杜健寧，石子鳴，張 萌，孟祥雨，盧東生

（首都醫(yī)科大學附屬北京友誼醫(yī)院醫(yī)學工程處，北京 100050）

0 引言

醫(yī)用冷藏箱主要應用于醫(yī)療衛(wèi)生、生物制藥等領域，是必不可少的醫(yī)療設備之一。醫(yī)用冷藏箱內(nèi)部溫度在2～8 ℃范圍內(nèi)波動，相比于普通冰箱和商用冰箱有更高的控溫精度要求，具有溫度波動值小等特點[1-2]。

通常，醫(yī)療機構所使用的醫(yī)用冷藏箱具有完善的報警系統(tǒng)，且配置監(jiān)測運行的溫度記錄器，如輸血科常見的三洋MBR-506D 醫(yī)用冷藏箱配備了溫度異常報警裝置以及監(jiān)控溫度的工作站，可供查詢其歷史溫度曲線。當溫度異常時，工程師可通過查看歷史溫度曲線進行故障診斷，從而盡快維修。然而部分科室仍在使用的老舊醫(yī)用冷藏箱不具備報警系統(tǒng)或溫度記錄裝置，如遇故障，管理者不能及時得知醫(yī)用冷藏箱內(nèi)溫度異常的情況，不但易造成藥品或試劑的損失，而且不利于工程師開展故障診斷和維修工作。目前，國內(nèi)、外有關醫(yī)用冷藏箱溫度監(jiān)測裝置的設計層出不窮[1-5]，雖然均可實現(xiàn)對醫(yī)用冷藏箱溫、濕度的無線監(jiān)測，并具備報警功能，但僅限于手機消息推送報警，不具備聲光報警，且需通過顯示器或其他終端顯示監(jiān)測結果，不但增加成本，而且不便于隨時監(jiān)測溫濕度數(shù)據(jù)[1-2]。本研究設計一款醫(yī)用冷藏箱溫度監(jiān)測裝置，使管理者通過手機即可實現(xiàn)對醫(yī)用冷藏箱溫濕度的監(jiān)測[6-9]。本裝置不僅可以實時反映醫(yī)用冷藏箱內(nèi)部溫濕度，還能夠記錄溫濕度數(shù)據(jù)，并能通過圖表反映醫(yī)用冷藏箱內(nèi)溫濕度的變化。在溫度超出正常值持續(xù)5 min 后，本裝置會通過指示燈、蜂鳴和微信提醒3 種途徑告知管理者，以便其及時處置醫(yī)用冷藏箱內(nèi)的物品或聯(lián)系工程師進行維修。

1 醫(yī)用冷藏箱溫度監(jiān)測裝置的設計

1.1 硬件設計和連接

本裝置硬件由WeMos D1 Mini 開發(fā)板、DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器模塊、有機發(fā)光二極管（organic lightemitting diode，OLED）顯示屏、RGB 模塊和蜂鳴器模塊組成，整體電路原理圖如圖1 所示。通過WeMos D1 Mini 開發(fā)板板載的ESP-8266 物聯(lián)網(wǎng)芯片實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能，通過DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器模塊采集溫濕度數(shù)據(jù)，由OLED 顯示屏實時顯示醫(yī)用冷藏箱內(nèi)的溫濕度數(shù)據(jù)。在監(jiān)測到溫度異常時，通過RGB模塊以及蜂鳴器模塊進行聲光報警。醫(yī)用冷藏箱溫度監(jiān)測裝置的硬件結構框圖如圖2 所示。

圖1 醫(yī)用冷藏箱溫度監(jiān)測裝置整體電路原理圖

圖2 醫(yī)用冷藏箱監(jiān)測裝置硬件結構框圖

1.1.1 WeMos D1 Mini 開發(fā)板

醫(yī)用冷藏箱溫度監(jiān)測裝置采用WeMos D1 Mini開發(fā)板，實現(xiàn)對DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器模塊、OLED顯示屏、RGB 模塊以及蜂鳴器模塊的控制，接收DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器模塊的溫濕度數(shù)據(jù)并由ESP-8266 無線發(fā)送至手機端Blinker App[10-13]。

1.1.2 DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器模塊

本研究采用的DHT11 是一款溫濕度復合傳感器，因其應用了專用數(shù)字模塊采集技術和溫濕度傳感技術而具有較高的可靠性和穩(wěn)定性。該傳感器溫度量程為-20～60 ℃，精度為±2 ℃；相對濕度量程為5%～95%，精度為±5%[14-17]。

1.1.3 OLED 顯示屏

本研究采用四針式0.96 in（1 in=25.4 mm）集成電路總線（inter-integrated circuit，IIC）通信的OLED 顯示屏，用于實時顯示DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器模塊傳輸?shù)臏貪穸葦?shù)據(jù)，并提供國家標準時間顯示[18]。

1.1.4 RGB 模塊

RGB 模塊作為醫(yī)用冷藏箱內(nèi)部的溫度指示燈，當醫(yī)用冷藏箱內(nèi)溫度正常時，綠燈亮起；當醫(yī)用冷藏箱內(nèi)溫度異常時，紅燈亮起。

1.1.5 蜂鳴器模塊

蜂鳴器模塊采用低電平觸發(fā)。當醫(yī)用冷藏箱內(nèi)溫度正常時，蜂鳴器模塊靜息；當醫(yī)用冷藏箱內(nèi)溫度異常時，觸發(fā)低電平，蜂鳴器模塊報警。

1.2 軟件編程和配置

醫(yī)用冷藏箱溫度監(jiān)測裝置的軟件設計部分包含硬件控制程序的編寫及手機端Blinker App 界面的制作。硬件控制程序在Arduino IDE 上完成編寫和調(diào)試后燒錄至WeMos D1 Mini 開發(fā)板，實現(xiàn)對醫(yī)用冷藏箱溫度監(jiān)測裝置各個硬件模塊的控制。手機端Blinker App 能夠直觀地反映醫(yī)用冷藏箱內(nèi)部的瞬時溫濕度數(shù)值和歷史溫濕度曲線，供管理者查看。Blinker“點燈物聯(lián)”微信公眾號在醫(yī)用冷藏箱內(nèi)溫度異常時會給管理者發(fā)送微信提醒，以便及時處置。

1.2.1 硬件控制程序

硬件控制程序的流程為：（1）通過WeMos D1 Mini開發(fā)板連接USB 或用電池提供5 V 電壓進行供電，傳感器復位，ESP-8266 物聯(lián)網(wǎng)芯片啟動，發(fā)送國家標準時間至OLED 顯示屏。（2）DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器模塊獲取醫(yī)用冷藏箱內(nèi)溫濕度并傳輸至WeMos D1 Mini 開發(fā)板，分別在OLED 顯示屏和手機端Blinker App 進行溫濕度數(shù)據(jù)的顯示，供管理員進行查詢。（3）為防止開門引起誤報警或頻繁報警，采取報警延時設置：當醫(yī)用冷藏箱內(nèi)溫度高于8 ℃或低于2 ℃持續(xù)5 min 時，蜂鳴器模塊響起，RGB 模塊由綠燈變?yōu)榧t燈，Blinker“點燈物聯(lián)”微信公眾號發(fā)送溫度異常微信消息告知管理員[19-21]。醫(yī)用冷藏箱溫度監(jiān)測裝置的工作流程圖如圖3 所示。

圖3 醫(yī)用冷藏箱溫度監(jiān)測裝置工作流程圖

1.2.2 手機端Blinker App 界面制作

手機端Blinker App 用于顯示醫(yī)用冷藏箱內(nèi)的溫濕度數(shù)據(jù)和曲線，使管理者能夠在移動端隨時隨地了解醫(yī)用冷藏箱的當前和歷史運行狀態(tài)，其界面制作步驟為：（1）在手機端Blinker App 中新建設備；（2）在新建設備界面里分別添加溫度和濕度數(shù)據(jù)顯示組件；（3）分別添加溫度和濕度圖表組件，以顯示溫度和濕度曲線；（4）添加“消音”和“刷新”組件，以供裝置的消音和實時刷新溫濕度數(shù)據(jù)；（5）在Arduino IDE 上進行Blinker App 的程序配置。

2 醫(yī)用冷藏箱溫度監(jiān)測裝置的測試

2.1 測試場景布置

本裝置體積為50mm×50mm×25mm，質量為50 g，便于放置或貼附。經(jīng)測量，引線直徑為2 mm，箱門關閉后可與醫(yī)用冷藏箱密封條貼合良好，不影響其密封。

醫(yī)用冷藏箱溫度監(jiān)測裝置的測試在本院門診西藥房中的2 臺海爾HYC-940 醫(yī)用冷藏箱上進行，其冷藏室溫度范圍為2～8 ℃，測試用醫(yī)用冷藏箱及裝置放置示意圖如圖4 所示。為了不影響取送藥工作，將醫(yī)用冷藏箱溫度監(jiān)測裝置貼附于醫(yī)用冷藏箱側面，如圖4（b）所示。將DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器置于冷藏箱內(nèi)，通過引線與醫(yī)用冷藏箱監(jiān)測裝置連接，裝置通過USB 供電。

圖4 測試用醫(yī)用冷藏箱實物及裝置放置示意圖

2.2 裝置功能測試

2.2.1 報警功能測試

醫(yī)用冷藏箱1：（1）將DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器模塊置于醫(yī)用冷藏箱內(nèi)，其溫度顯示4.3 ℃，監(jiān)測裝置測得醫(yī)用冷藏箱內(nèi)溫度為4.4 ℃，RGB 模塊綠燈亮，指示溫度正常；（2）打開醫(yī)用冷藏箱門，使內(nèi)部溫度升高（測得當時室內(nèi)溫度為24.5 ℃），當冷藏箱溫度顯示8.1 ℃時，監(jiān)測裝置測得其內(nèi)部溫度為8.1 ℃且繼續(xù)升高，5 min 后RGB 模塊由綠燈亮變?yōu)榧t燈亮，蜂鳴器模塊警報響起，管理者隨即收到Blinker“點燈物聯(lián)”微信公眾號發(fā)送的“High Temperature”信息（如圖5 所示）；（3）關閉醫(yī)用冷藏箱門，當其溫度顯示7.9 ℃時，監(jiān)測裝置測得醫(yī)用冷藏箱內(nèi)溫度為8.0 ℃，RGB 模塊由紅燈亮變?yōu)榫G燈亮，蜂鳴器模塊警報停止。

圖5 Blinker “點燈物聯(lián)” 微信公眾號發(fā)送消息內(nèi)容界面

醫(yī)用冷藏箱2：測試方法同醫(yī)用冷藏箱1，使其內(nèi)部溫度升高，當醫(yī)用冷藏箱溫度顯示為8.0 ℃時，監(jiān)測裝置測得其內(nèi)部溫度為8.1 ℃且繼續(xù)升高，5 min后RGB 模塊由綠燈亮變?yōu)榧t燈亮，蜂鳴器模塊警報響起，管理者隨即收到“High Temperature”信息；關閉醫(yī)用冷藏箱門，當其溫度顯示7.9 ℃時，監(jiān)測裝置測得醫(yī)用冷藏箱內(nèi)溫度為7.9 ℃，RGB 模塊由紅燈亮變?yōu)榫G燈亮，蜂鳴器模塊警報停止。

通過將DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器置于冰袋上模擬醫(yī)用冷藏箱內(nèi)溫度低于2 ℃的情況，監(jiān)測裝置顯示溫度下降至1.9 ℃且繼續(xù)降低，5 min 后RGB 模塊由綠燈亮變?yōu)榧t燈亮，蜂鳴器模塊警報響起，管理者隨即收到“Low Temperature”信息；移除冰袋，當監(jiān)測裝置顯示溫度上升至2.1 ℃時，RGB 模塊由紅燈亮變?yōu)榫G燈亮，蜂鳴器模塊警報停止。

本裝置能夠對醫(yī)用冷藏箱內(nèi)的溫濕度進行顯示，在其正常工作時提供指示，在醫(yī)用冷藏箱內(nèi)溫度高于8 ℃或低于2 ℃持續(xù)5 min 后進行聲光報警并發(fā)送微信提醒。

2.2.2 測溫效果測試

醫(yī)用冷藏箱溫度監(jiān)測裝置選用的DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器精度誤差可達±2 ℃，因而需進行量程內(nèi)（2～8 ℃）測溫效果測試。分別對2 臺醫(yī)用冷藏箱內(nèi)溫度進行60 min 監(jiān)測，監(jiān)測裝置和醫(yī)用冷藏箱顯示的溫度數(shù)值隨時間變化的數(shù)據(jù)詳見表1～2。

表1 醫(yī)用冷藏箱1 溫度監(jiān)測數(shù)據(jù) 單位：℃

表2 醫(yī)用冷藏箱2 溫度監(jiān)測數(shù)據(jù) 單位：℃

經(jīng)數(shù)據(jù)比對，在測溫過程中本裝置與醫(yī)用冷藏箱顯示溫度的最大差值為±0.2 ℃。

2.2.3 手機端Blinker App 功能測試

手機端Blinker App 界面如圖6 所示，其功能測試流程為：（1）將硬件部分上電后打開App，App 顯示當前瞬時溫度為3.3 ℃，文字提示為“正?！?；（2）打開醫(yī)用冷藏箱門，使其箱內(nèi)溫度升高（測得當時室內(nèi)溫度為24.5 ℃），當App 顯示醫(yī)用冷藏箱內(nèi)溫度高于8 ℃時，App 文字提示為“高溫”；（3）將DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器置于冰袋上，當App 顯示溫度低于2 ℃時，App 文字提示為“低溫”；（4）在蜂鳴器模塊報警時，按下“消音”組件，蜂鳴器模塊警報停止；（5）按下“刷新”組件，App 隨即收到刷新后的溫濕度數(shù)據(jù)。

圖6 手機端Blinker App 界面

經(jīng)測試，手機端Blinker App 能夠顯示溫濕度瞬時數(shù)據(jù)，提供最近1 h、1 d 以及1 周溫濕度歷史數(shù)據(jù)圖表，且“消音”“刷新”組件工作正常。

3 結語

本研究的意義在于解決老舊醫(yī)用冷藏箱不具備報警系統(tǒng)或溫度記錄裝置的問題，使管理者能夠實時監(jiān)測老舊醫(yī)用冷藏箱的溫濕度數(shù)據(jù)，在其內(nèi)部溫度異常時收到微信消息推送，以便及時維修，減少藥物、血袋等物品因儲藏不當造成的損失。本裝置的創(chuàng)新之處在于其體積小巧、成本低廉、易于操作，能夠有效監(jiān)測醫(yī)用冷藏箱內(nèi)的溫濕度變化，并在溫度異常時及時告知管理者。

本裝置的不足之處在于選用的DHT11數(shù)字溫濕度傳感器雖然成本較低，但其本身存在的誤差較大，在測量范圍為0～50 ℃時的誤差為±2 ℃，可能會引發(fā)裝置誤報警；置于醫(yī)用冷藏箱內(nèi)部的傳感器需要通過引線連接開發(fā)板，對樣本或藥品的取放造成一定的不便。下一步計劃將溫濕度采集模塊更換成測量精度為±0.6 ℃（0～60 ℃）的SHT30，改善設備測量精度；將裝置內(nèi)嵌于醫(yī)用冷藏箱內(nèi)，去除冗余引線，提高裝置集成度；在全醫(yī)院進行推廣，根據(jù)本裝置在各科室的使用情況在硬件和軟件方面加以改進。