王吉鳴，呂穎瑩，樓理綱（浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第一醫(yī)院，浙江杭州 310003）

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基于433MHz無線通訊的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)

王吉鳴，呂穎瑩，樓理綱
（浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第一醫(yī)院，浙江杭州 310003）

〔摘要〕由于醫(yī)院環(huán)境復(fù)雜、醫(yī)用冰箱分布雜亂，造成對冰箱溫濕度監(jiān)測以及環(huán)境溫濕度監(jiān)測困難多、實現(xiàn)難。本文研制一款基于433MHz無線通訊的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上提出了兩項關(guān)鍵軟件算法，改善433MHz的無線通訊協(xié)議，使得本系統(tǒng)的無線數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，數(shù)據(jù)完整度高，在斷電、主機損壞等異常條件下，測點終端仍能完整保存測量數(shù)據(jù)，待系統(tǒng)恢復(fù)正常補償歷史數(shù)據(jù)。經(jīng)試驗表明，本系統(tǒng)對溫濕度數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸率達(dá)96.5%，溫度異常正確報警率高達(dá)99%。

〔關(guān)鍵詞〕溫濕度；智能監(jiān)控；無線通訊；433MHz

0　引言

隨著生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對溫度變化敏感的生物制劑和藥品品種不斷增加；另一方面隨著醫(yī)院管理品質(zhì)要求的提高，對環(huán)境以及藥物儲存冰箱的溫濕度監(jiān)控的需求和要求也在不斷提升[1]?；?85有線通訊的溫度監(jiān)測裝置在現(xiàn)階段已被使用至一些復(fù)雜情況下的溫度監(jiān)測，但是此方法對通訊物理鏈路依賴性大，一旦通訊鏈路某一段出現(xiàn)故障，可能會導(dǎo)致整個系統(tǒng)癱瘓，所以目前也推廣出一部分基于無線通訊的溫度監(jiān)測裝置[2]。針對醫(yī)院環(huán)境以及冰箱分布的復(fù)雜性，市面上普遍采用的基于Zigbee協(xié)議、SPIN路由協(xié)議、DD路由協(xié)議的無線傳感網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)不能滿足要求，其主要待解決問題是傳輸距離短、穿透能力較差、通過密閉性能好的醫(yī)療實驗室或進行遠(yuǎn)距離信號傳輸效果很差[3]，所以研制一款針對醫(yī)療冷藏品及醫(yī)院環(huán)境這一特定環(huán)境中使用的溫濕度監(jiān)測裝置很有必要。

本文主要介紹一種基于433MHz頻率的無線路由協(xié)議的溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)?；?33MHz無線通訊協(xié)議的傳感網(wǎng)自組織能力強，通訊穩(wěn)定性，裝置溫濕度檢測效果良好，且具備數(shù)據(jù)存儲，可廣泛應(yīng)用于醫(yī)療機構(gòu)的各類工作場所——如藥庫、血庫、病房等大空間的溫度監(jiān)控，也可用于保存醫(yī)用血液、生物制劑，體液標(biāo)本和藥品等各類冷藏設(shè)備的溫度監(jiān)控使用。

1　系統(tǒng)方案設(shè)計

433MHz無線通訊溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)由多個測點終端、兩個管理主機和上位機軟件組成，具體運作效果如圖1所示，其中冰箱溫度監(jiān)測器和環(huán)境溫濕度監(jiān)測器均可作為測點終端，兩個管理主機分為主集匯器和副集匯器。

實際工況中，冰箱或冷庫的溫度監(jiān)測器和環(huán)境溫濕度監(jiān)測器實時監(jiān)測溫濕度信息，主集匯器通過呼喚方式呼叫每個測點終端將檢測得到的溫度和濕度信息通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送出去，主、副集匯器均具備數(shù)據(jù)接收發(fā)送、存儲功能，并具有智能報警功能，且兩者相互獨立工作，若其中一臺失效，另一臺可代替工作，但實際工作中主集匯器優(yōu)先級高。

圖1　433MHz無線通訊溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

對于無線數(shù)據(jù)通訊存在的主要問題[4，5，6]，本系統(tǒng)做了針對性解決方案：（1） 測點之間通訊距離過遠(yuǎn)?？赏ㄟ^周圍其他測點終端接力傳送數(shù)據(jù)，此時該測點終端具備路由節(jié)點和測點終端兩個功能，極大地提高數(shù)據(jù)鏈路可靠性，減小了源測點終端的發(fā)送功率；（2） 遇主機故障或接力終端故障，無法傳輸數(shù)據(jù)。測點終端能自動保存并備份數(shù)據(jù)，待主機或終端恢復(fù)正常通訊后續(xù)傳歷史數(shù)據(jù)，確保傳輸數(shù)據(jù)的完整性。

2　433MHz無線通訊溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計

433MHz無線通訊溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計如圖2所示。

對于醫(yī)學(xué)存儲冰箱而言，溫度要求主要分為以下幾種：22℃恒溫冰箱、2～8℃的低溫冰箱、-15～30℃的中低溫冰箱以及-30～50℃的超低溫冰箱，所以對溫度傳感器的選擇比較嚴(yán)格。本裝置溫度采集選用AD7416數(shù)字溫度傳感器，其測溫范圍為-55～125℃，具有分辨率和精度高的特點[7]。溫度傳感器的制作工藝添加黃銅包裹灌膠的技術(shù)，確保傳感器穩(wěn)定工作；濕度采集選用SHT11數(shù)字濕度傳感器，其測量相對濕度范圍為0～100%RH，測量精度為±2%RH[8]。

無線通信模塊的選擇直接影響無線網(wǎng)絡(luò)的可靠性。無線通訊模塊采用CC1101，它是TI公司生產(chǎn)的高性能無線通信芯片，其電路主要設(shè)定為在315、433、868MHz和915MHz 的ISM（工業(yè)，科學(xué)和醫(yī)學(xué)）和SRD（短距離設(shè)備）頻率波段，也可以容易地設(shè)置為300～348MHz、400～464MHz和800～928MHz的其他頻率。CCl101集成了一個高度可配置的調(diào)制解調(diào)器，支持不同的調(diào)制格式，其數(shù)據(jù)傳輸率最高可達(dá)500kb/s。通過開啟集成在調(diào)制解調(diào)器上的前向誤差校正選項，能使性能得到提升。在發(fā)射狀態(tài)下，其發(fā)射功率可編程調(diào)節(jié)，其最大發(fā)射功率達(dá)到+10dBm，且接收靈敏度可達(dá)-110dBm，抗干擾能力強，功耗較低。無線射頻模塊電路設(shè)計如圖3所示。

圖2　433MHz無線通訊溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)硬件框圖

圖3　CC1101射頻電路

STC單片機與射頻芯片之間采用SPI接口，此方案具有電路結(jié)構(gòu)簡單、速度快、通信可靠等優(yōu)點。

為便于后期對溫濕度采集器的校準(zhǔn)，本裝置設(shè)置了線性調(diào)整按鍵模塊。在溫濕度校準(zhǔn)過程中，當(dāng)本裝置溫濕度采集器的溫濕度變化較計量院標(biāo)準(zhǔn)件溫濕度變化呈線性關(guān)系時，可通過按鍵模塊，線性調(diào)整本裝置的溫濕度參數(shù)值，使得本裝置測量誤差度降至最低。

3　433MHz無線通訊溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1主流程設(shè)計

STM32F103微處理器是目前的主流控制芯片，其功能強大、編程函數(shù)庫龐大的特點在很大程度上已經(jīng)超過51單片在控制工程上的應(yīng)用，本裝置即采用STM32作為主控制芯片，以Keil軟件為平臺，編寫溫濕度采集器和主、副集匯器控制程序，主程序流程如圖4所示。

圖4　主程序流程圖

程序模塊主要包括主程序模塊、溫濕度采集程序模塊、CC1101無線收發(fā)模塊、按鍵模塊和顯示模塊。

3.2基于433MHz的無線通訊軟件設(shè)計

由于醫(yī)院、血站等醫(yī)學(xué)單位空間分布復(fù)雜，冰箱的安排位置雜亂，普通的433MHz無線通訊協(xié)議已不能很好滿足此環(huán)境下數(shù)據(jù)通訊的要求，所以本文在433MHz無線通訊協(xié)議的基礎(chǔ)上提出了2項關(guān)鍵算法，算法流程如圖5所示。

關(guān)鍵算法一即心跳包算法，顧名思義主集匯器每個單位時間周期向每個測點終端發(fā)送帶地址碼的心跳包，當(dāng)相應(yīng)地址的測點終端收到心跳包后，則向主集匯器發(fā)送當(dāng)前時刻測點終端檢測得到的溫濕度信息。另一方面當(dāng)某個測點距離主集匯器或副集匯器過遠(yuǎn)時，且該測點又監(jiān)聽到附近測點在持續(xù)一段時間內(nèi)有連續(xù)的心跳反應(yīng)，則判定該測點由于距離主、副集匯器的距離過遠(yuǎn)導(dǎo)致無法接收到心跳包，此時測點將數(shù)據(jù)發(fā)送至距離它最近的活動測點，發(fā)送自身數(shù)據(jù)，保證每個測點數(shù)據(jù)均能正常穩(wěn)定的被接收。

關(guān)鍵算法二即智能識別測點或主集匯器故障，當(dāng)距離主、副集匯器過遠(yuǎn)的測點在長時間未收到心跳包，且無法監(jiān)聽到周圍測點的心跳反應(yīng)，測立刻啟動接收功率放大模式，擴大范圍監(jiān)聽周圍測點心跳反應(yīng)，若此時可以監(jiān)聽得到心跳反應(yīng)，則說明距離此測點較近的測點發(fā)生故障；若放大接收功率仍無法監(jiān)聽得到心跳反應(yīng)，則說明主集匯器故障。上述兩者情況下，測點均會保存失效心跳反應(yīng)后的數(shù)據(jù)，等待網(wǎng)絡(luò)維護。

3.3監(jiān)控終端設(shè)計

上位機界面主要包括用戶登錄界面、科室顯示界面、各測點數(shù)據(jù)顯示界面及曲線、報警設(shè)置界面以及數(shù)據(jù)庫，界面采用Microsoft Visual studio2005軟件開發(fā)，以Windows采用目前最流行的C#編程。主集匯器或副集匯器通過無線得到各測點溫濕度監(jiān)測器的信息后，通過485轉(zhuǎn)串口將數(shù)據(jù)發(fā)送至PC機。

圖5　基于433MHz的無線通訊關(guān)鍵算法流程

4　實驗測試

4.1系統(tǒng)穩(wěn)定性試驗

本文通過人為破壞手段，對系統(tǒng)的穩(wěn)定性進行測試。以浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第一醫(yī)院靜脈配置中心測點為例，在2014年9月20日和2014年9月10日對主、副集匯器進行人為斷電測試，通過數(shù)據(jù)顯示，經(jīng)3.2節(jié)中提及的關(guān)鍵算法二處理，該測點可有效保存主、副集匯器在故障期間的測量數(shù)據(jù)，并在系統(tǒng)恢復(fù)正常后正確補償丟失數(shù)據(jù)，且該數(shù)據(jù)丟失情況可在顯示界面上顯著體現(xiàn)。通過大量的實驗數(shù)據(jù)可得，基于433MHz無線通訊溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)對溫濕度數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸率達(dá)96.5%，溫度異常正確報警率高達(dá)99%。

圖6　溫濕度對比試驗

4.2系統(tǒng)檢測準(zhǔn)確性試驗

判斷系統(tǒng)是否符合要求不僅要從穩(wěn)定性判斷，而且還要滿足系統(tǒng)的測試要求，本裝置通過溫濕度采集對比實驗監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)測準(zhǔn)確性是否滿足要求，對比標(biāo)準(zhǔn)件為浙江省計量院認(rèn)證的溫濕度標(biāo)準(zhǔn)件，實驗工況分別為22℃恒溫冰箱、2～8℃的低溫冰箱、-30～50℃的超低溫冰箱以及危險品藥物儲存庫，對比結(jié)果如圖6所示。

通過圖6的溫濕度檢測對比數(shù)據(jù)可知，本文設(shè)計的基于433MHz無線通訊的溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)的檢測效果良好，對于上述3個溫度工況條件下均能有效根據(jù)冰箱溫度變化，且測量結(jié)果較標(biāo)準(zhǔn)件的誤差均小于（-0.2℃，+0.2℃），該誤差范圍嚴(yán)格滿足醫(yī)用冰箱為溫度檢測的要求。另一方面，通過比對濕度檢測的實驗結(jié)果可知，本裝置測量結(jié)果較標(biāo)準(zhǔn)件誤差最大為5%RH，這是因為藥庫經(jīng)常有工作人員出入，濕度傳感器對環(huán)境濕度變化敏感，所以引起較大的比對誤差，但是（-5%RH，+5%RH）也均可滿足環(huán)境濕度檢測要求。

5　總結(jié)

本研究項目完成一套基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)，并在433MHz無線通訊協(xié)議的基礎(chǔ)上提出了兩項關(guān)鍵算法，大大改善了通訊穩(wěn)定性，且系統(tǒng)對溫濕度的檢測效果良好。隨著醫(yī)院信息化管理要求的不斷提高，醫(yī)療系統(tǒng)應(yīng)用的需求非常廣闊，此裝置具有很好的技術(shù)應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化前景。

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Development of a temperature and humidity monitoring system based on 433MHz wireless

Wang Jiming， Lv Yingying，Lou Ligang
（The First Affiliated Hospital of Zhejiang University， Hangzhou， 310003）

Abstract Objective：Temperature and humidity impacted on blood， biologics and medicine preservation. So temperature and humidity monitoring system based on 433MHz frequency wireless， Ad Hoc sensor network， was significant for it. System Proposed two key algorithms to solve wireless communication problem. Monitoring terminal and MCU constituted master-slave control system，that could monitor， record and analysis temperature and humidity the whole day. The test result by number of medical units showed that this temperature and humidity monitoring system has high precision， low failure rate， 99% accurate alarm rate and 96.5% data transmission integrity.

Key words：temperature and humidity； Intelligent monitoring； Wireless communication； Ad Hoc； 433MHz RF

收稿日期：2015-06-10

基金項目：浙江省教育廳科研項目(Y201328387)

〔中圖分類號〕TP27

〔文獻(xiàn)標(biāo)識碼〕A

〔文章編號〕1002-2376（2015）09-0033-04