(湄洲灣職業(yè)技術學院，福建 莆田 351254)

·機電工程·

疫苗安全溯源系統(tǒng)的溫濕度遠程監(jiān)控設計

鄭 健,邱興陽

(湄洲灣職業(yè)技術學院，福建 莆田351254)

在疫苗安全溯源系統(tǒng)中設計溫濕度無線監(jiān)控系統(tǒng)以實現(xiàn)冷鏈物流、低溫倉儲環(huán)節(jié)的遠程溫濕度監(jiān)控。系統(tǒng)利用STM32F103VCT6嵌入式控制器對STH75濕溫度傳感器檢測到的溫濕度信號進行運算處理，并通過GPRS DTU模塊SIM900A與應用服務器進行通信，將現(xiàn)場的溫濕度數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)椒掌鳎瑢崿F(xiàn)遠程在線實時監(jiān)控。系統(tǒng)運行實例測試結果符合要求，表明該設計合理有效。

STM32；GPRS；溫濕度；遠程監(jiān)控

眾所周知，我國已成為全球疫苗產(chǎn)品的最大需求與供給市場。自安徽疫苗事件、山西疫苗事件后，公眾對疫苗的安全性日漸關注。公眾希望對疫苗生產(chǎn)、冷鏈運輸、倉儲、銷售、注射等每個環(huán)節(jié)都在政府、疾控中心的監(jiān)管之下。

1 疫苗安全溯源系統(tǒng)

疫苗安全溯源系統(tǒng)由疫苗的生產(chǎn)、物流、倉儲、接種4大環(huán)節(jié)構成。整個系統(tǒng)主要體現(xiàn)“監(jiān)管信息化、物流智能化、查詢便捷化、源頭追溯化”的特點，以確保疫苗使用安全。其中物流環(huán)節(jié)主要負責疫苗的安全傳輸，對運輸車輛安裝RFID掃描設備、溫濕傳感器，用于運輸環(huán)境的實時監(jiān)控，安裝GPRS通信系統(tǒng)，用于實時傳輸數(shù)據(jù)及接收監(jiān)控中心的異常警報。本文主要對疫苗安全溯源系統(tǒng)的遠程溫濕度監(jiān)控硬件和相關軟件進行闡述。

2 疫苗安全溯源系統(tǒng)的遠程溫濕度監(jiān)控

目前,溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)種類較多，但專門針對藥品倉儲環(huán)境溫濕度監(jiān)控的系統(tǒng)并不多見，尤其是針對基層中小藥房的便攜型溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)更是少之又少[1]。疫苗在運輸和存儲等環(huán)節(jié)有嚴格的冷藏保溫要求，溫度過高或過低都會對疫苗的質量產(chǎn)生影響[2]；所以疫苗在運輸過程中冷鏈監(jiān)控顯得尤為重要。在物流環(huán)節(jié)中安裝溫濕度監(jiān)控，一旦物流過程中出現(xiàn)問題，能及時的報警，提醒做好應急工作，保證疫苗在運輸過程中的溫濕度條件滿足要求。

疫苗安全溯源系統(tǒng)溫濕度監(jiān)控需要對倉儲與物流環(huán)節(jié)的溫度、濕度進行數(shù)據(jù)采集，在環(huán)節(jié)中放置監(jiān)控終端，由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對終端進行數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控、管理，把原來應由人工進入現(xiàn)場采集的信息，通過終端與GPRS無線通信來完成，提高管理效率，降低成本；同時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)服務器將終端采集的溫度、濕度數(shù)據(jù)進行存儲、查詢和統(tǒng)計，還能根據(jù)所需的環(huán)境參數(shù)設定閾值。如果在監(jiān)測過程中采集值在設定的閾值范圍之外，系統(tǒng)就會報警，從而有效地監(jiān)控各監(jiān)測點的溫濕度。整個疫苗倉儲和物流環(huán)節(jié)溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)由若干終端和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)服務器組成，其系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 倉儲與物流環(huán)節(jié)溫濕度監(jiān)控結構圖

3 溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)硬件設計

溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)需要對疫苗的倉儲和物流環(huán)節(jié)安裝的終端節(jié)點進行不間斷溫度測量與監(jiān)控，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)服務器結合各溫濕度監(jiān)控終端而具有數(shù)據(jù)采集、顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢、超標報警、數(shù)據(jù)輪訓間隔、中斷管理等功能。硬件系統(tǒng)主要由主控模塊、溫濕度采集模塊、無線通信GPRS模塊和電源模塊4部分組成。其系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)硬件方框圖

3.1主控模塊

系統(tǒng)主控模塊采用的是32位ARM處理器STM32F103VCT6芯片(以下簡稱STM32)。為方便對溫濕度采集系統(tǒng)的參數(shù)進行設置，在主板上還連接了液晶屏和鍵盤，從而能夠快速直觀地改變系統(tǒng)參數(shù)。

3.2溫濕度傳感器

系統(tǒng)采用STH75溫濕度傳感器。它采用CMOSensTM 技術，提供全量程標定的數(shù)字輸出，內部集成了濕度敏感元件、溫度敏感元件、1個14位的A/D轉換器和1個串行接口電路。它還集成了放大器、標定數(shù)據(jù)存儲器、數(shù)字總線接口以及穩(wěn)壓電路[3-5]。其工作過程分為啟動傳感器、發(fā)送命令、測量和復位4個步驟。

1)啟動傳感器。通電后傳感器進入11 ms的休眠期，傳感器禁止對其發(fā)送任何命令。

2)發(fā)送命令。在發(fā)送命令中，用1組“啟動傳輸”時序來表示數(shù)據(jù)傳輸?shù)某跏蓟r序為：當SCK時鐘高電平時將DATA翻轉為低電平，緊接著SCK變?yōu)榈碗娖?，隨后在SCK時鐘為高電平時將DATA翻轉為高電平。

3)溫度、濕度測量過程。發(fā)送1組測量指令(“00000101”表示測量相對濕度RH，“00000011”表示測量溫度t)后，主控芯片STM32需等待測量過程結束。SHT75會下拉DATA引腳至低電平并進入空閑模式來表示測量結束。主控芯片STM32在再次觸發(fā)SCK時鐘前，必須等待這個“轉換完成”信號來讀出數(shù)據(jù)。主控芯片STM32待檢測數(shù)據(jù)結束，讀取測量值送至存儲器，接著傳輸2個字節(jié)的測量數(shù)據(jù)和1個字節(jié)的CRC奇偶校驗。主控芯片STM32需要通過下拉DATA為低電平來確認所傳輸?shù)淖止?jié)。主控芯片STM32通過保持確認位ACK為高電平，來終止通信。其相對濕度測量時序圖如圖3所示。

4)復位過程。收到CRC的校驗確認后，通信結束。在測量和通信結束后，SHT75自動轉入休眠模式。

3.3 GPRS通信模塊

GPRS通信模塊采用SIMcom公司生產(chǎn)的內部嵌有TCP/IP協(xié)議棧的GPRS通信模塊SIM900A。SIM900A將所采集的數(shù)據(jù)按照用戶預先設定的時間間隔上傳并發(fā)送。無線傳輸鏈路是由遠端溫濕度發(fā)送模塊發(fā)送數(shù)據(jù)到Internet，再由無線運營商網(wǎng)絡進入到服務器網(wǎng)絡傳輸?shù)綉梅掌?，并由應用服務器轉發(fā)數(shù)據(jù)到上位機軟件,實現(xiàn)客戶端軟件和遠端點模塊之間的無線數(shù)據(jù)通信。由監(jiān)控中心開發(fā)的軟件可實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的采集、記錄、設置等功能，同時可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲，數(shù)據(jù)管理，曲線圖、數(shù)據(jù)導出等功能[6]。其電路接線如圖4所示。

圖4 GPRS通信模塊電路接線圖

3.4電源模塊

溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的主控芯片采用5 V供電，溫濕度傳感器采用3.3 V供電，無線通信模塊SIM900A采用3.4～4.5 V的直流電源。由于主控芯片、溫濕度傳感器及SIM900A所需要的直流供電電源不一致，因此，根據(jù)元件的實際需要設計芯片專用的電源電路。

4 溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件主要由采集各終端溫濕度信息的控制程序和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)服務器程序2部分構成。

4.1溫濕度數(shù)據(jù)處理與補償計算

SHT75傳感器數(shù)字信號輸出時通過8 bit CRC校驗[7]保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。SHT75傳感器可以通過DATA數(shù)據(jù)總線直接輸出數(shù)字量濕度值。該濕度值稱為“相對濕度”，需要進行線性補償和溫度補償后才能得到較為準確的濕度值[4]。

RHtrue=(Tc-25)·(t1+t2·SORH)+RHlinear。

(1)

式中：RHtrue為經(jīng)過線性補償和溫度補償后的濕度值；tc為測試濕度值時的溫度，℃；t1和t2為溫度補償系數(shù)，t1=0.01,t2=0.001 28(SORH為SHT75的輸出濕度測量值，這里SORH為8 bit)。

t=d1+d2·SOT。

(2)

其中，在電壓為5V時,d1為-40.1 (SOt為SHT75的輸出溫度測量值，這里SOt為12 bit),d2為0.04。

4.2多路GPRS通信機制設計

由于監(jiān)測的終端數(shù)量較多，所以采用多路的GPRS通信機制確保在服務器接收端不會受到因為眾多數(shù)據(jù)傳輸帶來的干擾影響，能在斷線的情況完成自動重建連接等。

首先建立連接，上電啟動SIM900A模塊并復位，然后啟動TCP/IP 任務，并設置接入點APN為CMNET網(wǎng)絡連接，執(zhí)行系列AT指令，建立與應用服務器的可靠連接，接著將采集的溫濕度數(shù)據(jù)以ASCII碼發(fā)送給服務器。具體數(shù)據(jù)傳輸如下。

1)Id:xxx 代表其終端設備號，用于識別設備重要標識，避免丟包而進行2次發(fā)送。ID號用8位表示，可通過配置軟件對其進行初始設置。在服務器端系統(tǒng)可以對其ID進行備注，用于識別哪輛冷鏈車的哪個冷鏈箱，進而可以查詢到相關疫苗產(chǎn)品。

2)Id=XXX;Command=Data;T=**.**;H=**.**。XXX代表ID號，T=**.**表示溫度，H=**.**表示濕度，如果是零度以下溫度，溫度值前面會帶有負號。

3)-+-=-+-心跳包數(shù)據(jù)。為保持終端的永久在線，在應用系統(tǒng)中過濾此數(shù)據(jù)包。

4.3溫濕度終端軟件設計

各監(jiān)控終端使用STM32F103VCT6嵌入式控制器，采用C語言進行軟件開發(fā)設計，將STH75傳感器采集的溫濕度數(shù)據(jù)進行處理與傳輸，其工作流程如圖5所示。硬件上電后進行DTU模塊的ID編號、短消息中心號碼、管理員號碼、短信模式、聯(lián)網(wǎng)模式、溫度和濕度正常工作范圍、IP地址設置等初始化工作，然后進行定時輪詢，在有效的時間內STM32F103VCT6驅動SHT75進行現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集并在終端顯示屏上顯示，GPRS通信模塊根據(jù)初始化的服務器地址、端口數(shù)據(jù)進行TCP連接。如果連接成功則上傳數(shù)據(jù)，若連接超時則再次嘗試連接，當連接次數(shù)大于5還未連接成功則啟動外部中斷程序重啟模塊。在服務器端根據(jù)系統(tǒng)設置的溫濕度閾值進行判斷，若上傳的數(shù)據(jù)超過閾值則啟動報警，并向管理員發(fā)送帶有終端ID、溫濕度值及狀態(tài)的信息。

圖5 溫濕度終端軟件設計流程圖

4.4數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)服務器軟件設計

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)服務器的軟件應由數(shù)據(jù)通信程序和服務器監(jiān)控中心應用軟件組成。監(jiān)控中心應用系統(tǒng)是基于Visual C#2010，使用SQL server 2008數(shù)據(jù)庫開發(fā)。數(shù)據(jù)通信程序主要包含接收和發(fā)送數(shù)據(jù)指令，將數(shù)據(jù)以文件的形式保存至服務器的數(shù)據(jù)庫中，供監(jiān)控中心應用系統(tǒng)訪問。監(jiān)控中心的應用軟件，有查詢、修改、刪除數(shù)據(jù)、實時監(jiān)控、參數(shù)設置、報警警示等功能[8]?？紤]到大量的終端要訪問服務器系統(tǒng)，線程的創(chuàng)建和注銷將消耗大量資源，故采用線程池方式進行處理，其主要模塊設計如下。

1)TCP端口開放。在C#中使用System.Net.Sockets的Socket 類，用 Listen 方法來監(jiān)聽連接一個空閑的端口。

2)啟動監(jiān)聽，開辟緩沖區(qū)，接收采集信息。系統(tǒng)啟動ServerListenFunc函數(shù)進行監(jiān)聽終端的連接，主要根據(jù)終端的TCP連接主機、端口進行識別，函數(shù)主體：

TcpListener listener = new TcpListener(IPAddress.Any, port);

其次根據(jù)數(shù)據(jù)定義內容開辟1個800字節(jié)的緩沖區(qū)。

3)數(shù)據(jù)分析。系統(tǒng)將采集到的數(shù)據(jù)與設置的閾值進行比對，一旦超標則啟動報警程序，并記錄相應的值。

4)關閉通信。根據(jù)線程池的狀態(tài)，在設定的生存周期內，數(shù)據(jù)采集到服務器后自動關閉通信線程并釋放資源。

5 系統(tǒng)的運行實例

根據(jù)2010版中國藥典[9]的定義，冷處醫(yī)藥品是指需要保存在溫度為2～10 ℃內的醫(yī)療用品或藥品。由于疫苗的品種繁多且需求量大，為防止失效，必須有一個良好的倉儲環(huán)境以及完善的運輸冷鏈保護環(huán)節(jié)。為驗證本系統(tǒng)是否能夠有效地對各終端的溫濕度進行監(jiān)控，對系統(tǒng)的軟硬件進行實際測試。具體測試步驟如下。

1)環(huán)境配置。

硬件：計算機、終端2套。

系統(tǒng)運行環(huán)境：Win 7 64位、Microsoft SQL Server 2008、新花生殼內網(wǎng)版(用于端口映射)。

網(wǎng)絡環(huán)境：計算機通過wifi接入網(wǎng)絡、終端通過GPRS撥號接入互聯(lián)網(wǎng)。

2)終端硬件設置。將終端通過串口線與配置軟件連接。設置其終端的相關參數(shù)，如用于識別終端設備ID的8位ID號、在短信模式下接收采集數(shù)據(jù)的手機號、溫濕度閾值、接入采集系統(tǒng)服務器的類型如“TCP”、接入域名“****.***.com”或公網(wǎng)IP地址、服務器接入端口號如“54168”。

3)服務器配置。

(1)服務器數(shù)據(jù)庫配置。

(2)運行新花生殼做內網(wǎng)端口映射，將服務器相應端口與域名的相關端口做映射，以便終端撥號接入。

4)采集系統(tǒng)啟動。配置結束后啟動系統(tǒng)。在系統(tǒng)參數(shù)設置中，可以完成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫連接設置，并結合終端設置其溫度、溫度的上、下閾值，數(shù)據(jù)采集的輪訓時間間隔，以及設置本系統(tǒng)的服務器端口號。

5)終端接入。啟動系統(tǒng)后，將遠程終端設備上電，等待一段時間后自動連入系統(tǒng)，在主界面的“終端列表”區(qū)域顯示其已經(jīng)接入設備的ID、IP地址、編號及備注信息。在“終端列表”的下方信息欄中會顯示其他傳輸?shù)男畔ⅰ?/p>

當終端設備采集的數(shù)據(jù)超出設置的范圍值時，系統(tǒng)會出現(xiàn)紅色的警告按鈕，并有超出閾值的信息提示。當點擊紅色警告按鈕后會出現(xiàn)警告數(shù)據(jù)，并備注其產(chǎn)生的原因(是溫度還是濕度超過閾值引起的)，其警告數(shù)據(jù)也可以在“警告數(shù)據(jù)”表中查詢，如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)警告觸發(fā)

6)數(shù)據(jù)查詢。系統(tǒng)將接入的遠程傳感終端采集數(shù)據(jù)根據(jù)設置的輪訓時間定期寫入服務器的數(shù)據(jù)庫，這些數(shù)據(jù)可以通過點擊[終端溫濕度信息]按鈕進行查詢，可以選擇其終端ID及接入時間進行查閱，并可以導出Excel數(shù)據(jù)進行操作，如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示窗體

7)精度檢驗。檢測精度需達到要求：溫度精度為±0.3 ℃；濕度精度為±3%RH(10%～85%)。將本終端送至省計量研究院進行檢測校準，其測試結果均符合要求，具體數(shù)據(jù)如表1、2所示。

表1 溫度示值

表2 濕度示值

注：溫度示值的校準結果擴展不確定度U=0.20 ℃,k=2；相對濕度示值的校準結果擴展不確認度U=0.90%,k=2。

6 結束語

本文以“智能、實用、輕便、便攜”為原則設計了溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的硬件電路，其結構簡單、功能完整、可靠性高。系統(tǒng)的各溫濕度監(jiān)控終端經(jīng)GPRS模塊通過Internet與服務器進行通信，構成了疫苗安全溯源系統(tǒng)的多鏈路溫濕度監(jiān)測，實現(xiàn)對疫苗倉儲、物流環(huán)節(jié)的溫濕度實時監(jiān)控，使疫苗倉儲物流的冷鏈系統(tǒng)更信息化，以便監(jiān)管部門監(jiān)管，從而保證疫苗在倉儲與物流環(huán)節(jié)中的安全。此系統(tǒng)的設計不僅使疫苗在倉儲、物流環(huán)節(jié)的溫濕度監(jiān)測工作更方便快捷，而且使疫苗在存儲、運輸過程實現(xiàn)自動化管理，使疫苗的倉儲、物流環(huán)節(jié)的冷鏈系統(tǒng)管理更完善、更有效。

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[9]國家藥典委員會.中華人民共和國藥典：2010版[S]．北京：中國醫(yī)藥科技出版社，2012.

(編校：饒莉)

TheResearchonTemperatureandHumidityRemoteMonitoroftheVaccineSafetyTraceabilitySystem

ZHENG Jian ,QIU Xing-yang

(MeizhouwanVocationalTechnologyCollege,Putian351254China)

We designed a temperature and humidity remote system to monitor the vaccine enviroment in the cold chain logistics and low temperature storage stage. Embedded controller STM32F103VCT6 is utilized to process the temperature and humidity signals from the sensor STH75. It communicates with the host server via the module GPRS DTU module SIM900A so that the remote monitor can be implemented.The system is applied and the running instance show that the system conforms to the requirements, which indicates that the design is reasonable and effective.

STM32；GPRS； temperature and humidity；remote monitor

2014-10-08

福建省中青年教師教育科研A類項目(JA13435)；2013年莆田市科技項目(2013G16)。

鄭健(1980—)，男，講師，碩士，主要研究方向為計算機網(wǎng)絡、物聯(lián)網(wǎng)技術應用。

TP277.2;TP399

：A

：1673-159X(2015)03-0030-05

10.3969/j.issn.1673-159X.2015.03.007