基于無線傳感器網絡的智能溫度記錄儀的研制.pdf

1、溫度敏感性產品，如冷藏藥品、奶制品和農產品等，從生產、貯藏運輸、銷售，到消費前的各個環(huán)節(jié)中，始終處于規(guī)定的低溫環(huán)境下，以保證產品的質量。這就需要一項低溫系統(tǒng)工程——“冷鏈”。特別是醫(yī)藥行業(yè)，藥品的質量關乎人民的健康與社會的安定，而且它比—般農產品對冷藏條件要求更高。確保冷藏藥品的質量安全是醫(yī)藥冷鏈的主要目的，保持低溫環(huán)境是醫(yī)藥冷鏈的核心要求。我國醫(yī)藥冷鏈行業(yè)正處于起步階段，發(fā)展現(xiàn)狀可總結為：醫(yī)藥市場需求激增，醫(yī)藥冷鏈物流發(fā)展空間廣闊；缺

2、少執(zhí)行力強的行業(yè)標準，近79％的冷藏藥品在運輸中沒有溫度監(jiān)測；信息系統(tǒng)不完善，缺乏上下游信息的銜接和共享，常出現(xiàn)“斷鏈”現(xiàn)象；基礎設備落后，自動化水平低，難以保證可靠性；專業(yè)人才匱乏。可見，我國醫(yī)藥冷鏈正面臨著嚴峻的考驗，亟待建立全程監(jiān)測和追溯系統(tǒng)，構建信息化服務平臺。本文在查閱大量文獻和調研國內外監(jiān)測設備的基礎上，針對我國醫(yī)藥冷鏈監(jiān)測的特點和不足，研制了一款基于無線傳感器網絡技術的智能溫度記錄儀。主要研究內容如下：
　　 ⑴無

3、線傳感器網絡技術研究。無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network，WSN）—種新興的高科技產業(yè)，以其微型化、低功耗、自組網等獨特的優(yōu)點，被廣泛應用于軍事、環(huán)境監(jiān)測和預報、醫(yī)療、智能家居、大型倉庫管理等領域。WSN目前在物流行業(yè)的主要應用包括倉儲環(huán)境監(jiān)測、在途貨物監(jiān)測和貨物管理等。若將WSN應用于醫(yī)藥冷鏈，可實現(xiàn)真正的無人值守、自動化監(jiān)測，極大地避免因冷鏈設備自身故障、人為操作失誤、制冷劑失效等問題引起地冷藏藥品的質量

4、問題，保障醫(yī)藥冷鏈設備持續(xù)有效的運行，從而提高醫(yī)藥冷鏈的可靠性。無線傳感器網絡的拓撲結構有星型網、樹形網和網狀網。星型網是一個單跳網絡，結構最簡單，最易實現(xiàn)，最容易診斷維護故障，適用于小范圍室內監(jiān)測。樹形網是分級的集中控制型網絡，成本較低，節(jié)點易于擴充。但各子節(jié)點對母節(jié)點的依賴性強，若母節(jié)點發(fā)生故障，則其子節(jié)點都不能正常工作。網狀網是一個多跳網絡，任意兩個節(jié)點間均可通信，因此該網絡傳輸距離遠，覆蓋范圍大，自愈能力強，網絡可靠性高，但該網

5、絡結構復雜，可維護性差。綜上所述，各種網絡結構都有其優(yōu)缺點，適用于不同場合。本文最終采用節(jié)點功耗最低的星型網絡拓撲結構，以監(jiān)測終端為網絡協(xié)調器，構建低功耗、短延時、易于維護的高效的監(jiān)測網絡系統(tǒng)。
　　 ⑵醫(yī)藥冷鏈溫度記錄儀總體設計。設計了一個基于無線傳感器網絡的智能溫度記錄儀，可用于對冷藏藥品從加工、貯藏、運輸?shù)绞褂们暗娜虦囟缺O(jiān)測、記錄和預警。本記錄儀由若干個無線傳感器節(jié)點和一個智能監(jiān)測終端組成，其中無線傳感器節(jié)點分別對批量貯

6、藏箱體、移動運輸工具進行實時周期性地溫度采集和預處理，并同步發(fā)送給站內監(jiān)測終端;終端對多項監(jiān)測任務數(shù)據進行海量存儲、分析處理，并可實現(xiàn)高低溫短信報警，以及向監(jiān)管部門和使用者提供歷史數(shù)據追溯。
　　 ⑶記錄儀的硬件設計。根據記錄儀的總體設計方案，本智能溫度記錄儀由無線傳感器節(jié)點和智能監(jiān)測終端兩部分組成。本文分別對節(jié)點和終端模塊化，并依次完成各個部分的功能框圖設計、器件選型、原理圖設計、PCB設計和實物焊接。其中節(jié)點包括傳感器單元、

7、主控單元、通信單元和電池四部分，終端包括主控單元、觸摸屏、通信單元、報警單元、存儲單元和電源。①節(jié)點選用超低功耗芯片ATmega169作為主控芯片，利用溫度傳感器Pt100采集冷藏環(huán)境溫度數(shù)據，通過射頻模塊JTT4432與智能監(jiān)測終端實時交互溫度信息，采用兩節(jié)七號堿電池供電。整個節(jié)點設計具備微型化、低功耗、低成本、可擴展性和高可靠性等特點。②高精度測量電路。溫度傳感器Pt100經恒流源驅動電路，產生一個精密的溫度電壓值，該電壓信號流過低

8、溫漂高精度運放進行信號調理，再通過二階有源低通濾波器提高抗干擾能力，最后經單片機12bit ADC采樣、軟件處理獲取-100～100℃范圍內，精度為0.1℃的溫度數(shù)據。③監(jiān)測終端采用主從控制模式，觸摸屏SK_AE050為主機，單片機ATmega128為從機，通過RS232連接。觸摸屏觸發(fā)Atmega128通過無線通信模塊JTT4432與節(jié)點交互溫度信息;Atmega128對節(jié)點返回的數(shù)據分析匯總;海量溫度數(shù)據被存儲在SD卡中;當溫度超限

9、時，GSM模塊TC35實時向用戶發(fā)送報警短信;電源采用220V市電，經AC-DC電源模塊LH20-10B24輸出24V電壓。⑷記錄儀的軟件設計。無線傳感器節(jié)點的軟件部分主要包括主程序、溫度采集子程序、射頻收發(fā)子程序、顯示子程序和電池控制子程序。節(jié)點首先對Atmage169及各模塊芯片初始化，配置節(jié)點處于休眠狀態(tài);按設定頻率采集溫度數(shù)據，并對數(shù)據預處理、顯示;同時節(jié)點隨時等待射頻中斷觸發(fā)，接收監(jiān)測終端發(fā)來的命令幀，收到處理命令幀，載入采集

10、數(shù)據值返回終端。智能監(jiān)測終端軟件包括內部通信程序和外圍控制程序。其中觸摸屏與單片機間的內部通信通過MODBUS協(xié)議實現(xiàn);終端外圍控制程序又包括主程序、數(shù)據存儲子程序、射頻收發(fā)子程序和報警子程序等。
　　 ⑸人機界面設計。友好的人機交互環(huán)境是儀器設計的重要組成之一。本設計采用觸摸屏為用戶提供一個生動、直觀的、易于操作的監(jiān)測環(huán)境。本記錄儀實現(xiàn)的人機交互功能包括，用戶登錄、節(jié)點拓撲圖、參數(shù)設置、監(jiān)測數(shù)據顯示、高低溫報警和歷史數(shù)據查詢等

11、。人機界面的實現(xiàn)主要分為兩部分:基于組態(tài)軟件SK Workshop4.0.0的畫面設計;基于MODBUS協(xié)議完成與單片機通訊程序編寫。
　　 ⑹整機性能測試。在已搭建的實驗平臺上，進行整機性能測試。主要包括測溫實驗、通信可靠性實驗和電池工作時間計算。通過多次性能測試結果表明，本文研發(fā)的基于無線傳感器網絡的智能溫度記錄儀，基本實現(xiàn)了預期的設計目標，可有效的解決醫(yī)藥冷鏈監(jiān)控過程中對高精度、全程記錄、低功耗、實時報警和歷史追溯的需求。

12、通過該無線溫度記錄儀的應用，實現(xiàn)實時在線冷鏈設備溫度監(jiān)控，大幅提高血液、疫苗等冷藏藥品冷鏈保障的可靠性，依據記錄數(shù)據驗證冷鏈儲運性能，降低工作人員勞動強度，避免因設備故障或人員操作失誤造成寶貴的藥品因溫度問題而損壞。采用該記錄儀全天候監(jiān)測、記錄、預警，多方位冷鏈異常信息獲取，真正實現(xiàn)無人值守冷鏈實時在線監(jiān)控功能，提高醫(yī)藥儲運的監(jiān)控效率和監(jiān)控的可靠性，及時預警。
　　 ⑺本文的主要成果和創(chuàng)新點主要有：①高精度測溫電路。關鍵是設計高

13、精度恒流源和二階有源低通濾波器，優(yōu)化參數(shù)，匹配設計，提高抗干擾能力。②無線通信節(jié)點設計。射頻系統(tǒng)基于傳輸線理論，因此對器件布局，PCB設計，天線的方向都有很高的要求，設計高效射頻通路是系統(tǒng)的關鍵。③友好的人機界面。基于觸摸屏模式設計的終端，界面友好，操作簡單。④網絡結構優(yōu)化。本文采用的相對簡單的星型網絡結構，適合小范圍的監(jiān)控現(xiàn)場，但對于監(jiān)控設備數(shù)量大的現(xiàn)場應用，可嘗試網狀網絡結構。運用精度高、可靠性高、網狀網進一步完善網絡結構。⑤融合物