林曉松，林少芬，陳清林，朱兆一

(1.集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，福建廈門 361021；2.福建省船舶與海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建廈門 361021)

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無(wú)線藥倉(cāng)溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

林曉松1,2，林少芬1,2，陳清林1,2，朱兆一1,2

(1.集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，福建廈門 361021；2.福建省船舶與海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建廈門 361021)

針對(duì)藥品倉(cāng)儲(chǔ)過(guò)程中溫濕度檢測(cè)點(diǎn)多、系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)等要求，采用多微處理器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)下位機(jī)模塊由多個(gè)溫濕度傳感器和微功率無(wú)線傳輸模塊組成，解決傳感器放置限制和布線等問(wèn)題；PC機(jī)作為上位機(jī)，采用LabVIEW作為軟件開發(fā)平臺(tái)。上位機(jī)通過(guò)串行口讀取各傳感器數(shù)據(jù)，同時(shí)向控制微處理器發(fā)送控制命令，控制空調(diào)和加濕機(jī)的工作；遠(yuǎn)程客戶端通過(guò)以太網(wǎng)訪問(wèn)上位機(jī)，獲取各種數(shù)據(jù)和控制狀態(tài)。通過(guò)系統(tǒng)的軟硬件可靠性設(shè)計(jì)，解決系統(tǒng)不間斷工作的可靠性問(wèn)題。試驗(yàn)表明：系統(tǒng)溫度測(cè)量精度為0.01℃，濕度測(cè)量精度為0.05%RH，檢測(cè)點(diǎn)擴(kuò)展方便。

無(wú)線溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；藥倉(cāng)；溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)；多測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集；遠(yuǎn)程通信；可靠性設(shè)計(jì)

0 引言

環(huán)境溫濕度是影響藥品儲(chǔ)存質(zhì)量的重要因素之一，溫濕度過(guò)高或過(guò)低都會(huì)使藥品變質(zhì)，危害到消費(fèi)者安全。按照《藥品經(jīng)營(yíng)質(zhì)量管理規(guī)范》要求，在藥品存儲(chǔ)的倉(cāng)庫(kù)中都要配備溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，確保藥品質(zhì)量安全。由于不同介質(zhì)對(duì)熱的傳遞特性不一樣，對(duì)藥倉(cāng)環(huán)境溫濕度的檢測(cè)點(diǎn)往往不止一個(gè)[1]。由于藥品堆積對(duì)傳感器布置和布線的限制，傳統(tǒng)有線數(shù)據(jù)采集方式無(wú)法滿足要求[2]。

APC300模塊是高度集成超低功耗微功率單向發(fā)射模塊，模塊采用了超低功耗單片機(jī)和高性能低功耗發(fā)射芯片，

內(nèi)置12bit高精度ADC，可以直接連接主流的各種數(shù)字與模擬傳感器。APC250模塊是高度集成半雙工微功率無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊，模塊嵌入高速單片機(jī)和高性能射頻芯片，采用高效的循環(huán)交織糾檢錯(cuò)編碼，抗干擾和靈敏度都大大提高。APC300、APC250和數(shù)字式溫濕度傳感器相結(jié)合，無(wú)需額外的MCU和外圍器件，也無(wú)需編寫無(wú)線與傳感器部分的軟件,可實(shí)現(xiàn)對(duì)多點(diǎn)溫濕度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),具有體積小、放置方便和操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。文中采用APC300和數(shù)字溫濕度傳感器SHT11設(shè)計(jì)了溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)，通過(guò)APC250無(wú)線接收模塊以及串口轉(zhuǎn)USB模塊和PC機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)多測(cè)點(diǎn)溫濕度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

藥倉(cāng)溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)要求24 h無(wú)間斷工作，每隔1 min更新1次測(cè)點(diǎn)溫濕度數(shù)據(jù)，每隔30 min自動(dòng)記錄1次實(shí)時(shí)溫濕度數(shù)據(jù)，且要求滿足本地聲光報(bào)警及遠(yuǎn)程聲光報(bào)警功能。系統(tǒng)由溫濕度傳感器、無(wú)線傳輸模塊、上位機(jī)、下位機(jī)四部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

APC300將溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)經(jīng)處理后由內(nèi)嵌的發(fā)射芯片發(fā)射出去，APC250接收模塊接收數(shù)據(jù)并通過(guò)串行口發(fā)送到計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)藥倉(cāng)溫濕度數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、顯示、聲光報(bào)警和遠(yuǎn)程通信等功能。發(fā)生報(bào)警時(shí)，計(jì)算機(jī)通過(guò)串口返回一個(gè)信號(hào)，通過(guò)控制微處理器的I/O口控制空調(diào)和加濕機(jī)的工作，進(jìn)行溫濕度的調(diào)節(jié)。遠(yuǎn)程客戶端利用以太網(wǎng)訪問(wèn)上位機(jī)，獲取藥倉(cāng)當(dāng)前溫濕度數(shù)據(jù)和監(jiān)控狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 藥倉(cāng)溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

典型的傳感器節(jié)點(diǎn)由電源管理模塊、傳感器、微處理器、存儲(chǔ)器以及射頻模塊等組成[3]。由于APC300模塊采用了超低功耗單片機(jī)和高性能低功耗發(fā)射芯片，用戶無(wú)需額外的MCU和外圍器件，也無(wú)需編寫無(wú)線與傳感器部分的軟件，可直接和各種數(shù)字傳感器相連。圖2表示APC300和SHT11接口電路。

圖2 APC300和SHT11接口電路

SHT11的供電電壓為2.4～5.5 V，傳感器上電后，需等待11 ms超越“休眠”狀態(tài)。電源引腳(VCC,GND)之間連接了一個(gè)104pF電容，用以去耦濾波。SHT11串行時(shí)鐘輸入(SCL)引腳和APC300 UART輸入口(AD1/RXD)連接，串行數(shù)據(jù)口(DATA)和APC300模塊使能腳(AD2/TXD)相連，數(shù)據(jù)傳輸期間，在SCK時(shí)鐘高電平時(shí)，DATA必須保持穩(wěn)定。此外，APC300 AUX腳連接到SHT11的GND上，保持置低狀態(tài)。

2.2 空調(diào)、加濕機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

空調(diào)和加濕機(jī)的控制由單片機(jī)I/O口和光電耦合器組成的驅(qū)動(dòng)電路完成，如圖3所示。

圖3 空調(diào)和加濕機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

圖中，發(fā)光二極管D1用來(lái)指示藥倉(cāng)溫濕度狀況。當(dāng)溫濕度越限時(shí)，上位機(jī)通過(guò)串口發(fā)送一個(gè)信號(hào)給控制微處理器，微處理器的P1.0口變?yōu)榈碗娖?，D1亮，光耦導(dǎo)通，雙向晶閘管也處于導(dǎo)通狀態(tài)，從而驅(qū)動(dòng)空調(diào)或加濕機(jī)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)總流程

系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)方法，具有參數(shù)設(shè)置、溫濕度數(shù)據(jù)顯示和存儲(chǔ)、波形顯示、曲線記錄和聲光報(bào)警功能，人機(jī)界面友好，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)程序流程圖

3.1.1 參數(shù)設(shè)置

為了增加系統(tǒng)的靈活性，一些基本參數(shù)，如串口號(hào)、波特率、數(shù)據(jù)位以及溫濕度上下限，需要允許用戶自行設(shè)置。LabVIEW提供了配置文件模塊，通過(guò)對(duì)配置文件的讀寫可實(shí)現(xiàn)基本參數(shù)的設(shè)置和更新，如圖5所示。

圖5 參數(shù)設(shè)置后面板程序框圖

首先創(chuàng)建一個(gè).ini文件，用于保存參數(shù)數(shù)據(jù)。當(dāng)需要修改參數(shù)時(shí)，利用寫入鍵值模塊將新的參數(shù)值寫入.ini文件，并保存，則.ini文件里的內(nèi)容發(fā)生改變，并讀取出來(lái)顯示在界面上。

3.1.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和查詢

LabSQL將復(fù)雜的底層ADO(AetiveXDataobject)和SQL操作封裝成一系列的LabSQLVls，用戶可以通過(guò)調(diào)用子Vl的方式輕松實(shí)現(xiàn)對(duì)Access數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問(wèn),簡(jiǎn)單易用[4]。使用LabSQL對(duì)Access數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)的步驟是：首先建立一個(gè)Access數(shù)據(jù)源，用以描述用戶需要訪問(wèn)的數(shù)據(jù)庫(kù)及參數(shù)設(shè)置；然后在ODBC上選擇數(shù)據(jù)源驅(qū)動(dòng)和設(shè)置數(shù)據(jù)源參數(shù)；最后調(diào)用LabSQL子VI和編寫SQL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)的插入、刪除和查詢功能。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)，由于系統(tǒng)要求每30 min記錄1次實(shí)時(shí)溫濕度數(shù)據(jù)，每1 min更新1次實(shí)時(shí)溫濕度數(shù)據(jù)顯示，為了解決數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)不同步問(wèn)題，需另外創(chuàng)建1個(gè)數(shù)組，每次更新1次實(shí)時(shí)溫濕度數(shù)據(jù)顯示，則將之前數(shù)據(jù)放進(jìn)數(shù)組里，此時(shí)數(shù)組指針加1，直到第30個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)，利用索引數(shù)組提取該數(shù)據(jù)，并通過(guò)LabSQL其存進(jìn)數(shù)據(jù)庫(kù)里，同時(shí)將數(shù)組指針清0。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的流程是：首先用ADO Connection Open.vi打開數(shù)據(jù)源，然后利用連接字符串模塊將監(jiān)測(cè)時(shí)間、監(jiān)測(cè)點(diǎn)名稱整合成一字符串輸入SQL Execute.vi中，并編寫SQL語(yǔ)句將溫濕度數(shù)據(jù)插入相應(yīng)位置，最后關(guān)閉數(shù)據(jù)源。

數(shù)據(jù)查詢時(shí)，首先用ADO Connection Open.vi打開數(shù)據(jù)源，然后利用連接字符串模塊將測(cè)點(diǎn)、監(jiān)測(cè)時(shí)間起始和結(jié)束信息整合成一個(gè)字符串輸入ADO Command Set Command Text.vi中，調(diào)用ADO Command Execute.vi執(zhí)行命令，最后通過(guò)SQL Fetch Data.vi獲取查詢的數(shù)據(jù)并顯示于界面。用戶可以查詢?nèi)我庖粋€(gè)測(cè)點(diǎn)以及任意時(shí)間段內(nèi)的溫濕度數(shù)據(jù)，以便進(jìn)行記錄和定期報(bào)告。

3.1.3 遠(yuǎn)程通信

DataSocket技術(shù)是一項(xiàng)基于Microsoft的COM和ActiveX技術(shù)的一種編程工具,它面向網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試，克服了傳輸速率慢的缺點(diǎn),大大簡(jiǎn)化了Internet 網(wǎng)上測(cè)控?cái)?shù)據(jù)交換的編程[5]。由于DataSocket源于TCP /IP協(xié)議并對(duì)其進(jìn)行了高度封裝，具有跨機(jī)器、跨語(yǔ)言、跨進(jìn)程的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)共享功能，用戶只需知道數(shù)據(jù)源和數(shù)據(jù)宿及需要交換的數(shù)據(jù)就可以直接進(jìn)行高層應(yīng)用程序的開發(fā),實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸,而不必關(guān)心底層實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié),從而簡(jiǎn)化了通信程序的編寫過(guò)程,提高了編程效率[6]。

為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程顯示和聲光報(bào)警功能，利用DataSocket技術(shù)對(duì)外提供的資源定位接口和功能調(diào)用接口，客戶端可通過(guò)資源定位符 URL對(duì)源地址進(jìn)行定位。資源定位符 URL中包括了了數(shù)據(jù)的傳輸協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)標(biāo)志和數(shù)據(jù)緩沖區(qū)變量，客戶端只需輸入和源地址一樣的IP地址，即可實(shí)現(xiàn)和遠(yuǎn)程服務(wù)器之間的通信，如圖6所示。其中Dstp是DataSocket技術(shù)專門的通信協(xié)議，支持字符型、布爾型、整型和數(shù)組型等各種類型數(shù)據(jù)，其使用格式是dstp://計(jì)算機(jī)名或IP地址/數(shù)據(jù)緩沖區(qū)變量。

圖6 DataSocket技術(shù)遠(yuǎn)程通信

4 系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)

目前，二次診斷和可靠性問(wèn)題是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不可忽視和急需解決的問(wèn)題[7]。為了使無(wú)線藥倉(cāng)溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)滿足業(yè)主的可靠性要求，分別對(duì)系統(tǒng)硬件和軟件兩部分進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)。

4.1 系統(tǒng)硬件可靠性設(shè)計(jì)

根據(jù)《SJ/T11141-2003 LED顯示屏通用規(guī)范》和參考文獻(xiàn)[8]得到系統(tǒng)各個(gè)器件失效率，并采用系統(tǒng)故障樹分析和蒙特卡羅法相結(jié)合方法進(jìn)行仿真，可知溫濕度傳感器和藍(lán)牙模塊是系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)，對(duì)系統(tǒng)影響較大。系統(tǒng)采用非運(yùn)行狀態(tài)備用冗余對(duì)溫濕度傳感器和藍(lán)牙模塊進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)，即用開關(guān)切斷故障部件電源的同時(shí)接通備用部件電源，使其投入運(yùn)行，同時(shí)工作人員及時(shí)更換故障部件，減少了兩者故障對(duì)系統(tǒng)工作的影響。

4.2 系統(tǒng)軟件可靠性設(shè)計(jì)

4.2.1 數(shù)據(jù)接收可靠性設(shè)計(jì)

為了保證數(shù)據(jù)接收的準(zhǔn)確性和可靠性，在數(shù)據(jù)接收程序設(shè)計(jì)中采取了如下措施：

(1) 設(shè)置溫濕度上下限，將采集數(shù)據(jù)與上下限比較，若越限則報(bào)警，并將數(shù)據(jù)摒棄，重新接收數(shù)據(jù)。

(2) 對(duì)于重要參數(shù)的輸入，要求進(jìn)行多次確認(rèn)；對(duì)于非法參數(shù)輸入，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警或自動(dòng)復(fù)位。

4.2.2 遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)通信可靠性設(shè)計(jì)

為了使上位機(jī)遠(yuǎn)程通信過(guò)程不產(chǎn)生紊亂，采用阻塞式通信方式，達(dá)到通信雙方互鎖目的[9]。首先下位機(jī)輸入IP地址請(qǐng)求連接，只有連接成功后，上位機(jī)才開始發(fā)送數(shù)據(jù)包，為保證數(shù)據(jù)正確發(fā)送到遠(yuǎn)程PC機(jī)，上位機(jī)每發(fā)送一數(shù)據(jù)包，必須得到遠(yuǎn)程PC機(jī)正確接收到數(shù)據(jù)的響應(yīng)，否則重新發(fā)送數(shù)據(jù)包。遠(yuǎn)程PC機(jī)接收到正確數(shù)據(jù)包后，對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析，調(diào)用顯示子程序。

5 系統(tǒng)測(cè)試

接通直流電源，利用rfsensor軟件設(shè)置波特率、傳感器類型和數(shù)據(jù)采集時(shí)間，并為每個(gè)傳感器編號(hào)，以便數(shù)據(jù)采集程序的設(shè)計(jì)；打開LabVIEW程序，輸入用戶名和密碼進(jìn)入監(jiān)測(cè)主界面，設(shè)置好串口號(hào)、波特率和溫濕度上下限，則系統(tǒng)正常運(yùn)行。測(cè)試結(jié)果如圖7所示。

由上圖可看出，系統(tǒng)以溫濕度顯示和溫濕度曲線趨勢(shì)圖反應(yīng)藥倉(cāng)溫濕度狀況，每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)采集5次則計(jì)算一次溫濕度平均值并顯示于界面上；溫濕度上下限可人為改動(dòng)，當(dāng)溫濕度越限時(shí)，報(bào)警燈將變亮且報(bào)警器發(fā)出報(bào)警聲；用戶通過(guò)選擇監(jiān)測(cè)點(diǎn)和監(jiān)測(cè)時(shí)間段可以查看歷史數(shù)據(jù)，以進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄和報(bào)告。遠(yuǎn)程客戶端輸入上位機(jī)的IP地址，可以查看當(dāng)前溫濕度數(shù)據(jù)和監(jiān)控狀態(tài)。經(jīng)測(cè)試，無(wú)線藥倉(cāng)溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以正常進(jìn)行溫濕度監(jiān)測(cè)，具有較好的穩(wěn)定性和精確性。

圖7 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)主界面

6 結(jié)束語(yǔ)

(1) 采用低功耗無(wú)線收發(fā)模塊APC250和APC250以及數(shù)字溫濕度傳感器SHT11設(shè)計(jì)溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)具有擴(kuò)展方便、安裝位置靈活、功耗低、測(cè)量精度高以及穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。

(2) 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)界面友好，有良好的人機(jī)交互性，操作簡(jiǎn)單，功能較全，實(shí)驗(yàn)結(jié)果直觀。

(3) 采用DataSocket技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程溫濕度顯示和聲光報(bào)警功能，減少了冗余數(shù)據(jù)的傳遞，提高傳輸速率，滿足實(shí)時(shí)性要求。

[1] 鄧德源，王成棟，苗強(qiáng).基于CAN總線的溫濕度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì).儀表技術(shù)與傳感器，2013(12): 40-42.

[2] 王翥，魏德寶，王玲.基于WSN的溫室大棚溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì).儀表技術(shù)與傳感器，2010(10): 45-48.

[3] 藍(lán)會(huì)立，羅功坤，廖鳳依，等.基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的煙葉發(fā)酵溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研制.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2013，21(4):910-912.

[4] 周歡，莫軍，李代生，等.基于LabSQL的LabVIEW數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)功能研究.儀器儀表學(xué)報(bào)，2009，30(6):321-324.

[5] 程琴，盧博友，彭君建，等.基于DataSocket的風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)程測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì).微計(jì)算機(jī)信息，2008，24(9):110-112.

[6] 尹興波，馬海瑞，周愛(ài)軍.基于DataSocket技術(shù)的LabVIEW遠(yuǎn)程測(cè)試.自動(dòng)化與儀器儀表，2005(4):61-63,71.

[7] 易朋興，杜潤(rùn)生，楊叔子，等.基于MarkoV模型的分布式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可靠性研究.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2005，41(6):143-148.

[8] 嚴(yán)龍，蘇永清，岳繼光.大型浮吊控制系統(tǒng)可靠性分析與仿真.艦船電子工程，2009(7):164-167.

[9] 陳惠濱，黃海.ATMega128 IAP技術(shù)在移動(dòng)數(shù)據(jù)采集器中的應(yīng)用.電子器件，2005，28(1):101-104,109.

Design and Implementation of Wireless Temperature and Humidity Monitoring System of Drug Storehouse

LIN Xiao-song1,2,LIN Shao-fen1,2,CHEN Qing-lin1,2,ZHU Zhao-yi1,2

(1.School of Marine Engineering,Jimei University,Xiamen 361021,China; 2.Key Laboratory of Ship and Ocean Engineering in Fujian Province,Xiamen 361021,China)

Aiming at the requirements of multi-points of temperature and humidity measurement and long time operation in the process of drug store,multiple microprocessors structure was used to design temperature and humidity monitoring system.The slave computer module of system included temperature and humidity sensors and micropower wireless transmitting modules,and the problems of limitation for sensors placed and wire layout were solved; The personal computer was adopted as the host one,and the software was developed in the platform of LabVIEW.The host computer obtained data from all sensors through the serial port,and meanwhile it sent the control command to the control microprocessor to control the operation of air conditioner and humidifier;The remote clients visited the host computer via Ethernet to obtain all data and control states.By means of the reliability design of the system’s hardware and software,the reliability problem of uninterrupted work of the system was solved.The results of experiment show that the measurement accuracies of temperature and humidity of the system is 0.01℃ and 0.05%RH separately,and the measurement points can be extended easily.

wireless temperature and humidity monitoring system; drug storehouse; temperature and humidity sensor node; data acquisition for Multi- measurement points; remote communication; reliability design

交通運(yùn)輸部應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(2014329815100)

2014-09-21 收修改稿日期：2015-02-17

TP274

A

1002-1841(2015)07-0077-04

林曉松(1990—)，研究生，主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)。E-mail：825102733@qq.com

林少芬(1962—)，教授，博導(dǎo)，主要研究方向?yàn)闄C(jī)電液一體化的可靠性和仿真研究、精藝造船技術(shù)。E-mail：shaofenlin@163.com