM作为存储介质，相比传统EEPROM或Flash，具有更高的写入速度和几乎无限的擦写次数，同时掉电不丢失数据的特性极大提高了数据可靠性。GPS模块不仅提供位置信息，还具备精确的时间戳功能，为温度记录提供准确的时间参考。

人机交互方面，设计兼顾了实用性和简洁性。OLED显示屏可清晰显示关键信息，而USB接口则提供了便捷的数据导出方式。系统软件采用分层架构设计，底层驱动、中间件和应用层分离，提高了代码的可维护性和可移植性。

系统功能总结

技术方案

系统采用STM32F103RCT6作为主控制器，该芯片基于ARM Cortex-M3内核，具有256KB Flash和48KB RAM，运行频率72MHz，完全满足本应用的处理需求。芯片内置丰富的外设接口，可灵活配置各种通信协议，减少外围电路复杂度。

温度监测部分采用1-Wire总线协议驱动DS18B20传感器。1-Wire协议具有线路简单、抗干扰强等优点，单总线可挂载多个传感器，便于系统扩展。设计中加入了上拉电阻和滤波电路，提高总线稳定性。温度采样采用异步方式，主控在读取温度数据的同时可处理其他任务，提高系统效率。

SPI总线采用复用设计，同时连接GPS模块和OLED显示屏。通过硬件片选信号和软件时序控制实现双设备共享同一SPI接口。GPS模块设置为主动输出模式，定期发送定位数据包，主控通过中断方式接收并解析NMEA协议数据。OLED显示采用双缓冲机制，避免屏幕刷新时的闪烁现象。

数据存储选用FM24C16 FRAM芯片，容量16Kbit，通过I2C接口与主控通信。FRAM具有高速写入、低功耗和几乎无限次擦写等优势，特别适合频繁数据记录的应用场景。存储区划分为多个逻辑区块，分别存储配置参数、温度记录和位置信息，便于数据管理。

USB通信基于STM32内置的USB设备控制器，配合CH340G芯片实现虚拟串口功能。系统枚举为CDC类设备，兼容各种操作系统无需额外驱动。通信协议采用自定义的二进制格式，包含数据校验和重传机制，确保传输可靠性。

系统软件采用FreeRTOS实时操作系统，将不同功能划分为独立任务，通过消息队列和信号量实现任务间通信。这种设计提高了代码的可维护性，也便于后期功能扩展。关键数据采用冗余存储和校验机制，进一步保障数据完整性。

使用的模块的技术详情介绍

（1）STM32F103RCT6微控制器：

• ARM Cortex-M3内核，72MHz主频
• 256KB Flash，48KB SRAM
• 3个USART，2个SPI，2个I2C，1个USB 2.0全速接口
• 2个12位ADC，1个12位DAC
• 多达51个通用I/O口
• 工作电压2.0V至3.6V，工业级温度范围(-40℃至+85℃)

（2）DS18B20数字温度传感器：

• 测量范围：-55℃至+125℃
• 精度：±0.5℃(-10℃至+85℃)
• 9至12位可编程分辨率
• 独特的64位序列号支持多设备挂载
• 1-Wire总线接口，寄生供电模式
• 转换时间：750ms(最大，12位分辨率)

（3）ATGM336H GPS模块：

• 支持GPS/北斗/GLONASS/Galileo多系统
• 定位精度：2.5m CEP
• 冷启动时间：29秒
• 热启动时间：1秒
• 灵敏度：-165dBm
• 数据更新率：1Hz/5Hz/10Hz可选
• 接口：SPI/UART，3.3V电平
• 内置天线检测和SAW滤波器

（4）FM24C16 FRAM存储器：

• 容量：16Kbit(2K×8)
• 接口：I2C，最高1MHz
• 写周期：无延迟，与EEPROM不同
• 擦写次数：10^14次
• 数据保持：10年@85℃
• 工作电压：2.7V至3.6V
• 工业级温度范围(-40℃至+85℃)

（5）SSD1306 OLED显示屏：

• 分辨率：128×64
• 显示颜色：白色/蓝色/黄蓝双色可选
• 对比度可调
• 接口：SPI/I2C
• 可视角度：>160°
• 工作电压：3.3V/5V兼容
• 超薄设计，厚度仅1.5mm

（6）CH340G USB转串口芯片：

• 兼容USB 2.0
• 支持USB CDC类协议
• 内置时钟，无需外部晶振
• 支持5V和3.3V电源电压
• 最大波特率：2Mbps
• 支持Windows/Linux/Mac OS多平台

预期成果

完成本项目后，将得到一款功能完善、性能稳定的冷链运输温度记录仪产品。该设备将具备以下特点和优势：

1. 高精度温度监控能力，覆盖-40℃至+85℃的宽温度范围，满足各类冷链产品的监控需求。温度测量精度达到±0.5℃，确保监控数据的可靠性。

2. 完整的运输过程追溯功能，通过结合温度记录和GPS定位数据，可精确还原货物在整个运输过程中的环境条件和运输路径，为质量分析提供数据支持。

3. 用户友好的操作界面，OLED显示屏直观显示关键信息，USB接口简化数据导出流程。设备将配套开发PC端数据分析软件，提供数据可视化、报表生成和异常报警功能。

4. 坚固可靠的设计，设备将采用工业级元器件和防护设计，适应冷链运输中的振动、湿度和温度变化等恶劣环境。内置锂电池可支持至少7天的连续工作。

5. 符合行业标准的数据格式，导出的温度记录将兼容FDA 21 CFR Part 11等医药冷链规范要求，便于纳入企业的质量管理系统。

6. 成本优势，通过优化设计和元器件选型，设备制造成本将控制在市场同类产品的70%以下，具有显著的市场竞争力。

总结

本设计文档详细阐述了一款冷链运输温度记录仪的完整设计方案。该设备针对冷链物流中的温度监控需求，集成了温度传感、GPS定位、数据存储和显示等功能，提供了全面的运输过程监控解决方案。

系统硬件设计注重可靠性和实用性，选用工业级元器件和合理的接口方案。软件设计采用实时操作系统和模块化架构，保证系统稳定运行的同时便于功能扩展。FRAM存储器的应用有效解决了传统存储介质在频繁写入和数据保护方面的不足。

该温度记录仪具有广泛的应用前景，可用于食品冷链、医药冷链、化工产品运输等多个领域。其精确的温度记录和位置追踪功能，不仅有助于保障产品质量，也能为运输过程优化提供数据支持。设备的小型化和低功耗设计，使其能够灵活应用于各种运输场景。

未来，该系统可进一步扩展无线通信功能（如4G/NB-IoT），实现实时数据上传和云端监控。也可增加更多的传感器接口，监测湿度、震动等其他环境参数，提供更全面的物流监控解决方案。

冷链运输温度记录仪STM32主程序设计

main.c 源码

#include "main.h"
#include "stm32f1xx_hal.h"
#include "ds18b20.h"
#include "gps_parser.h"
#include "ssd1306.h"
#include "fram_i2c.h"
#include "usb_cdc.h"

/* Private variables */
SPI_HandleTypeDef hspi1;  // 共享SPI（GPS/OLED）
I2C_HandleTypeDef hi2c1;  // FRAM存储
UART_HandleTypeDef huart1; // USB CDC虚拟串口

/* System status flags */
volatile uint8_t temp_ready = 0;
volatile uint8_t gps_fix = 0;
volatile uint8_t usb_active = 0;
float current_temp = 0.0f;
char gps_latitude[12] = {0};
char gps_longitude[12] = {0};

/* Function prototypes */
void SystemClock_Config(void);
static void MX_GPIO_Init(void);
static void MX_SPI1_Init(void);
static void MX_I2C1_Init(void);
static void MX_USART1_UART_Init(void);

int main(void)
{
  HAL_Init();
  SystemClock_Config();
  MX_GPIO_Init();
  MX_SPI1_Init();
  MX_I2C1_Init();
  MX_USART1_UART_Init();

  // 初始化外设
  DS18B20_Init(GPIOB, GPIO_PIN_0);       // DS18B20 on PB0
  GPS_Init(&huart1);                     // GPS on USART1
  SSD1306_Init(&hspi1);                  // OLED显示
  FRAM_Init(&hi2c1);                     // FRAM存储
  USB_CDC_Init(&huart1);                 // USB虚拟串口

  // 创建定时任务
  HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim2);  // 5分钟定时器

  // 主循环
  while (1)
  {
    /* 低功耗模式管理 */
    if (!temp_ready && !gps_fix && !usb_active) {
      Enter_LowPowerMode();  // 进入Stop模式，RTC保持运行
    }

    /* 数据采集与处理 */
    if (temp_ready) {
      temp_ready = 0;
      
      // 1. 读取温度数据
      current_temp = DS18B20_ReadTemp();
      
      // 2. 存储到FRAM
      FRAM_Write(0x0000, (uint8_t*)&current_temp, sizeof(current_temp));
      
      // 3. 更新OLED显示
      SSD1306_Clear();
      SSD1306_DisplayTemp(current_temp);
      SSD1306_DisplayGPS(gps_latitude, gps_longitude);
    }

    /* GPS数据处理 */
    if (gps_fix) {
      gps_fix = 0;
      FRAM_Write(0x1000, (uint8_t*)gps_latitude, 12);
      FRAM_Write(0x100C, (uint8_t*)gps_longitude, 12);
    }

    /* USB数据导出 */
    if (usb_active) {
      USB_CDC_SendData();
    }

    /* 定时唤醒检查 */
    Check_RTC_Wakeup();
  }
}

/* SPI1初始化函数 */
static void MX_SPI1_Init(void)
{
  hspi1.Instance = SPI1;
  hspi1.Init.Mode = SPI_MODE_MASTER;
  hspi1.Init.Direction = SPI_DIRECTION_2LINES;
  hspi1.Init.DataSize = SPI_DATASIZE_8BIT;
  hspi1.Init.CLKPolarity = SPI_POLARITY_LOW;
  hspi1.Init.CLKPhase = SPI_PHASE_1EDGE;
  hspi1.Init.NSS = SPI_NSS_SOFT;
  hspi1.Init.BaudRatePrescaler = SPI_BAUDRATEPRESCALER_64;
  hspi1.Init.FirstBit = SPI_FIRSTBIT_MSB;
  HAL_SPI_Init(&hspi1);
}

/* USART1初始化（USB CDC） */
static void MX_USART1_UART_Init(void)
{
  huart1.Instance = USART1;
  huart1.Init.BaudRate = 115200;
  huart1.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;
  huart1.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;
  huart1.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;
  huart1.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX;
  HAL_UART_Init(&huart1);
}

/* 定时器中断服务函数 */
void TIM2_IRQHandler(void)
{
  HAL_TIM_IRQHandler(&htim2);
  if (__HAL_TIM_GET_FLAG(&htim2, TIM_FLAG_UPDATE)) {
    temp_ready = 1;  // 触发温度采集
    gps_fix = GPS_ParseNMEA();  // 解析GPS数据
    
    // 每5分钟触发一次
    __HAL_TIM_SET_AUTORELOAD(&htim2, 5*60*1000); 
    HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim2);
  }
}

整体代码设计思路

1. 分层架构设计
采用 硬件抽象→驱动管理→应用逻辑→用户交互 四级架构：
• 硬件抽象层：封装SPI/I2C/UART底层操作（如HAL_SPI_Transmit()）

• 驱动管理层：实现DS18B20协议、GPS NMEA解析、FRAM存储管理

• 应用逻辑层：执行温度记录策略、GPS数据融合、异常判断

• 用户交互层：OLED实时显示、USB虚拟串口数据导出

2. SPI总线复用策略
• 动态片选切换：通过GPIO控制片选信号(GPIOA_PIN_4/GPIOA_PIN_5)切换GPS与OLED

• 时序优化：使用DMA传输+中断完成SPI数据搬移，减少CPU占用

• 设备优先级：温度采集优先于GPS数据解析，存储操作使用DMA半传输模式

3. 低功耗核心机制
• 三级休眠模式：

4. 数据可靠性保障
• FRAM掉电保护：每次温度记录后立即写入FRAM（Erase-Free操作）

• 数据校验：CRC16校验 + FRAM双备份存储

• 时间同步：GPS时钟校正RTC时间（误差<2分钟/月）

5. 关键算法实现
温度记录策略

// 温度数据结构体
typedef struct {
  uint32_t timestamp;
  float temperature;
  char latitude[12];
  char longitude[12];
} TempRecord;

// FRAM存储管理
void WriteTempRecord(TempRecord *record) {
  FRAM_Erase(0x0000, 64);  // 擦除旧数据
  FRAM_Write(0x0000, (uint8_t*)record, sizeof(TempRecord));
}

GPS解析优化

// NMEA数据解析状态机
typedef enum {
  GPS_STATE_IDLE,
  GPS_STATE_HEADER,
  GPS_STATE_DATA,
  GPS_STATE_CRC
} GPS_STATE;

void GPS_ParseNMEA() {
  static GPS_STATE state = GPS_STATE_IDLE;
  static char rx_buf[80];
  
  switch(state) {
    case GPS_STATE_IDLE:
      if (data == '$') state = GPS_STATE_HEADER;
      break;
    case GPS_STATE_HEADER:
      if (strstr(rx_buf, "GPGGA")) state = GPS_STATE_DATA;
      break;
    case GPS_STATE_DATA:
      // 解析经纬度数据
      break;
    case GPS_STATE_CRC:
      // 校验数据完整性
      break;
  }
}

系统功能总结

技术方案

1. 1-Wire总线驱动

// DS18B20复位脉冲
void DS18B20_Reset() {
  HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_0, GPIO_PIN_RESET);
  HAL_Delay(480);  // 480μs低电平
  HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_0, GPIO_PIN_SET);
  HAL_Delay(70);    // 70μs恢复时间
}

2. SPI双设备切换

// 切换SPI设备
void SPI1_DeviceSelect(uint8_t device) {
  if (device == DEVICE_GPS) {
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_4, GPIO_PIN_RESET);
  } else {
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_4, GPIO_PIN_SET);
  }
}

3. FRAM存储管理

4. USB CDC通信

// USB虚拟串口数据封装
void USB_CDC_SendData() {
  uint8_t usb_buffer[64];
  snprintf((char*)usb_buffer, sizeof(usb_buffer), 
           "TEMP:%.2f,LAT:%s,LON:%s\r\n", 
           current_temp, gps_latitude, gps_longitude);
  CDC_Transmit_FS(usb_buffer, strlen((char*)usb_buffer));
}