蒙治科，黨小花，馬君毅，寧睿

【摘? 要】 藥廠等無(wú)菌生產(chǎn)的空間環(huán)境中，對(duì)空氣環(huán)境的潔凈度要求較高。基于此，文章依據(jù)無(wú)菌空間的環(huán)境需求，開(kāi)發(fā)了ZigBee和NB-IoT技術(shù)的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了潔凈室關(guān)鍵生產(chǎn)區(qū)域內(nèi)溫濕度、顆粒物、懸浮微生物以及懸浮粒子數(shù)等環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測(cè)，進(jìn)而確保潔凈室生產(chǎn)活動(dòng)的環(huán)境要求。結(jié)果顯示，參照IEEE 802.3 at標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了供電信號(hào)和控制信號(hào)的雙向交互，使環(huán)境監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)了集成，并且系統(tǒng)的穩(wěn)定性和靈活性也大幅提升。環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠應(yīng)用于潔凈室的環(huán)境監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了溫濕度、浮游菌以及懸浮粒子數(shù)的綜合測(cè)量，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，其監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與監(jiān)測(cè)信息的準(zhǔn)確度較高，能夠準(zhǔn)確描述潔凈室環(huán)境的末端狀態(tài)，應(yīng)用效果良好。

【關(guān)鍵詞】 潔凈室；環(huán)境監(jiān)測(cè)；生產(chǎn)環(huán)境；實(shí)現(xiàn)策略

一、潔凈室環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件方案

（一）綜合監(jiān)測(cè)儀

綜合監(jiān)測(cè)儀在系統(tǒng)內(nèi)為集成化的綜合測(cè)量產(chǎn)品，主要應(yīng)用于室內(nèi)溫濕度、顆粒物以及生物濃度的監(jiān)測(cè)，安裝結(jié)構(gòu)為三腳架安裝，其安裝的監(jiān)測(cè)位置為測(cè)試大廳內(nèi)來(lái)實(shí)時(shí)地獲取現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。線路設(shè)備硬件中，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸以及電力數(shù)據(jù)傳輸主要是由PoE技術(shù)結(jié)合網(wǎng)線線纜來(lái)實(shí)時(shí)地進(jìn)行通訊和供電，保證了整個(gè)供電及數(shù)據(jù)通信的安全和可靠低功耗監(jiān)控的傳感節(jié)點(diǎn)分布。同時(shí)綜合監(jiān)測(cè)儀的布置節(jié)點(diǎn)模型也是重要的核心環(huán)節(jié)，其節(jié)點(diǎn)分布計(jì)算的原理為：

A=cNjai

式中：Nj為第j層匯聚節(jié)點(diǎn)的位置集合；ai是第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的距離損耗；c是常數(shù)系數(shù)，默認(rèn)取值為0.85。系統(tǒng)采用了多源陣列的融合感知方法，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離和低功耗的數(shù)據(jù)傳輸效果。

（二）上位機(jī)

上位機(jī)所采取的類(lèi)型主要為服務(wù)器和普通臺(tái)式機(jī)兩種類(lèi)型，其安裝位置為控制室，軟件側(cè)需要輔助有監(jiān)測(cè)及控制軟件進(jìn)行功能輔助（需定期開(kāi)展軟件升級(jí)），實(shí)現(xiàn)軟硬件之間的完整功能交互。其功能要點(diǎn)上需要滿足所有遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)儀器的通訊、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)調(diào)用、采樣時(shí)間周期設(shè)置等。

（三）以太網(wǎng)絡(luò)

以太網(wǎng)絡(luò)主要是由以太網(wǎng)和PoE交換機(jī)組成，其中PoE交換機(jī)能夠?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)裝置提供穩(wěn)定的電力供應(yīng)，并結(jié)合以太網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控儀和上位機(jī)之間的穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)傳遞的穩(wěn)定傳輸。

（四）交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)

依據(jù)“PoE交換機(jī)組”的功能要求，其硬件網(wǎng)絡(luò)在保證數(shù)據(jù)傳輸效率的同時(shí)，還能夠?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)終端提供穩(wěn)定的電能，根據(jù)IEEE 802.3 at標(biāo)準(zhǔn)的供電傳輸設(shè)備的功率為25.5W，交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)能夠滿足網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各個(gè)硬件的數(shù)據(jù)監(jiān)控與傳輸需求。需要特別說(shuō)明的是，在進(jìn)行硬件設(shè)備產(chǎn)品選型的過(guò)程中需要對(duì)端口數(shù)量以及在線設(shè)備數(shù)量進(jìn)行綜合考量，最大限度地保證多點(diǎn)監(jiān)測(cè)中的每個(gè)端口都能夠獲得穩(wěn)定的功率。

二、潔凈室環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能模塊

（一）溫度、濕度檢測(cè)

潔凈室的生產(chǎn)環(huán)境參數(shù)中，對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)的環(huán)境要求較高，因此對(duì)傳感器的傳感精密度要求也較高，系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的傳感器末端中，設(shè)計(jì)了PT100A級(jí)鉑電阻和濕敏電容為末端傳輸接口。其溫度傳輸?shù)臄?shù)據(jù)精度為0～50℃（±0.2℃）；濕度傳感器的數(shù)據(jù)精度為0～100% RH（±2%），并且溫濕度的檢測(cè)集成到在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)當(dāng)中。

（二）潔凈度檢測(cè)

潔凈度檢測(cè)主要是通過(guò)激光空氣粒子計(jì)數(shù)器來(lái)對(duì)潔凈室內(nèi)的潔凈度參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量的過(guò)程中，采樣空氣以2.5 L/min的速度流經(jīng)光敏區(qū)，光敏區(qū)內(nèi)依據(jù)光散射的原理，對(duì)空氣進(jìn)行照射。其中，在線懸浮粒子監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為PMS系統(tǒng)，離線在線懸浮粒子監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為德國(guó)默克系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)化以及信號(hào)調(diào)理后，實(shí)現(xiàn)對(duì)多通道的灰塵粒子脈沖計(jì)數(shù)，最終輸出不同粒徑的粒子串行數(shù)據(jù)。

（三）串口服務(wù)器

基于DSP系統(tǒng)來(lái)開(kāi)展?jié)崈羰铱臻g環(huán)境監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，其加載方式主要由BMODE0、BMODE1來(lái)進(jìn)行設(shè)定。串口服務(wù)器完成的是串行通信以及基于以太網(wǎng)的TCP/IP通信，進(jìn)而綜合滿足了整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸要求。

（四）PoE分離器

各類(lèi)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸要求，硬件結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中的PoE分離器需要分解成硬件設(shè)備的控制信號(hào)以及24V（DC）電流兩種。同時(shí)為更好地滿足綜合監(jiān)測(cè)儀的功耗需求，所有軟件參數(shù)及數(shù)據(jù)傳輸需支持IEEE 802.3 at的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而更好地保證供電冗余度以及監(jiān)測(cè)儀運(yùn)行的穩(wěn)定性。并且對(duì)標(biāo)準(zhǔn)本身而言，IEEE 802.3 at標(biāo)準(zhǔn)集成了浪涌保護(hù)、數(shù)字PD控制等核心功能，也能夠最大限度地維護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行的安全。

（五）監(jiān)測(cè)儀散熱設(shè)計(jì)

潔凈室內(nèi)對(duì)環(huán)境溫度的穩(wěn)定性具有較高的要求，而末端監(jiān)測(cè)設(shè)備由于其自身內(nèi)部發(fā)熱的影響，可能會(huì)降低末端采集數(shù)據(jù)的精確度。因此在進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)和場(chǎng)地布置的過(guò)程中，需要重點(diǎn)優(yōu)化發(fā)熱設(shè)備的設(shè)計(jì)與布置，在外殼當(dāng)中增設(shè)散熱孔，并且根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的空間位置情況優(yōu)化傳感器的位置布局。

（六）通信與監(jiān)測(cè)儀設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)采用了IEEE 802.3 at的參數(shù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)以太網(wǎng)線纜實(shí)現(xiàn)了電力和信號(hào)傳輸?shù)膹?fù)用。其遠(yuǎn)程通信協(xié)議主要涵蓋的是啟?？刂菩盘?hào)以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)榷囗?xiàng)數(shù)據(jù)，通過(guò)配合上位機(jī)軟件中的終端設(shè)備配置功能，能夠最大限度地保障系統(tǒng)配置的便利性及靈活度。

三、潔凈室環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用了嵌入式的ARM中央處理器在對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行集成化處理，電位控制的過(guò)程中，通過(guò)集成控制和模糊控制兩種控制方法對(duì)過(guò)程參數(shù)信息進(jìn)行集成，并且在功能要義上，構(gòu)建起潔凈室低功耗的總線控制集成模塊。末端設(shè)備中，采用敏感傳感器實(shí)現(xiàn)了對(duì)遠(yuǎn)距離低功耗監(jiān)控原始信息的采集，并將參數(shù)信息嵌入STM32 F101xx中，實(shí)現(xiàn)集成化的參數(shù)信息處理。

在集成化的信息交互處理中，采用集成化的嵌入控制方法，實(shí)現(xiàn)了多端傳感器的跟蹤融合，構(gòu)建起了潔凈室“遠(yuǎn)距離低功耗”的通信信息數(shù)據(jù)端人機(jī)交互的端口模塊。并且在核心模塊開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，基于PLC及VIX總線模塊實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控信息參數(shù)及控制指令的深度融合，并且采用了ADSP 2101來(lái)作為控制系統(tǒng)的核心中樞，實(shí)現(xiàn)了“遠(yuǎn)距離低功耗”的復(fù)位控制。

（一）無(wú)線信息射頻模塊設(shè)計(jì)

無(wú)線射頻模塊參照CC 2530標(biāo)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，其深度融合了RF收發(fā)器的先進(jìn)性能。同時(shí)依據(jù)潔凈室不同位置的記錄要求，分別安裝了32 / 64 / 128 / 256 KB的不同存儲(chǔ)模塊，進(jìn)而滿足了不同運(yùn)行模式下的運(yùn)行存儲(chǔ)低能耗要求。

（二）電源模塊設(shè)計(jì)

電源供給是各個(gè)節(jié)點(diǎn)能夠穩(wěn)定工作的基礎(chǔ)，盡管各個(gè)參數(shù)節(jié)點(diǎn)對(duì)功耗的要求較低，但是在收發(fā)信息的過(guò)程中仍舊會(huì)消耗30 mA的電流。為更好地適配各個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓要求，系統(tǒng)采用了AS1117—3.3穩(wěn)壓芯片進(jìn)行穩(wěn)壓，保障系統(tǒng)的運(yùn)行安全。

（三）節(jié)點(diǎn)PCB設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)采用疊層結(jié)構(gòu)的PCB設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)分為頂層和底層兩部分，其中頂層主要是應(yīng)用于信號(hào)層和電源層。而底層部分主要應(yīng)用于接地和信息傳輸。在現(xiàn)場(chǎng)布線的過(guò)程中，需要深度參照信號(hào)和電源的完整性原則進(jìn)行布線。

（四）ZigBee - NB IoT 網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用ZigBee 和 NB-IoT的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)關(guān)的控制部分為STM 32，并且NB-IoT通訊模塊和ZigBee通訊模塊分別通過(guò)TTL串口和STM 32直接連接，具有更高性能、更高代碼密度以及低成本和低功耗的優(yōu)勢(shì)，其引腳定義描述信息如表1所示。

（五）ZigBee網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建

協(xié)調(diào)器是ZigBee網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的重要匯聚節(jié)點(diǎn)，能夠逐一地為網(wǎng)絡(luò)成員分配IP地址，實(shí)現(xiàn)了各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間參數(shù)關(guān)系的深度捆綁。而路由器在潔凈室的通訊范圍內(nèi)，能夠?qū)⑵渥鳛楦腹?jié)點(diǎn)來(lái)控制其他節(jié)點(diǎn)加入或斷開(kāi)網(wǎng)絡(luò)，為各個(gè)節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)化地分配地址和路由數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。同時(shí)當(dāng)ZigBee協(xié)調(diào)器實(shí)時(shí)接收到來(lái)自STM 32網(wǎng)關(guān)的命令參數(shù)時(shí)，最終將命令信息通過(guò)無(wú)線射頻的端口傳輸?shù)絑igBee終端。

（六）ZigBee - NB IoT網(wǎng)關(guān)端口配置設(shè)計(jì)

初始化端口鏈接了各個(gè)環(huán)境監(jiān)測(cè)傳輸端口的ZigBee通訊模塊，并且串口數(shù)據(jù)端口連接了NB ╞ IoT通訊單元。其主要步驟為：

第一步，判斷NB-IoT網(wǎng)絡(luò)是否穩(wěn)定連接；

第二步，開(kāi)機(jī)注冊(cè)網(wǎng)絡(luò)并且激活網(wǎng)絡(luò)；

第三步，配置服務(wù)器端口IP地址CoAP地址；

第四步，開(kāi)啟環(huán)境監(jiān)測(cè)問(wèn)答監(jiān)測(cè)信號(hào)。

其中，通信模塊通過(guò)串行端口來(lái)進(jìn)行命令的傳送，其中cmd代表發(fā)送的命令字符；ack代表的預(yù)期的回應(yīng)數(shù)值；wait time代表響應(yīng)時(shí)間，如果回應(yīng)數(shù)值為1代表數(shù)據(jù)已發(fā)送，如果回應(yīng)數(shù)值為0代表數(shù)據(jù)發(fā)送失?。籹uccessfully ack代表響應(yīng)成功。

四、潔凈室環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能測(cè)試

將整條電路、硬件裝置以及軟件系統(tǒng)搭建完成后，立即開(kāi)展了基于自動(dòng)物聯(lián)的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能測(cè)試，其步驟主要涵蓋：1. 在潔凈室數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)后臺(tái)中隨機(jī)選取三個(gè)位置的觀測(cè)點(diǎn)；2. 實(shí)地考察三個(gè)位置點(diǎn)，并通過(guò)手持參數(shù)測(cè)量設(shè)備記錄觀測(cè)點(diǎn)的溫濕度、浮游菌以及懸浮粒子數(shù)等參數(shù)；3. 依據(jù)后臺(tái)系統(tǒng)內(nèi)導(dǎo)出的溫濕度、浮游菌以及懸浮粒子數(shù)進(jìn)行參數(shù)數(shù)值的對(duì)比，其對(duì)比參數(shù)的結(jié)果如表2所示。

對(duì)比表2的數(shù)據(jù)測(cè)試參數(shù)可見(jiàn)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)數(shù)值與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)之間的誤差較小，并且符合GMP的要求。因此，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地反映出潔凈室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)變化，顯著提升了潔凈室低功耗、遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)監(jiān)控能力。

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